比例阀双闭环设计.docx
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比例阀双闭环设计
沈阳化工大学
本科毕业论文
题目：
比例阀流量闭环控制系统硬件设计
院系：
信息工程学院
专业：
电气工程及其自动化
班级：
0803
学生姓名：
胡志鹏
指导教师：
蔡胜年
论文提交日期：
年月日
论文答辩日期：
年月日
毕业设计（论文）任务书
电气工程及其自动化专业电气0803班学生：
胡志鹏
毕业设计（论文）题目：
比例阀流量闭环控制系统硬件设计
毕业设计（论文）内容：
1）完成比例阀流量控制系统硬件设计及驱动电路设计；2）设计电路原理图，试制硬件电路；3）通过比例阀流量控制系统的性能测试实验结果，验证系统硬件的实用性。
毕业设计（论文）专题部分：
基于单片机流量控制系统硬件设计。
起止时间：
2012年03月---2012年06月
指导教师：
签字年月日
教研主任：
签字年月日
学院院长：
签字年月日
摘要
本文以国外比例阀电源控制器的功能和技术参数为参考，致力于将外部标准输入信号转换成PWM电压信号,通过控制驱动PWM电压的占空比，实现控制主电路的大信号;通过双闭环设计，使比例电磁阀的电流、流量更稳定，保持比例阀的开度不变，达到提高流量的控制精度的目的；同时，通过增加频率可调环节，选择适用于比例阀的最优脉动性。
由于控制途径是采用电流闭环控制,保证了电流的稳定性。
经过仿真与实验分析，完成了单片机控制器的设计。
在硬件电路设计方面，根据本设计控制对象的特点，本文采用了AT89S52为核心控制器件在使用特殊功能寄存器功能下的PWM驱动电路方案，将理论计算和面包板调试相结合的方法,实现了主电路和驱动控制电路的参数研究，完成了控制主电路,PID调节电路和电流反馈控制电路的设计工作。
其中工作主电路部分主要使用单片机直接输出PWM控制信号。
本文设计最后进行了实际测试，实验结果表明本文所设计的电路基本都能满足控制要求，对电磁阀平稳、宽范围内的流量控制有着明显的作用。
关键词：
电磁阀；单片机；PWM；PID
Abstract
Inthispaper,theproportionofforeignpowercontrollervalvefunctionasareference,iscommittedtoanexternalstandardvoltageinputsignalintoaPWMsignal,PWMvoltagebycontrollingthedutycycleofdrivetoachievecontrolofthemaincircuitofthelarge-signal;throughclosed-loopdesign,thecompensationcoil Thetemperaturerise,thesolenoidvalvewithastablecurrenttomaintainthesameratioofvalveopening,toimprovetheaccuracyofflowcontrolpurposes;thesametime,byincreasingthefrequencyadjustablelinks,choosethebestforthepulseofproportionalvalve . Asthecurrentcontrolapproachistheuseofclosed-loopcontroltoensurethatthecurrentstability. Throughsimulationandexperimentalanalysis,completedthemicro-controllerdesign.
Incircuitdesign,accordingtothecharacteristicsofthedesigncontrolobject,weuseasthecorecontroldeviceAT89S52SFRfunctionsusingthePWMdrivecircuitundertheprogram,thetheoreticalcalculationsandbreadboarddebuggingmethodofcombiningtoachievethemaincircuit anddrivecontrolcircuitparametricstudies,completedthemaincontrolcircuit,PIDregulatorcircuitandcurrentfeedbackcontrolcircuitdesign. ThemajorpartofthemaincircuitwhichworkdirectlywiththemicrocontrolleroutputPWMcontrolsignal.
Finally,thisdesignwastheactualtest,experimentresultsshowthatthedesignofthecontrolcircuittomeetthebasicrequirementsofthesolenoidvalvessmooth,widerangeofflowcontrolhasasignificantrole.
