（机械电子工程专业论文）通用液压数字控制器的研制.pdf

西北工业大学工学硕士学位论文 摘要 随着集成电路、现代电子技术和控制理论的发展，液压控制技术得到了飞速的 发展，已由模拟控制转为以微机控制与数字控制为主。它结合了液压传递较大功率 的优越性和电子、计算机控制的灵活性，由计算机控制的电液控制系统正成为液压 控制新技术的发展方向。 本课题针对液压系统中普遍采用模拟电控技术和一种阀一种控制器的现状，提 出了一种适用于大多数液压阀的数字控制器。该控制器可通过键盘设置不同的参数 和输入不同的软件来实现其控制功能。 本文在分析电磁换向阀、比例阀和伺服阀三类阀电控原理的基础上，提出了液 压数字控制器的可行性方案。在硬件设计方面，控制器可检测和输出开关量，以控 制电磁换向阀的通、断电；比例阀控制采用d a 转换技术提供无级给定值，取代了 传统比例放大器通过电位器提供给定值的方法，比例电磁铁线圈初始电流和最大电 7 流均由键盘设定，功率驱动电路采用较节能的p w m 方式，该方式在比例电磁铁线 圈中能获得平均值与占空比成比例的、带有交流分量的直流电流，且其交流分量的 小幅波动起到克服电磁铁迟滞和爬行的作用；伺服阔的控制采用了d a 转换器双极 性电压输出提供其控制信号，并通过电压一电流转换电路以驱动伺服阀线圈。软件 设计采用单片机c 语言，运用模块化设计思想，以实现控制器的主要功能。该控制 器在数字化、以软件代替硬件、d a 转换提供无级给定值和p w m 控制方面有所创 新。 经实验室调试表明，该控制器总体设计方案可行。该控制器不仅可实现开关量 的检测、判断，并根据执行元件的动作顺序输出控制电磁换向阀通、断的开关信号， 而且能实现比例阀和伺服阀的模拟量控制，具有一定的推广应用价值。 关键词：液压系统，数字控制器，p i d 控制，单片机，开关量，模拟量 2 j ：! 、业苎：! ：翌：竺兰兰 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i t ，e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o n t r o l t h e o r y , h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n o l o g yi m p r o v e do b v i o u s l gw h e r ec o m p u t e rc o n t r o la n d n u m e r i c a lc o n t r o li sp o p u l a ri n s t e a do fa n a l o g yc o n t r 0 1 t h ee l e c t r i c a l - h y d r a u l i cs y s t e m c o n t r o l l e db yt h ec o m p u t e ri s b e i n gad e v e l o p m e n tt r e n do fh y d r a u l i cc o n t r o ln e w t e c h n o l o g y , s i n c ei tc o m b i n e st h ea d v a n t a g eo fh y d r a u l i cl a r g ep o w e rt r a n s m i t t e da n d f l e x i b i l i t yi ne l e c t r o n i cc o n t r o la n dc o m p u t e rc o n t r 0 1 i na l l u s i o nt ot h ep r e s e n tp r a c t i c et h a tak i n dv a l v en e e dai n d i v i d u a lc o n t r o l l e ri n h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e rr a i s ead i g i t a lc o n t r o l l e rt h a ta d a p tt ov a r i o u sv a l v e t h ef u n c t i o no ft h ec o n t r o l l e rc a nb ea c h i e v e db ym e a n so fp r o m o t i n gt h ec o n t r o l s o f t w a r ea n do p t i m i z i n gp a r a m e t e r b a s e do nt h ea n a l y s i so fe l e c t r o n i c c o n t r o l l e ra b o u te l e c t r o m a g n e t i cd i r e c t i o n a l v a l v ea n dp r o p o r t i o n a lv a l v ea n ds e r v ov a l v e ，t h ef e a s i b i l i