电液调节阀压力控制系统的研究
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（ 2） 泵控缸系统。采用双向定量泵驱动，对称
液压缸作为动力机构元件，根据流量连续性方程和
活塞力平衡方程建立动力机构的数学模型。假设油
液温度和体 积 弹 性 模 数 为 常 数，且 内、外 泄 漏 为 层 流，则活塞位移为［18］
( ( )) Y（ s）
=
q A
Ω（
s） s
－
1 A2
C + Vt s 4βe
3 控制方法设计
图 2 控制器硬件组成结构框图 Fig． 2 Block diagram of the controller hardw are
主控制器采用 PIC16F877A，是一款采用 CM OS FLASH / EEPROM 技术的 8 位单片机，内置有看门
混合煤气管道压力系统是一个扰动剧烈、非线 性强、压力调节滞后较大的系统，难以建立精确的数 学模型。常规的 PID 控制很难达到循环发电工程 的控制要求，采用模糊自适应 PID 控制，不需要被
s2 ω2h
+ 2ζhs ωh
+1
FL（ s） ，
（ 2）
式中，q 为泵的排量； A 为液压缸活塞有效面积； βe
第5 期
许茂林，等： 电液调节阀压力控制系统的研究
129
控对象的精确数学模型，在 PID 控制的基础上，计 算当前系统误差 e 和误差变化率 e c，利用模糊规则 进行模糊推理，从而对 PID 参数在线调整［13-14］。由 于系统在异常情况下，无需利用模糊算法计算，只需 输出最大值以实现快开或快关，故控制器还引入了 Bang-Bang 控制［1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ］。
DDVC （ the direct drive volume control） 电液伺 服系统是交流变频传动技术在液压伺服控制领域中 的最新成果，它以交流伺服电机驱动定量泵，通过改
变伺服电机的转速或转数来改变定量泵的输出流量， 最终控制液压执行元件的输出［6］。与普通的阀控系 统相比，DDVC 电液伺服系统有效地避免了伺服阀的 节流损耗和溢流、卸荷损耗，所以更加高效节能［7-8］。
文献标志码： A
Research on a pressure control system in an electro-hydraulic control valve
XU M ao-lin1 ，WANG Yong1 ，XIONG Jun2
（ 1． School of M echanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China； 2． Zhongxing Telecom Equipment Corporation，Shenzhen 518057，China）
正（ 反） 转，改变调节阀的阀门开度，从而达到对被控流体的压力进行调节的目的。MABLAB 仿真结果表明，采用
模糊自适应 PID 时系统超调量为 4. 7% ，调节时间为 6. 2 s，该系统具有较好的动态特性。
关键词： PIC 单片机； 电液调节阀； 伺服系统； 模糊 PID
中图分类号： TP137
调速，永磁交流调速系统的带宽比其他组成环节高
得多，所以交流调速系统可以被简化成一个惯性环 节［17］：
Ω（ s） E（ s）
=
K Tes
v
+
1
，
（ 1）
式中，Ω 为 PM SM 调 速 系 统 的 输 出 角 速 度，E 为
PM SM 的输入电压，Kv 为 PM SM 调速系统的速度 增益，Te 为 PM SM 调速系统的机电时间常数。
0 引言
为减小环境污染，有些钢铁企业已经开始利用 生产过程中产生的焦炉和高炉煤气开发燃气 － 蒸汽 联合循环发电工程［1-3］。工程采用的燃气轮发电机 组对发电煤气的压力控制要求很高。目前各钢厂均 采用大型气动薄膜调节阀对发电煤气进行压力控 制，但由于响应滞后和调节不及时，发电煤气的压力 波动过大，超出了燃机允许的压力范围［4-5］。
128
山 东 大 学 学 报 （ 工 学 版）
第 41 卷
使用的能源分为气动、电动和液动等； 调节机构也就 是调节阀门。采用电液执行机构的调节阀称为电液 调节阀。
