摘 要：实现了基于PID算法的电液比例阀控制系统，系统可以有效解决传统比例阀技术的问题，其控制功能强大、维护成本低、系统控制精度高且结构相对比较简单。在系统电路设计中，以单片机控制系统、数字PID算法和PWM技术为研究对象，设计了系统电路和功率放大电路，并编写了系统控制程序。
关键词：PID算法；脉宽调制；电液比例阀；功率放大

　传统的电液比例阀控制系统大都采用硬件电路控制，其系统设计需要专家设计、专家维护，并且成本很高，控制精度不是很理想，所以传统的电液比例阀系统的应用受到限制[1]。因此新型比例阀的设计一直成为研究的热点。本文设计了一种用单片机控制的电液比例阀，其以软件代替部分复杂的硬件电路，并且结合了PID算法，使系统的控制精度和响应速度大大提高，其维护简单，适合广泛应用，值得推广。
1 PID控制器概述
　PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。PID控制器是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
　在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制，模拟PID控制系统原理框图如图1所示，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。



　模拟的PID控制器不容易实现，原因是没有可靠的、精确的和电子的可重构模拟阵列。由于PID的参数必须根据设备来进行调整，所以控制器必须可以重构。系统的可重构精度和范围必须有足够的灵活性，这样才能控制各种不同的设备。
　数字PID算法中，用比例消除大偏差，用积分消除小偏差，可完全消除积分饱和现象；各参数容易整定，易实现系统稳定；超调量大大减小，改善了调节品质。由于数字PID控制器是由计算机编程实现，其外围器件少，所以它的重复精度高、可以移植性强、系统体积小、功耗低、集成度高、对应用环境的要求低，因此数字PID控制器相对模拟的PID控制器适用性要强，因而本系统采用数字的PID控制器。
2 比例阀控制系统原理
　由于传统的电液比例阀控制系统中，其PID的调节是由外围的硬件电路来完成，当其参数一旦给定后，其整个控制过程都是固定不变的，所以传统的电液比例阀控制系统缺乏灵活性，并且由于模拟器件本身的误差，其控制效果很难达到最佳状态，而且硬件成本高。本文中设计的系统是以数字的PID控制器代替了外围的硬件电路，其参数可以根据需要随意调整，重复精度高，减少了外围器件，节约了系统的设计成本。
根据数字PID控制器的特性，本文设计了电液比例阀电路，其系统设计框图如图3所示。MCU选用飞思卡尔微控制器，MCU启动后将接收控制信号，信号经过内部处理后发出相应的PWM控制信号，然后经由比例放大器[2]，对电控制信号进行处理、运算和功率放大，经过电流采样，再驱动电液比例阀。反馈电路是在电流采样之后，把采样电流信号转化为电压信号，然后经过DC放大，再反馈给MCU，MCU内部根据反馈信息对输出的PWM信号进行PID调整，从而使整个系统构成一个闭环的控制系统。


　PWM控制电路部分电路原理图如图4所示。

　单片机产生的PWM信号电流非常小，不足以驱动比例阀。本系统电路设计中选用了摩托罗拉生产的MC33883芯片作为系统电路的驱动器，其适应电压最大为55 V。PWM信号进入MC33883之后，经过放大，MC33883驱动一个N沟道的场效应管Q1，然后利用场效应管的开关特性来调制固定电压的直流电源，在图4中Q1的load端可以直接驱动比例阀。PWM按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要调整占空比控制寄存器PWMDTYx的值来改变一个周期内接通和断开时间的长短，从而改变系统的的输出电流。用这种快速通断的电流来驱动电液比例阀，使阀芯处于微震状态。这样系统无需另加振颤信号，可使系统的抗干扰能力强、滞后时间短、重复精度高。由于脉冲周期远小于阀芯的响应周期，所以阀芯的运动只响应PWM信号平均值，即电流大小与矩形波的平均值有关。因为阀的开度与送入电磁铁的电流成比例，所以控制阀的开度就是控制PWM波的平均值。PWM波的电压平均值表示为（为PWM波的占空比）：

4 仿真效果
　本系统的仿真是在MATLAB的SIMULINK环境下进行的[7]，系统的时间电流仿真曲线如图6所示。曲线Y3是理想状态下系统的响应曲线；曲线Y1是数字PID调节后的响应曲线；曲线Y2是模拟PID调节后的响应曲线。从图中可以看出，系统数字PID响应曲线刚开始时冲击比较大，大概在400 ms之后系统就进入稳定状态，而模拟的PID响应曲线达到稳定状态的调节时间要约为6 s的时间，其响应时间远远慢于数字PID的调节。因此本系统中的数字PID调节达到了预期效果。

　本文运用现代设计方法和计算机技术，设计出一种新型电液比例阀控制系统，并对比例阀系统的稳态与动态性能做了初步研究与测试。经实践证明，系统运行状态良好，已应用在泵车起重机等项目中，其阀的工作状态稳定，响应速度快，因此本系统有着广泛的应用前景。
参考文献
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[2] 许益民.电液比例控制系统分析与设计[M].北京：机械工业出版社，2005.
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[7] 王中鲜.MATLAB仿真与应用[M].北京：机械工业出版社，2010.