比例放大器PID参数自整定控制方法及比例放大器、比例电磁阀

摘要

本发明提供一种比例放大器PID参数自整定控制方法，其包括步骤：检测比例放大器输出端实时参数值并根据实时参数值与给定参数值计算偏差与偏差变化率；将偏差与偏差变化率模糊化为对应的偏差模糊子集与偏差变化率模糊子集；根据偏差模糊子集、偏差变化率模糊子集与PID参数的模糊推理机制得到PID参数的模糊子集；将PID参数的模糊子集解模糊后，根据PID参数的初始值与解模糊后的变化值得到PID控制参数；根据PID控制参数控制比例放大器输出，并再次检测比例放大器输出端实时参数值，重复步骤直至比例放大器输出端实时参数值等于给定参数值。本发明PID参数采用模糊控制和自整定控制使得比例放大器能够自适应于各类应用场合。本发明还提供一种比例放大器及比例电磁阀。

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及比例放大器PID参数自整定控制方法及比例放大器、比例电磁阀。 

背景技术

比例放大器是比例电磁阀的比例控制系统的重要组成部分，其功能是对比例电磁阀提供特定性能的电流，使得比例电磁阀输出的流量或者压力成比例地受到控制的电子装置。 

现有的比例放大器多采用模拟控制，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阀中比例电磁铁线圈电流的大小和均加减速时间，以控制电磁铁衔铁推力的大小和位移从而控制比例电磁阀开口大小，达到控制液压回路油的压力或流量的目的。 

采用上述控制方法制造的控制系统的控制功能简单，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。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种能自适应比例电磁阀各种应用场合的参数控制需求且控制性能更好的比例放大器PID参数自整定控制方法。 

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种比例放大器PID参数自整定控制方法，其包括步骤： 

S1：检测比例放大器输出端实时参数值并根据实时参数值与给定参数值计算偏差与偏差变化率； 

S2:将偏差与偏差变化率模糊化为对应的偏差模糊子集与偏 差变化率模糊子集； 

S3:根据偏差模糊子集、偏差变化率模糊子集与PID参数的模糊推理机制得到PID参数的模糊子集； 

S4:将PID参数的模糊子集解模糊后，根据PID参数的初始值与解模糊后的变化值得到PID控制参数； 

S5:根据PID控制参数控制比例放大器输出，并再次检测比例放大器输出端实时参数值，重复步骤S1-S5直至比例放大器输出端实时参数值等于给定参数值。 

进一步地，所述偏差的变量域为e={0，E1，E2，E3}，偏差变化值的变量域为：ec={0，Ec1,Ec2,Ec3}；偏差与偏差变量域对应的模糊子集为{Z，S，M，B}；PID参数的模糊子集为{Z，S，M，B}；其中，Z表示零，S表示小，M表示中，B表示大； 

偏差模糊子集、偏差变化率模糊子集与PID参数Kp、Ki、Kd的模糊子集之间的模糊推理机制为： 

Kp: 

Ki: 

Kd: 

进一步地，本发明还公开一种比例放大器，其包括控制模块、功率放大模块、阀芯位移传感器以及测量放大模块；所述测量放大模块检测阀芯位移传感器检测到的阀芯位移并将阀芯位移信号传输至控制模块，所述控制模块根据上述的控制方法输出PWM控制信号至功率放大模块以控制电磁铁线圈电流大小从而控制电磁阀阀芯位移。 

进一步地，所述功率放大模块包括反相器、第一光耦、第二光耦、P沟道MOS管、N沟道MOS管、第一采样电阻、第二采样电阻以及放大器；所述控制模块输出的PWM控制信号一路经过反相器后接入第一光耦以控制P沟道MOS管，另一路直接接入第二光耦以控制N沟道MOS管；P沟道MOS管经过电磁铁线圈后与N沟道MOS管相连，第一采样电阻一端连接至N沟道MOS管另一端连接至放大器正向端，第二采样电阻一端连接至P沟道MOS管另一端连接至放大器反向端，放大器输出端接入控制模块。 

进一步地，所述P沟道MOS管源级接入电源、栅极接入第一光耦、漏极接入电磁铁线圈一端并通过反向二极管接入第二采样电阻后接入放大器反向端；所述N沟道MOS管源级接入电源、栅极接入第二光耦、漏极接入电磁铁线圈另一端并通过第一采样电阻接入放大器正向端。 

本发明还公开一种比例电磁阀，其包括上述比例放大器。 

本发明相对现有技术具有如下优点: 

1、PID参数采用模糊控制和自整定控制使得比例放大器能够自适应于各类应用场合，可以实现实时控制和综合控制，避免了活动元器件的机械磨损，提高放大器总体控制性能，并且其控制精度更高。 

2、采用由光耦和MOS管等构成的功率放大模块能够显著提高比例电磁铁线圈电流的衰减速度，提高比例电磁铁的动态频宽。 

附图说明

图1为比例放大器PID参数自整定控制方法的流程示意图； 

图2为比例放大器的电路原理框图示意图； 

图3为图2中功率放大模块的具体电路示意图。 

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。 

请参照图1，本发明一实施例中，比例放大器PID参数自整定控制方法，其包括步骤： 

S1:检测比例放大器输出端实时参数值并根据实时参数值与给定参数值计算偏差与偏差变化率； 

偏差变化率表示单位时间内误差的变化范围。 

S2:将偏差与偏差变化率模糊化为对应的偏差模糊子集与偏差变化率模糊子集； 

S3：根据偏差模糊子集、偏差变化率模糊子集与PID参数的模糊推理机制得到PID参数的模糊子集； 

S4：将PID参数的模糊子集解模糊后，根据PID参数的初始值与解模糊后的变化值得到PID控制参数； 

S5:根据PID控制参数控制比例放大器输出，并再次检测比例 放大器输出端实时参数值，重复步骤S1-S5直至比例放大器输出端实时参数值等于给定参数值。 

具体地，预设偏差的变量域为e={0，E1，E2，E3}，偏差变化值的变量域为：ec={0，Ec1,Ec2,Ec3}，e表示偏差，ec表示偏差变化值，E1-E3，Ec1-Ec3表示预设的偏差和偏差变化值的变化范围。判断步骤S1中得到的偏差与偏差变化率位于偏差和偏差变化率的变量域中的具体域，而后根据偏差与偏差变化率处于的具体域与偏差与偏差变化率的模糊子集的对应关系将偏差与偏差变化率模糊化。 