电液调节阀采用 DDVC 电液伺服系统，液压缸 执行机构为直线输出，其负载为调节阀门。该系统 的目的是使压力波动较大的煤气通过调节阀后压力 能够相对稳定，原理如图 1 所示。伺服电机带动双 向齿轮泵正（ 反） 转，经由特定的液压回路，驱动液 压缸活塞往复运动，活塞杆带动阀门阀杆和阀芯移 动，增（ 减） 阀门开口度。活塞杆另一端安装位置传 感器，检测活塞的移动距离，将结果反馈至控制器， 移动距离反应了调节阀的开口度。另在调节阀出口 管道上安装压力传感器，将测得的结果反馈至控制 器。控制器比较人工设定的压力与反馈值，计算得 到电机所需转向和转数，改变阀的开度，实现压力调 节。另外，系统还提供手动控制功能，由蓄能器和三 位四通换向阀来实现阀门的快开或快关［9-10］。
第 41 卷 第 5 期 Vol． 41 No． 5
山 东 大 学 学 报 （ 工 学 版） JOURNAL OF SHANDONG UNIVERSITY （ ENGINEERING SCIENCE）
文章编号： 1672-3961（ 2011） 05-0127-05
2011 年 10 月 Oct． 2011
图 4 系统模糊 PID 控制器结构图 Fig． 4 Block diagram of fuzzy PID controller
4 系统建模与仿真
4. 1 数学模型的建立 电液调节阀数学模型由以下几部分组成［16］：
（ 1） 交流调速系统。本系统采用永磁交流同步
电机（ permanent magnet synchronous moter，PM SM ）
本研究开发了一种由 DDVC 电液伺服系统驱 动的调节阀以取代目前钢厂循环发电工程中采用的 气动薄膜调节阀，并研究其压力控制系统。
1 系统组成和硬件设计
1. 1 系统组成及原理 调节阀由执行机构和调节机构组成。执行机构
将 控制器输出信号装换为直线位移或角位移，按所
收稿日期： 2011-01-19 基金项目： 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） 资助项目（ 2008AA04Z130） 作者简介： 许茂林（ 1987 － ） ，男，安徽六安人，硕士研究生，主要研究方向为液压与智能控制． E-mail： allourest@ gmail． com
狗和 A / D 转换功能。时钟电路、直流稳压输入和复 位电路为单片机基本电路扩展部分，选用芯片手册 上典型电路即可。键盘输入模块用来设置参数，通 过优先权编码器 SN74LS148 与 M CU 连接进行扩 展，8 个按键通过外部中断实现不同功能： 复位、暂 停、目标值加减、控制策略选择和自动 / 手动切换等。 数据采集模块用来采集反馈信息，传感器采集的电 压和位移信号为 4 ～ 20 mA 的电流信号，通过 250 Ω 的高敏电阻将其转化为 1 ～ 5 V 的电压值，然后在 MCU 中进行 A /D 转换后再进行运算处理。液晶模 块选用 OCM J5X10B，显示阀门开度、压力、流量、控 制策略以及设定值等信息。伺服电机脉冲控制模块 用于控制伺服电机转动，本文执行机构是由松下公 司生产的 M INAS A4 系列数字交流伺服电机，选择 其位置控制模式，需要差分专用电路输入作为指令 脉冲。该电路先由 MCU 产生可以调节周期和占空 比的 PWM 信号，用 2 个 4N25 光电耦合器隔离，防 止信号输 出 对 输 入 的 干 扰，再 采 用 标 准 转 换 器 件 SN75174 将 PWM 信号和方向信号转换为可以驱动 伺服电机的差分信号，最终控制伺服电机转动的转 速和转数［11］。换 向 阀 用 信 号 在 手 动 控 制 模 式 下 使 用，提供 24V 的高电平作用于换向阀，实现调节阀 的快开（ 快关） ，通过三极管放大以及继电器切换实 现。报警电路用于异常情况，如在检测到煤气浓度 达到爆炸值时，由蜂鸣器报警，并关闭阀门。通信模 块用于 系 统 与 上 位 机 通 信，控 制 器 配 置 了 一 个 RS485 串行通讯接口，选用 M AX485 为通讯接口芯 片［12］。
图 1 电液调节阀控制系统框图 Fig． 1 Block diagram of the electro-hydraulic control valve
1. 2 控制器的硬件设计 控制器是控制系统的核心，硬件组成如图 2 所
示，包括两大部分： 一是单片机基本系统及其扩展部 分； 二是功能模块设计，如数据采集模块、液晶显示 模块、伺服电机脉冲控制模块、通信模块等。
电液调节阀压力控制系统的研究
许茂林1 ，王勇1 ，熊俊2
（ 1． 山东大学机械工程学院，山东 济南 250061； 2． 中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057）
摘要： 设计了以 PIC16F877 单片机为控制核心的电液调节阀稳压控制系统。提出了直驱式容积控制电液伺服系统