Keywords:
Solenoidvalve；SCM；PWM；PID
目录
一、绪论
1.1电液比例阀概述
1.2研究内容与预期结果
1.3研究意义
二、总体设计方案
2.1控制系统的组成及工作原理
2.2比例阀双闭环控制原理
2.3PWM控制技术
2.31脉宽调制技术的原理
2.32脉宽调制技术的优点
2.4PID控制技术介绍
三、系统硬件设计
3.1硬件系统整体设计
3.2单片机系统各部分介绍及功能
3.21晶振电路
3.22复位电路作用与原理
3,23键盘与显示电路
3.3报警电路
3.4驱动电路
3.5双闭环控制电路
四、系统软件设计
五、实验结果分析
六、结束语
一、绪论
1.1电液比例阀概述
如今，作为连接现代微电子技术、计算机控制技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，电液比例控制技术已经在工业领域获得广泛的应用，正如一些权威人士所指出的那样，代表流体控制技术的发展方向。
电液比例阀，如同电子技术的晶体二极管、三极管，是带粘液比例控制技术的核心和主要功率放大原件。
它以传统的工业用液压控制阀为基础，采用电-机械转换装置，讲电信号转换为位移信号，按输入电信号指令连续、成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。
虽然比例阀与伺服阀控制系统中的伺服阀相比，性能在某些方面还有一定的差距。
但是，其显著的优点是抗污染能力强，减少了由于污染而造成的工作故障，提高了液压系统的工作稳定性和可靠性，因此更适合于工业过程；另一方面，比例阀的成本比伺服阀低，而且不包含敏感和精密的部分，更容易操作和保养，已在许多场合获得广泛应用。
电液比例控制技术从形成至今，大致上可划分为四个阶段：
从1967年瑞士Beringer公司生产KL比例复合阀，到70年代初日本油研公司申请压力和流量两项比例阀专利，标志着比例技术的诞生时期。
此间，比例技术开始在液压控制领域中作为独立的分支，并以丌环控制应用为主。
这一阶段的比例阀仅仅是将是将新型电一机械转换器（比例电磁铁）用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄，阀的结构原理和设计方法几乎没有变化，阀内不含受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在l～5Hz之间，滞环在4％～7％之间。
从1975年到1980年，比例技术的发展进入第二阶段。
这是比例技术发展最快的时期。
此间，采用各种内部反馈原理的比例元件相继问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上已经成熟。
比例元件的工作频宽已达5～15H，滞环减小到3％左右，其应用领域不断扩大。
20世纪70年代后期，比例变量泵和比例执行器相继出现，为大功率系统的节能奠定了技术基础。
应用领域扩大到闭环控制。
到了20世纪80年代比例技术的发展进入第三阶段。
这一阶段，比例元件的设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。
除了制造成本的原因，比例阀在中位仍保留死区外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀相当。
这一阶段的另一项重大进展是比例技术开始和插装阀相结合，开发出各种不同功能和规格的二通、三通型比例插装阀，形成了电液比例插装技术。
此外，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了带集成放大器的电液一体化比例元件。
从1990年至今，是比例技术进一步完善的阶段。
这一阶段，计算机技术开始与比例元件结合，开发出了数字式比例元件和数字式比例系统，并形成了不同总线标准的数字比例元件接口。
1.2研究内容与预期结果
课题的研究内容：
1.利用PWM技术实现流量、电流双闭环控制的比例阀流量控制系统；
2.采用51系列单片机及相关驱动电路完成比例阀流量控制系统设计；
3.为试制比例阀流量评价系统做必要的前期研制工作。
预期结果；
1.实现用PWM技术对双闭环比例阀的流量控制；
2.完成比例阀流量控制系统的硬件设计及驱动电路设计（包括单片机、显示、键盘、A/D·D/A转换、接口电路、驱动电路等）；
3.利用专用电路设计软件，设计电路原理图，选择电路器件，离线调试电路功能，试制硬件电路；
4.与软件系统联机调试，通过比例阀流量控制系统的性能测试实验结果，验证系统硬件的实用性
1.3研究意义
目前，电液比例系统普遍采用模拟控制，由运算放大器和功率电子元件为主组成控制放大电路控制比例电磁铁线圈电流的大小和均加减速时间，以控制其力的大小或位移，从而控制了与比例电磁铁相连接的比例阀的开口大小，达到控制液压回路油的压力或流量的目的。
由于模拟器件的分散性和组成电路的特点，用这种控制方法制造的控制系统的控制功能很简单，也难以适应各种需要场合，并且存在明显的温度漂移和零点漂移。
控制系统的参数设定需要电位器调节。
而调节的结果即设定值不易被复制或记录。
此外，电位器的可靠性也是一个问题，频繁的调节可能对电位器产生磨损，出现故障非专业人员难以排查。
因此难以满足飞速发展的机电液一体化技术的要求。
数字化的比例阀控制方法可以避免上述弊端，参数重复设定，可记忆存储。
参数设定可用软件通过软件完成，避免了活动元器件的机械磨损。
所有调节都能自动记录。
同模拟控制相比，它集系统控制功能于一体，使得阀控系统具有更高的经济性、可靠性和灵活性和使用维护的方便性，使得它具有较广阔的应用前景。
就我国的液压技术发展现状而言，对性能良好，价格适宜的电液比例阀具有相当的市场需求。
因此根据电液比例系统的特点和控制要求，开发出比例阀的数字化控制方法，并转化成产品，用以取代常规模拟控制及其他附加元件，不仅能在结构上简化系统，提高系统的可靠性，而且可以提高系统的经济性和应用的灵活性，将为比例阀推广使用奠定良好的基础，具有很强的现实意义
二、总体设计方案
2.1控制系统的组成及工作原理
系统以单片机为核心，辅助以输入、报警、驱动等功能电路，通过单片机调制产生的PWM脉冲来控制驱动电路使比例阀正常工作。