t yo nt h es c h e m eo fh y d r a u l i c d i g i t a lc o n t r o l l e ri sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r o nt h eh a r d w a r es i d e ，s w i t c hi n p u ti s i n s p e c t e da n ds w i t c hv a l u ei so u t p u tt or u mo n o f ft h ee l e c t r o m a g n e t i cd i r e c t i o n a lv a l v e p r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o li sr e a l i z e db yt h em e t h o do fc o n t i n u o u ss e tp o i n to f f e r e db y t h ed i g i t a l - t o a n a l o g yc o n v e r t e r ( d a c ) i n s t e a do ft h ed i s c r e t es e tp o i n to f f e r e db yt h e p o t e n t i o m e t e ro ft h ec o n v e n t i o n a lp r o p o r t i o n a la m p l i f i e r , t h em a x i m u ma n dm i n i m u m c u r r e n ti nt h ec o i lo fp r o p o r t i o n a ls o l e n o i di ss e tb yk e y b o a r d p o w e rd r i v e rc i r c u i to ft h e p r o p o r t i o n a lv a l v ea d o p t st h ee n e r g ys a v i n gm e t h o do fp w m b yu s i n go ft h i sm e t h o d t h ed i r e c tc u r r e n tw i t hp r o p o r t i o na v e r a g ev a l u et od u t yr a t i oa n da l t e m a t i n gc u r r e n t c o m p o n e n tc a l lb eo b t a i n e di nt h ec o i lo fp r o p o r t i o n a ls o l e n o i d ，t h ef l u c t u m i o nw i t h i na n a r r o wr a n g eo f a l t e r n a t i n gc u r r e n tc o m p o n e n ti sb e n e f i c i a lf o ro v e r c o m i n gt h eh y s t e r e s i s a n ds t i c k s l i po f p r o p o r t i o n a ls o l e n o i d s e r v ov a l v ec o n t r o li sr e a l i z e dt od r i v ei t sc o i lb y t h ev o l t a g ec o n t r o ls i g n a lo f f e r e db yd ab i p o l a ro u t p u t o nt h es o f t w a r es i d e ，t h e s o f t w a r ei sd e s i g n e di nc l a n g u a g eo fs i n g l e - c h i p - m i c r o c o m p u t e rt oa c h i e v et h ef u n c t i o n o f t h ec o n t r o l l e r i naw o r d ，t h ec o n t r o l l e ri nt h i sp a p e rh a si n n o v a t i o no nd i g i t i z e dc o n t r o l ， s o f t w a r es u b s t i t u t i o n ，t h ec o n t i n u o u ss e tp o i n to f f e r e db yt h em e a n so fd ac o n v e r s i o n a n dp w mc o n t r 0 1 t h ec i r c u i tc o n t r o l l e rc a nn o to n l yc h e c ka n dd e t e r m i n et h es w i t c hv a l u e ，a