本实施例中，偏差与偏差变化率对应的模糊子集均为{Z，S，M，B}，其中Z表示零，S表示小，M表示中，B表示大。也就是说，若偏差为O时，偏差模糊化后的以Z表示，若偏差值在0-E1之间，则偏差模糊化后以S表示，依此类推，偏差变化率也可同理得到。 

根据预设的模糊推理规则，可由模糊化后的偏差和偏差变化率得到模糊化的各项PID参数，本实施例中，各项PID参数的模糊子集也以{Z，S，M，B}表示。最后将得到的模糊化的PID各项参数解模糊后得到PID各项参数的变化值，根据该变化值调整预设PID参数以调整电磁铁线圈电流大小从而控制电磁阀阀芯位移。 

重复上述过程，直至最终的PID参数满足要求，也即PID参数控制的电磁阀阀芯位移满足需求。 

模糊推理规则是模糊控制中的核心部分，由于模糊控制的特殊性，在不同的应用场合需要用到不同的模糊推理规则的归纳原理，即使在同一个应用场合，也需要大量的实验和总结才能得到精确的具体的模糊推理规则。 

具体到本实施例中，本实施例的控制主要针对比例电磁阀的开口度，也即比例电磁铁的电流大小。由于比例电磁阀开口度可 调范围小、精度要求极高且比例电磁阀的实际应用环境嘈杂，外界干扰大，基于上述控制要求，可将PID参数的自整定原则归纳如下： 

1)当偏差e较大时，取较大的Kp与较小的Kd，使系统具有较好的跟踪性能，同时为避免出现较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取Ki=0； 

2)当偏差e处于中等大小时，为使系统响应超调较小，Kp应取小些。该情况下Kd的取值对系统响应影响较大，Ki的取值要适当； 

3)当偏差e较小时，为使系统具有较好的稳定性，Kp与Ki均应取大些，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，Ki值的选择根据偏差变化率ec值较大时，Kd取较小值，通常Kd为中等大小。 

基于上述PID参数自整定原则，根据大量的实验和总结得到的具体的模糊推理规则如下： 

Kp: 

Ki: 

Kd: 

上述模糊推理规则可表述如下： 

当偏差e为Z，且偏差变化率ec为Z时，Kp的模糊值为Z；Kp的模糊值取值依此类推； 

当偏差e为Z，且偏差变化率ec为Z时，Ki的模糊值为B；Ki的模糊值取值依此类推； 

当偏差e为Z，且偏差变化率ec为Z时，Kd的模糊值为Z；Kd的模糊值取值依此类推。 

上述的推理规则可归纳为程序语言而集成于控制模块的flash存储器等中。优选地，控制模块为arm处理器。 

通过上述的模糊推理规则来控制比例电磁铁的电流大小以及比例电磁阀的阀芯位移，其控制速度快、控制精度高、控制曲线平滑。 

请参照图2，本发明还公开一种比例放大器，其包括控制模块10、功率放大模块20、阀芯位移传感器30以及测量放大模块40。 

测量放大模块40检测阀芯位移传感器30检测到的阀芯位移并将阀芯位移信号传输至控制模块10，控制模块10根据上述的模糊自整定PID控制方法输出PWM控制信号至功率放大模块20以控制电磁铁线圈电流大小从而控制电磁阀阀芯位移。 

进一步地，由于比例电磁铁线圈匝数较多，电流变化使得电磁阀阀芯位移变化存在一定的滞后性，为解决该问题，本发明的功率放大模块的具体电路示意图如图3所示。 

图3中，功率放大模块包括反相器F1、第一光耦U1、第二光耦U2、P沟道MOS管Q1、N沟道MOS管Q2、第一采样电阻R1、第二采样电阻R2以及放大器D1。控制模块输出的PWM控制信号一路经过反相器F1后接入第一光耦U1，另一路直接接入第二光耦U2。通过第一光耦U1和第二光耦U2控制P沟道MOS管Q1和N沟道MOS管Q2的通断，当PWM信号分别在高低电平时，P沟道MOS管和N沟道MOS管分别起作用以控制电磁铁线圈电流。 

进一步地，P沟道MOS管Q1源级接入电源、栅极接入第一光耦U1、漏极接入电磁铁线圈一端并通过反向二极管接入第二采样电阻R2后接入放大器D1反向端；N沟道MOS管Q2源级接入电源、栅极接入第二光耦U2、漏极接入电磁铁线圈另一端并通过第一采样电阻R1接入放大器正向端。 

采用双采样电阻分别用于检测PWM信号高低电平时电磁铁输出的电流；电磁铁的输出电流经过采样和放大以及滤波后再次进入控制模块，形成了电流的闭环控制和调节，降低了电源电压波动对输出电流的影响使得电流稳定性更好。 

本发明还公开一种比例电磁阀，其包括上述比例放大器。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。