接通电源时，系统先初始化，之后经过键盘将流量的设定值输入到单片机中，正常工作后流量传感器将实际的流量值经转换后反馈给单片机，单片机通过调节器运算产生相应的PWM脉冲，输出电流也会相应的改变，从而达到调节控制流量的目的。
2.2比例阀双闭环控制原理
在比例电磁阀控制系统中，比例阀为主要研究对象。
当电磁阀通电后，由于电磁阀的感抗作用，电磁阀内阻升高，流经电磁阀的电流发生改变，是输出偏离设定值，因此加入电流环，这样可以保证驱动电流的稳定。
系统的外环是流量环，它将流量传感器采集的实时流量数据经A/D转换后送入单片机，单片机将设定值与传感器的反馈值送入流量调节器，经过运算后输出PWM脉冲，通过驱动电路控制比例阀的开度，从而达到精确控制。
2.3PWM控制技术
2.31脉宽调制的原理
PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。
而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。
这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。
由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。
利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。
加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。
脉宽调制的原理，把一个正弦半波分为若干等份，然后把每一等份的正弦曲线和横轴ωt所包围的面积计算出来，在这个正弦曲线图的下方，绘制一个相同的坐标，并在这个新坐标的图中，用一个与所计算的面积相等的等高矩形脉冲替代那些计算过面积的每一等份，这个矩形脉冲的中点应该与正弦波上所对应的这一等份的中点重合。
由若干个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦的半周等效,如图2.3所示。
图2.3用PWM波代替正弦波
2.32脉宽调制的优点
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的无需进行数模转换。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。
从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。
在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
2.4PID控制技术介绍
PID调节器中有比例微分（PD）、比例积分（PI）和比例积分微分（PID）三种类型。
由PD调节器构成超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统的稳定性；用PID调节器实现的滞后-超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。
一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI调节器；在随动系统中，快速性是主要要求，须用PD或PID调节器。
在双闭环流量控制系统中，电流调节器的作用是补偿线圈温度上升。
当流经电磁阀的电流发生变化时，须依靠积分作用来抑制电流的变化，使电磁阀的驱动电流快速跟随给定，以保证流量的稳定输出。
三、系统硬件设计
3.1硬件系统整体设计
系统的总体设计思想是流量传感器采集实际流量信息，将流量转换为电压信号，A/D转换器将连续的电压信号处理为0~5V的离散信号送入单片机，单片机将设定值与实际值比较处理后，经调节器运算产生相应的PWM信号，以此控制比例阀开度及流量，实现流量的精确控制。
图3.1系统连接图
3.2单片机系统各部分介绍及功能
3.21晶振电路
晶振，全称晶体振荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大,它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快
晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
图3.2晶振电路
3.22复位电路作用与原理
当单片机系统在运行中受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮，内部的程序便会自动从头开始执行。
在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。
当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。
随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。
根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。
单片机系统自动复位。
图3.3复位电路
3.23键盘与显示电路
图3.4键盘与显示电路
3.3报警电路
比例阀控制系统在工作过程中发生故障时，报警系统工作报警，如图3.所示，报警装置选用5V直流型蜂鸣器。
当检测到的流量值远大于设定值时，单片机管脚送出高电平，三极管导通，蜂鸣器发出报警声。
当故障解除后，按下单片机复位按钮，解除警报，实现保护。
图3.5报警系统接线图
3.4驱动电路
场效应管的优点：
开关速度快，
高输入阻抗和低电平驱动，
安全工作区宽；
热稳定性高；
易于并联使用；
跨导高度线性；
管内存在漏源二极管；
MOS管的这些特点很符合本设计的要求，因此采用MOS管作为控制开关与电磁阀相连接。
为避免产生振荡，在光耦12V电源处加12uf的电容滤波，而为了使MOS管能正常工作，在其栅极与源极之间并联10千欧的电阻以使MOS管获得10V的电压。
在驱动部分为了防止控制电路部分发生过电压或者过电流故障时产生的冲击电压或电流对控制部分产生损害，在单片机控制电路与电磁阀工作电路之间采用光耦隔离器TLP250相隔离。
系统工作时，通过键盘输入设定值，单片机运算后产生相应的PWM脉冲，脉冲信号经驱动电路来控制比例阀的开度以达到对比例阀流量的控制。
