引　言

　　電液比例方向節(jié)流閥，是由閥本體（機械結構）和比例控制放大器組成，沒有比例控制放大器，這類閥的功能類似于一般的電磁換向閥，目前應用的此類閥，其比例放大器多為專用的模擬比例控制放大器。本文介紹的數字控制放大器，不僅實現了控制放大器的數字化，提高了閥的性能，而且兼顧了閥控系統的需要，提高了可靠性、經濟性和靈活性。

圖1　硬件結構框圖

1　硬件結構

　　本控制放大器硬件結構如圖1所示，其主要功能性能如下：
　　具有RS-232串行口,能與標準RS-232接口聯機,可與上位微機構成遙控系統或進行多機協調控制,數據的發(fā)送與接收均采用中斷形式。四路大功率光電隔離PWM脈寬調制輸出, 每路的輸出電流達800多毫安，并有防止比例電磁鐵線圈產生高壓損壞的續(xù)流作用。每路PWM的輸出均配有發(fā)光二極管顯示。8098芯片所提供10位 A/D輸入，經多路開關擴展后達16路。具有鍵盤與顯示，實現人機接口。8K的外部RAM和16K的外部EPROM。
　　為閥控系統提供了除前述中的A/D、PWM輸出外,還有兩個可編程并行 I/O擴展接口。
　　實現上述功能的主要接口電路如下：
1.1　與比例電磁鐵的接口
　　控制放大器對閥本體的作用，是通過對比例電磁鐵施加一定占空比的PWM信號,使比例電磁鐵獲得相應大小的電流,進而產生一電磁力以推動閥芯。由于比例控制系統的動態(tài)響應要求不是很高，故采用圖2所示的驅動線路，圖中驅動管采用光電隔離將驅動部分與控制器數字部分隔離,提高了控制器的抗干擾能力。

圖2　與比例電磁鐵接口電路

　　由控制器輸出的PWM 信號，經驅動電路放大，由于電磁鐵的慣性，在線圈上就可獲得平均值與占空比成比例、帶有交流紋波分量的直流電流。因此，其輸出的電流帶有一定的顫振效果；但由于其頻率與PWM信號頻率相同，幅值與調制信號的占空比、調制頻率及負載時間成函數關系，頻率和幅值互相牽制，不可獨立調節(jié)，限制了這種交流紋波的顫振效果。本控制器的PWM調制信號的頻率為500 Hz，是傳統低頻調制方式的 2～10倍，減小了線圈電流波幅以及開關特性的延遲時間對線圈電流的影響；另一方面，閥的電反饋閉環(huán)把整個閥的機械部分都包圍在內，閥的滯環(huán)得到了較好的克服。
1.2　與閥芯位移傳感器的接口
　　由于閥芯位移傳感器輸出的模擬信號，其電壓在 3.8伏～9.0 伏之間,不能直接對它進行采樣,我們采用圖3的信號處理電路，對輸入信號進行濾波、調零和放大處理，使得其輸出的電壓在0～5伏這個范圍，并且提供的電流不小于 5 mA，以便供8098芯片的A/D 采樣；為了避免電源波動的影響，對電源進行了濾波處理。由于這里的電源被引入信號輸入端，用來拉低輸出的電平，故電源的變化波動會直接引起處理后的輸出波動變化。因此，盡管對電源進行了硬件濾波，為了確保精度要求，在軟件中采取相應的濾波算法，再進行一次濾波。

圖3　信號處理電路鐵接口電路

1.3　為閥控系統而設的其它的接口
　　執(zhí)行元件的輸出由光柵檢測,因所用光柵數顯表輸出是20位的BCD碼，可通過8255擴展的PA、PB和PC口讀入，經軟件處理轉換成二進制數。
　　壓力傳感器的輸出，因其電壓、電流都滿足8098單片機的A/D 輸入要求，故可直接用對它進行轉換采樣。