n do u t p u t ! ! ：j ：兰盔：2 ：i = 竺鲨兰 t h es w i t c hs i g n a lo f t h e e l e c t r o m a g n e t i cd i r e c t i o nv a l v ea c c o r d i n gt ot h em o t i o ns e q u e n c e o f t h eh y d r a u l i ca c t u a t o r , b u ta l s oc o n t r o lt h ed i g i t a lp r o p o r t i o n a lv a l v ea n ds e r v ov a l v e a f t e re x p e r i m e n ta n dd e b u g g i n gi nl a b o r a t o r y , i ts h o w st h a tt h ed e s i g no f c o n t r o l l e r i sa c c e p t a b l ea n d g o o d i tn o to n l yc a l li n s p e c ts w i t c hv a l u ea n do u t p u tt h es w i t c hs i g n a l o f t h ee l e c t r o m a g n e t i cd i r e c t i o nv a l v ea c c o r d i n gt ot h em o t i o ns e q u e n c eo f t h e a c t u a t o r , b u ia l s oc o n t r o lt h es e r v ov a l v ea n dt h ep r o p o r t i o n a lv a l v e i th a sa p r a c t i c a la p p l i c a b i l i t y k e y w o r d s ：h y d r a u l i cs y s t e m ，d i g i t a lc o n t r o l l e r 。s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ，p i dc o n t r o l ， s w i t c hv a l u e ，a n a l o gq u a n t i t y i i i 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查 阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作 者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 0 7 v ) 脉宽调制信号的控制下，功放管t i p l 3 2 t 作在饱和 和截止状态( 以 0 7 v ) 。开状态时，功放管导通，压降约为零；关状态时， 功放管截止，管的电流约为零，功放管始终工作在饱和区和截止区，功放管 t i p l 3 2 的丌关输出加在比例电磁铁线圈上，由于线圈上电感作用，当功放管 导通时，电磁铁线圈储存能量，+ 2 4 电源输出能量供给电磁铁，线圈电流上 升，当功放管截止时，电源与线圈断开，这时线圈电流减小，线圈释放能量， 自感电动势e ：一上孚维持电流，其方向不变，电流i 变为小幅度充放电的叠加 a t 交流信号的直流电流，输出电路的作用是将控制电压信号转换成比例阀线圈 的直流电流输出。当输入控制电压在0 5 v d c 之间变化时，比例电磁铁线圈 两端平均电压也线性地在0 2 4 v d c 之间变化，线圈内阻一定，则其通过平均 电流仅由占空比控制，而占空比由输入电压u 控制，即其平均电流由输入电 压u 控制。 比例电磁铁线圈两端电压和电流波形如图3 1 8 所示，此小幅度交流信号 起到颤振的作用，能够有效地减小电磁铁的迟滞和死区，提高电磁铁芯对电 一 翌j j ：些主：兰堡! 兰竺兰兰! 流响应的灵敏度。 续流二极管d l 和限流电阻r ，用于泄放电磁铁线圈产生的反电势，保护 功放管t i p l 3 2 。 图3 - 1 8比例阀线圈两端电压和电流波形图 电流负反馈单元 电流负反馈单元由图3 - 1 7 中的电阻r 4 、见和电容c j 构成电流负反馈通 路，民为取样电阻，c l 对脉冲电流的高频分量滤波，得到平均反馈电压，并 避免引起电磁铁铁芯的高频抖动。 3 5 3 伺服阀控制电路 根据实际液压系统的要求，需要加载到电液伺服阀上的电流信号范围为 士1 5 0 3 0 0 m a ，因此后向通道需要对信号进行一系列的处理，首先由d a 双极 性电路产生正负电压信号，然后通过v i 转换电路将电压信号转换为电流信号， 再经过后向放大电路将小电流信号放大为大电流信号以满足电液伺服阀的驱动 要求。 。对于伺服阀来说，驱动力马达型伺服阀需要1 5 0 - , 3 0 0 m a 的双极性输入电 流，驱动力矩马达型伺服阀需要1 0 3 0 m a 的双极性输入电流，因此电压输出 必须重新转换为电流输出信号，而且也需要功率放大口8 ，4 9 】。