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：

电气工程和其自动化

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

电气工程和其自动化专业电气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和驱动电路设计；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

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控制系统的组成和工作原理

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和功能

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和电校正等手段，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系列单片机和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和驱动电路设计（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和其他附加元件，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控制系统的组成和工作原理

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