图3.6驱动电路接线图
3.5采样放大电路
采样放大电路是电流环设计中的一个环节。
本设计中利用同相比例运算电路将采样电阻上的电压放大到0～5V后送入到AD转换模拟量输入端。
比例阀工作时的额定电流为1A，采样电阻选用1欧的精密电阻，因此，工作状态下采样电阻上的电压为0～1V，放大5倍后可满足要求。
如图，在同相比例运算电路中，
图3.7采样放大电路
3.6A/D转换电路
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。
图3.8ADC0809芯片引脚图
IN0～IN7为8路模拟量输入端；
D0～D7为数字量输出端；
ADDA、ADDB、ADDC为3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路；
ALE是地址锁存允许信号输入，高电平有效；
START为A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）；
EOC为A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）；
OE为数据输出允许信号输入，高电平有效。
当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量；
CLK为时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ；
REF（+）、REF（-）是基准电压。
被选模拟量路数与地址的关系如下表所示。
在本设计中，只有两路模拟量输入，因此在设计时将ADDB、ADDC接地，而把ADDA接到单片机引脚上，通过单片机的输出来控制两路通道的选择。
时钟信号的输入则是将单片机的时钟信号通过用74HC74芯片搭建的二分频电路后接入ADC0809的CLK端。
选择的通道
C
B
A
IN0
0
0
0
IN1
0
0
1
IN2
0
1
0
IN3
0
1
1
IN4
1
0
0
IN5
1
0
1
IN6
1
1
0
IN7
1
1
1
表3.1被选模拟量路数与地址的关系
四、系统软件设计
4.1软件设计的整体思路
本设计整体采用CPU空闲等待的方法进行系统编程，当所有初始化结束后，进入空闲等待，即等待有键按下或者进入中断响应。
如果没有键按下，即正常输出初始化时PWM状态，如有键按下，即进入设定状态，设定状态时，不输出PWM，即关闭所有中断和管脚等信号，设定结束后，开中断等，然后输出设定的PWM并显示当前流量。
在采集反馈电流时，使用AD转换，单片机得到的即是数字量，然后通过程序算法即PID算法构成闭环电流。
因为程序中多次使用中断，例如定期器0中断还有AD中断等，在程序中必须先执行定时器0中断，所以本程序中断采用优先级判断方法，在多个中断同时到来时，则先执行优先级高的，执行完后，返回上一状态，再执行次级中断程序。
在进行PID运算的设计思想是分时运算，先给流量付一个初始值，然后进行流量环进行第一次PID运算确定输出电流，再通过电流环反馈回来与电流设定值做第二次PI运算给定输出。
4.2数字滤波
4.2.1数字滤波设计原理
数字滤波有很多方法，我们见选用其中几种来进行设计，如中值滤波、算术平均滤波、加权平均滤波等。
4.2.2中值滤波
中位值滤波是先对某一参数连续采样N次（一般N取奇数），然后把N次采样值按从小到大排列，取中间值为本次采样值。
该滤波方法实际上是一种排序方法，我在此采用的是冒泡法排序。
由于在冒泡法排序中，每出现一次前者数据大于后者数据，就要进行二者数据的交换。
中位值滤波能有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不稳定引起的误码等脉冲干扰。
对温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此算法能收到良好的滤波效果，但对于流量、压力等快速变化的数据，不宜采用中位值滤波。
4.2.3算术平均滤波
算术平均滤波法适用于对一般的具有随机干扰的信号进行滤波。
这种信号的特点是信号本身在某一数值范围附近上下波动，如测量流量、液位时经常遇到这种情况。
算术平均滤波法是要按输入的N个采样数据，寻找这样一个Y，使得Y与各个采样值之间的偏差的平方和最小。
算术平均滤波适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。
这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近做上下波动，在这种情况下仅取一个采样值做依据显然是不准确的。
算术平均滤波对信号的平滑程序完全取决于N，当N较大时，平滑度高，但灵敏度低；当N较小时，平滑度低，但灵敏度高，应视具体情况选取N，以便既少占用计算时间，又达到最好的效果。
4.2.4加权平均滤波
在算术平均滤波和移动平均滤波中，N次采样值在输出结果中的权重是均等的，取1/N。
用这样的滤波算法，对于时变信号会引入滞后，N值越大，滞后越严重。
为了增加新采样数据在移动平均中的权重，以提高系统对当前采样值中所受干扰的灵敏度，可采用加权平均滤波，它是移动平均滤波算法的改进。
加权平均滤波是对连续N次采样值分别乘上不同的加权系统之后再求累加和，加权系统一般先小后大，以突出后面若干采样的效果，加强系统对参数变化趋势的辨识。
各个加权系统均为小于1的小数，且满足总和等于1的约束条件。
这样，加权运算之后的累加和即为有效采样值。
4.3编程工具KeiluVision4
4.3.1Keil的概述
单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法。
机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展。
C语言是一种通用的计算机程序设计语言，既可以编写计算机的系统程序，也可以编写一般的应用程序。
[2]Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。
Keil提供了包括C编
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