即伺服阀的线圈控制 信号要求是双极性的电流信号，因此d a 转换就需要双极性输出。图3 一1 9 是 d a c 0 8 3 2 与单片机接1 2 1 双极性电压输出电路。其输出电压为： v o u t 2 = - ( 2 + ) = 等 两北工廿人学t 学硕l 学位论文 图3 - 1 9 d a c 0 8 3 2 与单片机接口双极性电压输出电路 当= + 5 v 时，其输出信号变化如表3 - 1 所示： 表3 - 1 输出信号变化 数字量。圪w 2 0 0 ho v一5 v 8 0 h一2 5 vo v o f f h一4 9 8 v+ 4 9 6 v d a c 0 8 3 2 输出的一5 v 5 v 的电压输入信号。转变成士1 5 0 - - 3 0 0 m a 的电流 信号，其v i 转换电路【5 5 1 见图3 2 0 。 图3 - 2 0 电压一电流转换电路图 图3 - 2 0 中，r = r ：= r 3 = 咒= r = 1 k ，则 ! ! ! ! ! ! ! 翌苎：些全：兰至：竺鲨三 = 击+ 纛：一o 5 ”o s “n2 j 亏_ = 页= - 。“+ 赢甜，：2 0 5 “，+ o 5 甜，： 甜d l = ( 1 + 和。魄 由以上两式得： u o l = u p 2 + 1 1 i 贝i r o 上的电压： u m = 甜。l u 。2 = 甜， u r 7 。2 葛 当u 从一5 v 3 e g 到+ s v n 寸，若要获得1 5 0 ，剃的电流，r ；享苦“3 3 q ， 可将r 。做成可变电阻，对于不同驱动电流的伺服阀，只需调整r 。即可。 3 , 6 人机对话 这部分包括键盘、显示和参数存储三部分电路。如图3 2 1 所示。 在设计中，需要对液压控制系统的压力、流量，温度、执行元件的位移、 延时时间、比例阀初始电流、最大电流、斜坡上升时间、斜坡下降时间等参数预 置以及系统运行时显示对应参数的检测值。本系统设有4 位l e d 数码显示器， 采用串行口扩展的静态显示电路作为显示接口电路。 为使系统简单紧凑，键盘只设置5 个功能键，它们分别是参数序号增加键、 参数加l 键、参数减1 键、确定键和参数写入2 4 c 0 8 键，由p l 口的p i 3 p 1 7 作为键盘输入接口。参数预置值可在程序中预先设定，系统开机运行时可根据实 际情况通过键盘再调整参数预置值。由于最多可检测8 路模拟量，因此要能设置 8 个参数预置值，为避免键盘过多，采用先设置参数序号值，参数序号增加键每 按下一次，显示的序号值从肛7 变化，然后按加1 键、减1 键设置相应序号所对 应的参数预置值，若按下确定键，则显示参数设置值。设置完成以后，按下参数 写入a t 2 4 c 0 8 键，即可将设置参数值写入a t 2 4 c 0 8 ，当再次显示o 7 之间的某 一序号值，即可从a t 2 4 c 0 8 中读出所对应的参数预置值并显示。当参数序号从 8 1 5 变化时，该数值表示参数预置值对应检测值的序号，此时，按下确定键， 两北t 业人学t 学顾l 学位论文 显示器则显示相应序号的检测值。 3 7 参数存储 图3 - 2 1 键盘显示电路图 参数存储采用a t m e l 公司的a t 2 4 c 0 8 ，它是带1 2 c 接口的e 2 p r o m 芯片， 内含1 2 8 x 8 位低功耗c m o s 的e 2 p r o m ，具有工作电压宽( 2 5 v 5 5 v ) ，擦写 次数多( 大于1 0 0 0 0 次) ，写入速度快( 小于1 0 m s ) 等特点。图3 2 2 为a t 2 4 c 0 8 的封装图。图中a 0 、a 1 、a 2 是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。v e c 为电源，v s s 为接地端。s d a 为串行数据输入，输出，数据通过这条双向1 2 c 总线 两北t 业人学t 学硕l 学位论文 串行传送。s c l 为串行时钟输入线，w p 为写保护端。 0 a 1 2 v s s v c c 霄p s c l s d 图3 2 2a t 2 4 c 0 8 封装图 a t 2 4 c 0 8 中带有片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址 寄存器自动加1 ，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式 读写。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8 字节的数据。 图3 2 3 为a t 2 4 c 0 8 与a t 8 9 c 5 2 的接口示意图，利用a t 8 9 c 5 2 的p 1 0 和p 1 1 分别作为a t 2 4 c 0 8 的串行时钟输入和串行数据输入输出，w p 端在这里没有使 用，将其接地。因系统中只使用了一片e 2 p r o m 芯片，故a o 、a 1 、a 2 是三条 地址线接地。 只要p 1 0 和p 1 1i = l 串行时钟和数据符合1 2 c 总线的技术规范，即可实现对 a t 2 4 c 0 8 的读写。 