基于 Proteus的數(shù)字閥控缸位置控制系統(tǒng)研究

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1、北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)第22卷第3期Vo1．22NO．3JournalofBeijingInstituteof2014年9月Sep．2O14Petro—chemicalTechnology基于Proteus的數(shù)字閥控缸位置控制系統(tǒng)研究程騰飛，林立，王晗，郭樹霞，祁杰(中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249)摘要：針對(duì)閥控液壓缸位置的精確控制，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)。在Proteus軟件中建立了該系統(tǒng)的硬件電路并進(jìn)行了仿真研究，采用臨界比例度法進(jìn)行PID參數(shù)的整定，有效地改善了控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。Proteus軟件能夠通過硬件與軟件聯(lián)合調(diào)試

2、仿真，在微機(jī)控制系統(tǒng)研究上比一般的仿真軟件更加精確，為研究此類問題提供了一種較好的方法。關(guān)鍵詞：Proteus；數(shù)字閥；單片機(jī)；位置控制中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A在大多數(shù)液壓伺服系統(tǒng)中，液壓動(dòng)力元件電液數(shù)字控制閥簡(jiǎn)稱數(shù)字閥，是直接用數(shù)字是一個(gè)關(guān)鍵性的部件，其動(dòng)態(tài)特性在很大程度信號(hào)對(duì)液體壓力、流量和方向進(jìn)行控制的閥。現(xiàn)上決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。在工業(yè)中使用最多有的數(shù)字閥主要是增量式數(shù)字閥和快速開關(guān)式數(shù)的一種液壓動(dòng)力元件是閥控液壓缸。近年來，字閥2大類l1]。其中增量式數(shù)字閥由步進(jìn)電機(jī)帶隨著電液位置控制技術(shù)的不斷發(fā)展，由數(shù)字閥動(dòng)工作，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓閥芯工作，步進(jìn)電機(jī)

3、每和液壓缸組成的閥控液壓缸位置控制系統(tǒng)因其旋轉(zhuǎn)一步閥輸出一定體積的液壓油。步進(jìn)電機(jī)可控制簡(jiǎn)單、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在方便地與計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字式控制裝置直接連液壓控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。接，由數(shù)字量進(jìn)行控制，其轉(zhuǎn)角與輸入的數(shù)字式脈Proteus是英國(guó)Labcenter公司開發(fā)的沖量成正比，這樣數(shù)字閥的輸出量可由脈沖頻率EDA工具軟件，具有強(qiáng)大的電路設(shè)計(jì)與仿真功或占空比調(diào)節(jié)控制，數(shù)字閥的控制就是對(duì)于步進(jìn)能。與其他仿真軟件相比，Proteus能應(yīng)用微電機(jī)的控制。數(shù)字閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。處理器作為控制核心，采用基于微處理器的編程語言編寫相應(yīng)的控制算法進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)硬件

4、與軟件的聯(lián)合仿真，能夠直觀地反映出微處理器在系統(tǒng)中的作用，可有效減少控制系統(tǒng)設(shè)機(jī)計(jì)開發(fā)的時(shí)間、成本與風(fēng)險(xiǎn)。筆者以單片機(jī)為控制器構(gòu)建了數(shù)字閥控缸位置控制系統(tǒng)，在Proteus軟件中建立了該系統(tǒng)的硬件電路和微1．2基于單片機(jī)的數(shù)字閥控缸位置控制系統(tǒng)處理器仿真模型，利用Proteus與Keil軟件聯(lián)利用數(shù)字閥替代以往的伺服閥、比例閥等合仿真對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行PID控制的仿真驗(yàn)證，并控制閥作為液壓系統(tǒng)控制元件，與液壓執(zhí)行元對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行了整定。件構(gòu)成位置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)負(fù)載的變化，具有較強(qiáng)的抗干擾能力?；跀?shù)字閥的1數(shù)字閥控缸位置控制系統(tǒng)原理閉環(huán)液壓系統(tǒng)主要由控制器、數(shù)字閥主

5、體、液壓1．1數(shù)字閥工作原理缸、測(cè)量反饋部分等組成。系統(tǒng)控制器的核心是采用AT80C51單片收稿H期：2014—03—10作者簡(jiǎn)介：程騰飛(1989)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)機(jī)芯片，外圍電路由鍵盤電路、顯示電路、A／D電系統(tǒng)控制及自動(dòng)化，E—mail：chengtflO@163．corn。轉(zhuǎn)換電路組成，數(shù)字閥主體包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)第3期程騰飛等．基于Proteus的數(shù)字閥控缸位置控制系統(tǒng)研究47模塊、步進(jìn)電機(jī)、液壓閥，控制過程中由單片機(jī)使活塞桿位移達(dá)到期望位置。直接控制驅(qū)動(dòng)模塊。該數(shù)字閥的控制系統(tǒng)原理2基于Proteus的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。2．1控制系統(tǒng)硬件電路

6、設(shè)計(jì)采用80C51單片機(jī)作為控制器，對(duì)于數(shù)字閥的控制就是對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的控制，利用L297+L298芯片進(jìn)行控制，L297和L298對(duì)應(yīng)引腳之圖2基于數(shù)字閥的位置控制系統(tǒng)原理間采用光電耦合連接，該方法可以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)[4]。L297芯片是包括環(huán)形分配器的步進(jìn)電系統(tǒng)工作時(shí)由鍵盤設(shè)定液壓缸的工作行動(dòng)機(jī)控制器，可產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，L298芯片是程，80C51單片機(jī)把計(jì)算出的步進(jìn)電機(jī)需要的雙H橋式功率放大驅(qū)動(dòng)器。由單片機(jī)發(fā)出脈沖脈沖數(shù)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。信號(hào)給L297，L297中的環(huán)形分配器將脈沖信號(hào)與步進(jìn)電機(jī)同軸相連的液壓閥門控制進(jìn)油量，按照一定的相序發(fā)送給L2

7、98，1298放大脈沖信進(jìn)而控制液壓缸的行程_3l。在理想情況下，給號(hào)的功率，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。定的脈沖數(shù)可以正好使液壓缸達(dá)到指定的行該系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示部分采用RT1602字符型程。但是在外部負(fù)載和外部干擾的作用下，液液晶顯示模塊，該模塊在硬件連接和軟件調(diào)試壓缸無法達(dá)到預(yù)定的行程，因此要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)上比采用數(shù)碼管都有優(yōu)勢(shì)，利用該顯示屏可以行閉環(huán)控制。在液壓缸外部添加位移傳感器檢實(shí)時(shí)顯示PID參數(shù)值。系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤，測(cè)液壓缸的輸出位移，然后把檢測(cè)到的位移信按鍵接到單片機(jī)的P0口，通過3個(gè)按鍵改變號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送到