2　軟件結構與設計

2.1　總體結構
　　整個軟件包括兩部分，即監(jiān)控軟件和控制軟件。監(jiān)控軟件主要完成人機接口功能；整個軟件的核心是控制軟件，它完成對閥和系統的控制。圖4 是整個程序的簡化框圖,其中,因控制的實時性要求, 從控制程序返回到監(jiān)控程序,是由軟件復位過來的,監(jiān)控軟件和控制軟件所使用的存儲空間,絕大多數可以交叉重復而不致于引起混亂。

圖4　軟件總體結構簡化框圖

2.2　監(jiān)控軟件
　　由于8098芯片復位后，程序計數器指向2080地址單元，系統自動地從此處開始, 運行程序。故在此設置一條關中指令，然后進行一些初始化，等待從鍵盤的輸入，根據鍵值散轉，執(zhí)行相應的程序。程序框圖如圖5所示。
2.2.1　初始化
　　(a) 關閉所有中斷
　　(b) 設置堆棧指針, 在本系統中，對堆棧的訪問主要有程序的調用和中斷而產生，其最大壓入深度不超過64個字節(jié)。
　　(c) 內部RAM及有關外部RAM清零。
　　(d) 封鎖PWM輸出及A/D輸出, 防止系統誤動而產生不良影響。
　　(e) 8279初始化；
　　鍵盤/顯示方式設置命令字，通過CPU送入控制控制10H, 即八位顯示、左入口、編碼掃描、雙鍵鎖定方式。
　　時鐘命令字，為了獲得8279內部要求的100 KHz, 須將ALE進行6分頻，故命令字為26 H。
　　讀顯示RAM,取讀后地址自動加 1 的方式, 故其命令字為 70 H；寫顯示RAM，取寫后地址自動加1的方式, 命令字為90 H；清除顯示RAM, 給顯示RAM寫入“P”。

圖5　監(jiān)控程序框圖

2.2.2　人機對話
　　經過上述初始化后，就可開始進行人機對話。其主要功能是，CPU 識別工作人員從鍵盤送入的命令、數據，并轉而去執(zhí)行相應的程序。
　　鍵盤設16個數據鍵0～F,四個功能鍵LAST、RESET、NEXT/PRO和EXEC鍵。其中,RESET被按下后系統會自動上電復位,不需要CPU的識別處理。EXEC鍵被按下,則轉去執(zhí)行控制程序的初始化程序。NEXT、LAST鍵是顯示并可修改當前地址單元的下一個、上一個單元的內容；如果當前沒有顯示任何單元，則此時按下LAST無效,而NEXT轉為“PRO ”鍵功能，即此鍵被按下，被顯示和可修改的單元, 是存放控制命令及數據的首地址7FF0H。
2.3　控制軟件
　　考慮到系統的要求，控制軟件需要完成閥的調節(jié)、系統調節(jié)、為了保證程序按一定的系列執(zhí)行所必要的中斷、定時以及相應的一些數據采集、輸入和處理等。圖6是控制軟件總體框圖；對各個部分說明如下：
2.3.1　初始化
　　在關閉中斷的狀態(tài)下，實現對控制程序的下述幾個初始化工作。
　　(a).對PID 程式(閥的調節(jié))計算中的一些標志、輸入E、輸出U清零。將由Kp、 Ki、Kd、采樣周期T及低通濾波器的時間常數T_f, 計算得到的Qi、Mi賦予給它的存儲單元。在PID 程序中，數的表示及運算均采用定點數的方式來處理。盡管8098本身具有豐富的指令系統, 設有帶符號數和不帶符號數的加、減、乘、除運算指令，給編程帶來了極大的方便；但PID 程序的運算過程中，因定點數的表示范圍有限，中間難免有溢出之處,為此設有幾個判斷標志，在運行PID 程序之前也需要對它們初始化。