3 8 电源设计 图3 - 2 3a t 2 4 c 0 8 与a t 8 9 c 5 2 的接口图 控制器所用电源有驱动比例阀的2 4 v 、各运算放大器需要的1 5 v 、各种逻 辑芯片需要的5 y 。 翟旷轷k 2 4 v 的直流电源采用交流2 2 0 v 电源，经降压、整流、滤波后转换成2 4 d c 电源，作为稳压电路的输入电源和比例电磁铁的线圈电源。由电工学原理可知， 单相桥式整流电路的输出负载电压与变压器二级电压的关系为“o 9 k ， 初级电压k = 2 2 0 v ，则降压变压器的电压比： 肛簧2 甚2 彘2 毙。等口 2 4 v 的直流电压经s r 2 4 d 1 5 1 0 0 a 转换为运算放大器需要的1 5 v 工作电 压，其电路如图3 2 4 所示，图中s r 2 4 d 1 5 1 0 0 a 为北京星原丰泰电子技术有限 公司生产的高频电源模块，它的输入电压范围是2 2 8 2 5 2 v ，标称输出电压为 1 5 v ，标称输出电流为l o o m a ，纹波噪声为5 0 m v p _ p ，典型效率为5 2 。c 1 、 c 5 为负载去耦电容，c 2 为输入端的滤波电容。2 7 v 瞬变电压抑制器起过保护的 作用。二极管d 2 可防止输入电源反接而烧坏电源模块。 i 图3 2 42 4 v 和1 5 v 电源图 各种逻辑芯片所需要的5 矿可由模拟+ 1 5 v 经稳压模块转换而来。常用的稳压 模块其输入输出电压差较大，如7 8 和7 9 系列电压差为2 v ，当其电源电压降至 7 v 以下时，其输出将低于5 v ，不能保证逻辑电路正常工作。因此，本此设计采 1 , 1 抛9 4 0 c $ 图3 2 55 v 电源图 西北工业大学工学硕士学位论文 用与l m 7 8 0 5 具有相同插脚而电压差却小得多得l m 2 9 4 0 c s 集成电路，得到输 出的5 v 电压【“1 。如图3 2 5 所示。 3 9 本章小结 本章主要内容为液压控制器的硬件设计，包括单片机的选型、时钟复位电路、 键盘显示扩展电路，开关量输入、输出电路、模拟量输入、输出电路等电路的设 计，在输出电路中，针对不同的控制对象分别讨论了普通电磁换向阀、比例阀和 伺服阀的输出驱动电路。 量苎三些盔：三兰璺圭兰竺兰兰 第四章系统的软件设计 本文液压控制器的软件采用单片机c 语言编制，它是一种结构化程序设计语 言，支持自顶向下的结构化程序设计技术，在软件开发中可以采用模块化程序设 计方法。目前，使用c 语言进行程序设计已成为软件开发的主流。用c 语言开发 系统可以大大缩短开发周期，便于增强程序的可读性，便于改进和扩充。使用c 语言进行8 0 5 1 系列单片机系统开发，编程者可以专注于应用软件部分的设计，不 必将大量的精力花在内存分配等底层工作上，从而大大加快了软件开发的速度。 4 1u v i s i o n 2 集成开发环境介绍 使用c 语言要使用到c 编译器，以便把写好的c 程序编译为机器码，这样 单片机才能执行编写好的程序。k c i lu v i s i o n 2 是众多单片机应用开发软件中优 秀的软件之一，是一个基于w i n d o w s 的开发平台，它支持不同公司的m c s 5 1 架 构的芯片，它集编辑，编译，仿真等于一体，同时还支持p l m ，汇编和c 语言 的程序设计，它的界面和常用的微软v c + + 的界面相似，界面友好，易学易用， 在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。因此很多开发5 1 应用的工程师 或普通的单片机爱好者，对它都十分喜欢。 应用u v i s i o n 2 完成单片机c 语言的编程、直至产生可以固化到单片机中的 h e x ，需要按下列步骤进行操作： 1 ) 创建一个u v i s i o n 2 工程，含新建一个工程文件、从器件库中选择一个器 件和新建源文件并把它加入到工程中； 2 ) 针对目标硬件设置工具选项； 3 ) 编辑、编译工程，并生成可以编程r o m 的h e x 文件； 4 ) 对程序进行调试、模拟仿真 4 2 软件模块设计 3 9 , 5 7 - 5 9 】 本次设计软件部分由主控模块、数据采集模块、滤波及标度转换模块、p i d 控制算法模块、模拟量输出模块、开关量输入输出模块、斜坡模块、键盘显示模 5 7 雪j ! 三些盔兰三兰翌圭兰兰吝 。 块等组成。 4 2 1 主控模块 主控模块程序主要包括变量定义、中断允许、8 2 5 5 的初始化以及调用各予模 块的循环控制结构组成。 8 2 5 5 的初始化：共有两片8 2 5 5 ，一片用于开关量的输入，其片选信号由p 2 口的p 2 3 提供，其a 口、1 3 口、c 口均定义为开关量输入口，因此，输入用8 2 5 5 芯 片的方式选择控制字为0 x 9 b h ，输入用8 2 5 5 芯片的p a i z i 、p b i z i 、p c 口的端口和 控制口( 控制寄存器) 地址分别是e f f c h 、e f f d h 、e f f e h 和e f f f h ；另一片 用于开关量的输出，其片选信号由p 2 口的p 2 4 提供，输出用8 2 5 5 芯片的方式选择 控制字为0 x 8 0 h ，输出用8 2 5 5 芯片的p a n 、p b 口和p c 口的端口和控制口( 控制 寄存器) 地址分别是f 7 f c h 、f 7 f d h 、f 7 f e h 和f 7 f f h 。其控制字设置初始化程 序如下： x b y t e 0 x e f f f = 0 x 9 b ； x b y t e 0 x f 7 f f = o x 8 0 ： 主控模块程序流程框图如图4 1 所示。 4 2 2 开关量输入输出模块 开关量输入输出模块是将行程开关等开关量信号检测到单片机，单片机根据 此信号进行判断、处理，然后输出相应的控制模型，使相应的电磁铁通电，实现 执行元件相应的顺序动作。 开关量输入输出模块程序流程框图如图4 2 所示。在此模块中，首先定义三 个输入变量i o 、i l 、1 2 ，三个输出变量q o 、q 1 、q 2 ，其类型为b d a t a 类型，对应 单片机数据存储器的位寻址区，分别用于存储来自输入和输出8 2 5 5 芯片的p a 、 p b 、p c 三个口的数据信息，然后判断1 0 、1 1 、1 2 是否为0 x f f ，若为0 x f f ，表示 没有开关量输入信号输入，若非o x f f ，表示有开关量输入，为防止开关合、断的 暂态抖动过程，采用软件延时l o m s 来防止暂态抖动。为确定非0 x f f 的变量中哪 一位是低电平，用s b i t 定义1 0 、i l 、1 2 中的某一位变量，以便位寻址。根据实际液 压系统编制开关量输出模型，其模型编制按照电磁铁通断电情况编写，8 位一个 5 8 字节，通电用1 表示，断电用0 表示。当满足实际液压系统某个动作的开关量输入 状态信息时，输出对应的开关量输出模型，实现电磁阀的通断电，从而实现执行 元件的顺序动作。除了用开关信号作为开关量输出模型的条件以外，某些系统还 将压力传感器的检测值作为开关量输出模型的条件，当压力达到某个值时输出相 应的控制模型。 变量定义、8 2 5 5 初始化和 输出口清0 、中断允许等 上 调用键盘显示模块 1 l 调用数据采集及滤波模块 上 调用开关量输入输出模块 j r 调用p i d 算法模块 上 调用斜坡模块 上 调用模拟量输出模块 图4 - 1主程序结构框图 西北工业大学工学硕士学位论文 图4 2 开关量输入输出模块框图 两北t 业大学t 学衙f 学位论丈 4 2 3 数据采集及滤波模块 数据采集模块的功能是将从传感器采集的模拟量，通过a d 0 8 0 9 芯片转换成 相应的数字量，以便于计算机处理。为了避免由于各种噪声、干扰和压力波动等 原因造成采集数据不准确，减少虚假信息的影响，可采用软件方法实现数字滤波。 常用的数字滤波方法算术平均值滤波法、中值滤波法、防脉冲干扰平均值滤波法 和程序判断滤波法。在这里选用中值滤波法，以消除液压冲击引起的虚假信息影 响，其程序框图如图4 3 所示。 图4 3 数据采集及滤波模块框图 6 l 西北t 业人学t 学硕f 学位论文 4 2 4p i d 控制算法模块 p i d 控制是现在应用最广的控制规律，由于其控制结构简单、技术最成熟、 鲁棒性好和可靠性高、参数容易调整、易于实现等特点，至今在液压控制系统中 仍有着广泛的应用。尤其适合可建立精确数学模型的确定性控制系统。对于难以 建立被控对象的数学模型也可以调节，因此无论模拟调节器还是数字调节器大都 可采用p i d 控制。 在模拟控制系统中，常规p i d 控制系统原理如图4 4 所示，系统由模拟p i d 控 制器和被控对象组成。 图4 _ 4 模拟p i d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，是将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 的线性组合形成控制量，对被控对象进行控制，其控制规律如下： 砸m 一+ 扣触+ 半 ， 拉氏变换后写成传递函数形式为： 脚) = 器刮1 + 去毋m + 巧三协 z ， 式中，k ，一比例系数。 k j = k ，乃一积分系数； k 。= k ，乇一微分系数。 常规p i d 控制器的各环节的作用是：比例环节及时成比例地反映控制系统的 偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，比例系数k ，越大，则系 西北t 人学t 学顶f 学位论文 统的过渡过程越快。控制结果的稳态误差也越小，也越容易产生振荡。积分环节 的作用可以消除系统的静态误差，积分系数k ，对积分部分的作用影响极大，当 k ，越小时，则积分作用越弱，消除偏差所需的时间越长，但可以减小超调量， 提高稳定性；反之则越强，消除偏差所需的时间越短，但系统超调增大，容易产 生振荡。微分环节k 。的作用反映偏差信号的变化速度趋势( 偏差的变化率) ， 能够预测偏差，在偏差信号变化太大之前产生超前的校正作用，因此微分有助于 减小超调量，提高系统的响应速度，减小调节时间，从而较好地改善系统的动态 性能【6 晰2 1 。 在数字控制系统中，可以利用软件和数字硬件来实现p i d 控制器，实现对被 控对象的控制和调节。