圖6　控制軟件總體框圖

　　(b).采樣時間到標志清零；
　　(c).比例閥流量死區(qū)的基本值賦值；設置PWM 的周期、最大輸出電流( 包括顫振信號的頻率和幅值 )；輸出電流清零，以避免輸出單元的隨機值引起系統的誤動。
　　(d).軟件定時中斷和 HSO中斷初始化；開放這兩個中斷，即INT－MASK賦予＃28H，同時，把兩個中斷服務子程序的入口地址放入相應的中斷向量單元。
　　(e).設置堆棧指針，SP指向內部RAM中的00FEH單元。
2.3.2　采樣及計算程序
　　(a). 讀給定的位移；輸入的位移是以十進制數的方式放入7FF0H～7FF2H的，因此，需要調用一次三字節(jié)的BCD碼轉換成二進制數的程序，其結果放入40H～42H這三個字節(jié)單元，并在整個控制程序運行期間保存。
　　(b).計算增量式PID算式U_n+1＝∑QiEi＋Un中的Qi，Mi。
2.3.3　控制程序的主程序
　　在控制程序的主程序中，由于至少存在一個PID程序(閥的調節(jié)), 而PID中的運算參數與采樣周期T有關, 為了PID控制算法的正確實現, 本控制程序通過軟件定時來實現保證固定的采樣周期。固定采樣周期的獲得，實際上是通過等待, 把每次程序循環(huán)運行的時間差距拉平。此措施的先決條件是，采樣周期必須大于完成一個循環(huán)運行所需要的最長時間，即對采樣頻率的最大值有個限制。
　　以下是控制軟件的各個功能模塊。
　　(a).采樣、輸入系統反饋數據,需要采樣或讀入的數據有閥芯的位移,以及閥控系統所需的執(zhí)行元件位移和系統壓力等參數。
　　由A/D 采樣來的數據(閥芯位移及壓力等參數),還需經濾波處理后放入指定的單元。
　　執(zhí)行元件的位移，從二次儀表得到的BCD碼還需經數制數轉換程序處理。
　　本文僅用到閥芯位移的采集及濾波，其它是為閥控系統所準備。
　　(b). 閥控系統調節(jié)程序,是閥控系統所需的控制策略。本文僅作信號發(fā)生器使用。
　　(c). 閥的調節(jié)程序,根據給定量和反饋量的關系,處理和計算的結果放入HSO的輸入單元,即作為PWM調制及放大的輸入。閥的調節(jié)方法是工程上廣為應用的PID控制。
2.3.4　中斷服務程序
　　中斷服務程序中,有一個軟件中斷定時器，它主要是每當采樣時間到，則設置啟動標志，主程序可以運行。另一個中斷程序是HSO的中斷輸出,即控制器的輸出。
2.3.5　試驗測試程序
　　為了對系統的性能進行測試分析，在控制程序中加入了一些試驗輔助程序。這些程序主要有：信號的給定及測試數據記錄程序,記錄的數據經離線處理得動態(tài)曲線。

3　試驗結果

　　試驗研究包括靜態(tài)性能和動態(tài)性能試驗。在靜態(tài)試驗時,閥控系統調節(jié)程序設置為線性信號發(fā)生器，動態(tài)測試時則設置為階躍信號發(fā)生器。動態(tài)數據用測試數據記錄程序記錄,靜態(tài)試驗數據則用X-Y函數記錄儀記錄。
　　從圖7和圖9可以看出,由數字控制放大器構成的電液比例方向節(jié)流閥,具有較滿意的動靜態(tài)性能。從圖8也可看出該閥的流量特性在零點附近很差,有死區(qū)和滯環(huán)等嚴重的非線性,這是這類節(jié)流閥固有的特性。

圖7　靜態(tài)位移曲線

圖8　靜態(tài)流量曲線

圖9　階躍響應曲線

4　結論

　　本文提出的數字控制放大器,取得了比較滿意的結果,同模擬控制放大器相比,它集系統控制功能于一體，使得閥控系統具有更高的經濟性、可靠性和靈活性。在閥控系統中，節(jié)流閥流量特性的嚴重非線性是需重點考慮解決的問題；在此基礎上，由于比例閥較伺服閥有更好的經濟性和使用維護的方便性，使得它具有較廣闊的應用前景。