但在机电一体化产品应用中，一般用软件方式来实现，即 使用计算机控制，由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差 值计算控制量，因此控制器传递函数d 0 ) 不能直接使用，需要把连续控制器 d ( j ) 离散化处理，得到数字控制器d ( z ) ，然后再把d ( z ) 变换为差分方程， 计算机根据差分方程来编写程序，实现对被控对象的控制和调节1 6 3 1 。 数字p i d 控制算法通常有位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法。位置式 p i d 算法由于是全量输出，所以每次输出都和过去的状态有关，计算时要对偏差 进行累加，计算机运算工作量大，且当计算机或传感器出现故障时，其输出可能 会出现大幅度变化，从而引起执行机构位置的大幅度变化，这在实际生产中是不 允许的，在某些重要场合还可能造成重大事故，因此多数情况下使用增量式p i d 控制，其控制算法如下： 用向后差分法进行离散化，以一系列的采样时刻点灯代表连续时间t ，以 和式代替积分，以增量代替微分，则( 4 1 ) 式可作如下变换： t k t( 七= o 1 2 ) e ( t ) d t * t e ( j t ) = r p ( ，) d e ( t ) e ( k t ) 一d ( 七一1 ) t 】 一；g 一= d ta t p ( j ) 一e ( k 一1 ) 当采样周期丁足够短时，将以上三式代入 成p ( 后) ，可得到离散化的p i d 表达式： 6 3 r ( 4 1 ) 式，并将e ( k t ) 简化表示 ! _ ! ! 翌j ：些盔兰：兰21 ：竺鲨兰 ti 下 甜( 尼) = 巧 p ( 后) + 吾e ( ) + 等 p ( 后) 一p ( 七一1 ) 】) ( 4 - 3 ) ，j = o 或u ( k ) = k ，e ( k ) + k ，e ( j ) + k 。 e ( k ) - e ( k - 1 ) ) ( 4 _ 4 ) 式中，a t = r 采样周期，必须使r 足够小，才能保证系统有一定的精度； p ( 尼) 一第k 次采样时刻输入的偏差值； e ( k 一1 1 一第k 1 次采样时刻输入的偏差值； k ，一积分系数，墨= k ，t i t , ； 瓦一微分系数，如= 群艺丁； k 一采样序号，k = o ，1 ，2 ； “( j i ) 一第k 次采样时刻的计算机输出值。 根据递推原理，可写出u ( k 1 1 次的p i d 输出表达式： u ( k 1 ) = k ，e ( k 一1 ) + k ，e ( j ) + k d 【p ( i 一1 ) - e ( k 一2 ) 】) ( 4 5 ) ( 4 4 ) 减去( 4 5 ) 式得： “( 后) = k p e ( 尼) 一e ( k 一1 ) 卜墨e ( k ) + k d p ( 后) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k 一2 ) 】 或 a u ( k ) = a e ( k ) 一b e ( k 一1 ) 4 - c e ( k 一2 ) ( 4 6 ) 热一瑙( 1 - ；+ 争即即塥r ； b = k p ( 1 + 2 等) = k p + 2 k d t ； c = k ，乙t = k 。t 。 由式( 4 6 ) 可以看出，当计算机控制系统采用恒定的采样周期t ，一旦确 定了k p 、k i 、k o 等参数后，只要使用前后3 次测量值的偏差p ( 后) 、e ( k 一1 ) 、 e ( k 一2 ) ，即可由( 4 6 ) 式计算出控制增量甜( 后) ，然后通过软件来计算控制 f u ( k ) = u ( k 一1 ) + a u ( k ) 6 0 ，6 4 】。 两北t 业人学t 学母f 学位论文 从( 4 6 ) 式可以看出，设计数字p i d 控制器，参数整定的好坏直接影响系统 的调节品质，因此其首要任务是确定合理的k ，、k ，、k 。以及采样周期丁。在 数字p i d 控制中，采样周期r 通常都要比控制对象的运行时间常数小许多，所以 数字p i d 控制参数的整定，完全可沿用模拟系统p i d 参数整定方法进行分析和综 合。 根据香龙( s h a n n o n ) 采样定理，系统的采样频率( 1 t ) 的上限z 2 l ( 0 为输入信号的上限频率) 时，系统可真实地恢复到原来的连续信号。理论 上采样频率越高( t 越小) 越好，但实际上受到计算速度、元器件频率特性和控 制器调理机制的限制；当采样频率太高，偏差信号也会过小，此时计算机将会失 去调节作用，当采样频率太长又会引起误差，因此采样周期丁必须综合考虑。影 响采样周期r 的因素有：被控对象的扰动频率、控制质量、控制对象的动态特性 等因素。采样周期的选择方法有两种，一种是经验法，一种是计算法。计算法由 于系统较复杂，被控对象的时间常数难以确定，所以工程上用得较少。工程上大 多应用经验法，该法实际是试凑时间常数，在调试过程中，根据人们的实际经验 以及被控对象特点、参数，先粗选一个采样周期，送入计算机控制系统进行实验， 再根据实际控制效果，反复修改r ，直到满意为止。表4 1 仅列出几种经验采样 周期t 的上限，随着计算机技术的进步及其成本的下降，一般可以选取较短的采样 周期，使数字控制系统近似连续控制系统。 表4 1 采样周期的经验数据 被测参数采样周期t ( s )备注 流量l 5优先选用1 2 ( s ) 压力3 1 0优先选用6 8 ( s ) 液位6 8 温度 1 5 2 0 纯滞后时间或串级系统： 副环t = ! 三t 主环 成分1 5 2 0 45 p i d 控制参数的整定方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法 和工程整定法。如果控制对象的数学模型已知，则用理论计算法，但系统在建模 和整定参数过程中，为简化理论推导，得到的数学模型大多是近似的模型，整定 两；j t t 业大学t 学硕i 学位论文 的参数还需在实际现场中反复修正，但可减少整定工作中的盲目性，较快地整定 到最优状态。 工程整定方法有经验法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法等。这类 方法不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定，即 必须借助于实验的方法设计p i d 控制器，其方法简单，计算简便，易于掌握 6 3 1 。 如果可以理论推导出系统的数学模型，则可以根据系统的数学模型利用齐格 勒一尼柯尔斯法则，先进行控制对象的动态仿真，得到p i d 控制参数k ，、k ，、 k 。以及采样周期丁的合理估值，并且为工程整定法提供了精细调节的起点。 齐格勒一尼柯尔斯法则有两种方法，即扩充s 响应曲线法和扩充临界比例度 法。扩充s 响应曲线法通过实验求出控制对象对单位阶跃输入信号的响应曲线， 也可以通过控制对象的动态仿真得到其响应曲线，这种方法要求响应曲线必须呈 s 形，否则不能应用此法。扩充临界比例度法先设k ，= 0 、k 。= ，只采用比 例控制作用，使k ，从o 增加到临界值髟。，这里的k 。是使系统的输出首次出 现持续振荡的增益值，此值在已知数学模型的基础上还可利用根轨迹法求临界增 益k 。和持续振荡频率，其中2 , ( o c t = 乙，这些值可以从根轨迹分支与轴 的交点求得。齐格勒一尼柯尔斯给出了k ，、k ，、k 。与临界增益和持续振 荡频率n 0 之问的关系，即按j 0 = 0 6 k ，乃= 0 5 a ) c r ，乃= 0 1 2 5 w c r 来确定卅。 在整定出四个参数k e 、k ，、k 。以及采样周期r 以后，通过键盘设置设置 这四个参数并显示，然后调用p i d 控制算法模块，可计算出( 4 6 ) 式中的a 、b 、 c 值，按( 4 6 ) 式编写控制算法程序，其程序框图如图4 5 所示。 4 2 5d a 转换模块 设定值与反馈值相减后，经p i d 控制算法模块后，得到偏差值，j j n 上设定值， 经d a 0 8 3 2 数模转换输出。其转换较简单，在单片机c 语言里只需定义个外 部存储器指针变量，将输出数据( 1 0 u t 全局变量) 写入d a 0 8 3 2 变量中，即可启 动转换。程序如下： # i n c l u d e 拌i n c l u d e # d e f i n ed a 0 8 3 2x b y t e 0 x f d f f h 】 v o i dd a z h ( v o i d ) d a 0 8 3 2 = i o u t ；) 根据p i d 整定参数( 键盘 输入) 计算a 、b 、c 1 l e ( k - 1 ) ，e ( k - 2 ) 清0 l + 本次采样输入c ( k ) 1 l 计算偏筹值e ( k 户r ( k ) c ( k ) 上 调用模拟昔输出模块 1 l 调_ i j 采样及滤波模块 1 l e ( k - 1 1 一e ( k - 2 ) e ( k ) 一e ( k - i ) 图4 - 5p i d 程序程序框图 两北t 业人学_ 学硕i 学位论文 图4 6 键盘显示模块程序框图 西北丁业人学t 学彤! j 学位论文 4 2 6 键盘显示模块 显示及键盘子模块，其功能是将显示缓冲区中的数据或代码送到显示器显 示。它既无入口参数，也无返回值，可以在程序的任何位置被调用。键盘模块的 功能是：若有键按下，则向c p u 请中断，c p u 进行键号识别，并转入相应键的 处理程序，从而实现各种功能的操作。其程序框图如图4 6 所示。 4 2 7 斜坡模块 斜坡模块用于控制信号的上升与下降的速度，使系统获得平稳的起动和制动 性能。当系统输入一个阶跃信号( 键盘设定值一比例阀的驱动电流值) 时，经过 图4 7 斜坡模块流程框图 两北t 业人学t 学硕 学位论文 处理产生一个缓慢上升或下降的输出信号，使控制器输出的电信号能够以可调的 速率达到给定值，实现被控系统工作压力或运动速度等的无冲击过渡。 设计思想是：个随时间连续变化的信号波形可以分解成许多离散的光点， 这些点随时间的变化而改变其幅值。为了将跳跃变化的电流给定信号变为一个随 时间连续变化的波形信号，用程序控制其输出，使输出随时间增长按给定的规律 变化，实现阶跃信号向斜坡函数信号的变换。如果每次所取的时间增长越小，即 波形的光点越密，所得的波形曲线越光滑。 斜坡时间、零位初始电流根据不同的比例阀需要在现场调整，调整好后由键 盘输入。当从键盘设定比例阀驱动电流参数。和上升时间，后，计算出其上升