的方案，控制器采用模糊自适应 PID（ proportion integration differentiation） 控制算法，通过控制伺服电机的启（ 停） 和
Abstract： A pressure control system in an electro-hydraulic control valve based on PIC16F877 w as designed． Then the direct drive volume control （ DDVC ） electro-hydraulic servo system w as presented and fuzzy self-adaptive PID algorithm w as adopted in the controller． The opening of the control valve w as adjusted by performing the start-up / shut-dow n and forw ard / reversal rotation of the servo motor，and therefore the pressure of controlled fluid w as regulated accordingly． The results of simulation in M ATLAB show ed that system overshoot w as 4． 7 percent and system setting time w as 6. 2 seconds w hen it used fuzzy self-adaptive PID，and thus it had excellent dynamic characteristic． Key words： PIC micro control unit （ PIC M CU） ； electro-hydraulic control valve； servo system； fuzzy PID
本系统主要完成如下功能： 参数设定、实时控 制、显示功能、运行状态指示、与计算机远程通信。
2 系统的软件设计
控制器主程序主要完成一些内部模块和寄存器 的设置、存储器资源配置、数值计算及存储功能，其 余时间转入睡眠状态，等待定时器、按键或通信的中 断唤醒。这样 CPU 大部分时间都处于等待模式，功 耗比较低，主程序的流程如图 3 所示。
图 3 主程序流程图 Fig． 3 Flow chart of the main program
系统的控制原理如图 4 所示。模糊控制器的输 入变量是混合煤气压力的偏差 e、偏差变化率 e c，输 出量为 PID 控制器的调节参数 K p、K i 、K d。定义这 些变量 的 模 糊 子 集 ｛ NB，NM ，NS，Z，PS，PM ， PB｝ ，选用不同的量化因子将各变量的物理论域都 转换为整数论域｛ － 6，－ 5，－ 4，－ 3，－ 2，－ 1，0，+ 1，+ 2，+ 3，+ 4，+ 5，+ 6｝ 。隶属度函数选用三角 形隶属度函数，解模糊采用 M amdani 决策算法，模 糊规则根据专家知识和经验确定。
液压缸作为动力机构元件，根据流量连续性方程和
活塞力平衡方程建立动力机构的数学模型。假设油
液温度和体 积 弹 性 模 数 为 常 数，且 内、外 泄 漏 为 层 流，则活塞位移为［18］
( ( )) Y（ s）
=
q A
Ω（
s） s
－
1 A2
C + Vt s 4βe
3 控制方法设计
图 2 控制器硬件组成结构框图 Fig． 2 Block diagram of the controller hardw are
主控制器采用 PIC16F877A，是一款采用 CM OS FLASH / EEPROM 技术的 8 位单片机，内置有看门
混合煤气管道压力系统是一个扰动剧烈、非线 性强、压力调节滞后较大的系统，难以建立精确的数 学模型。常规的 PID 控制很难达到循环发电工程 的控制要求，采用模糊自适应 PID 控制，不需要被
s2 ω2h
+ 2ζhs ωh
+1
FL（ s） ，
（ 2）
式中，q 为泵的排量； A 为液压缸活塞有效面积； βe
第5 期
许茂林，等： 电液调节阀压力控制系统的研究
129
控对象的精确数学模型，在 PID 控制的基础上，计 算当前系统误差 e 和误差变化率 e c，利用模糊规则 进行模糊推理，从而对 PID 参数在线调整［13-14］。由 于系统在异常情况下，无需利用模糊算法计算，只需 输出最大值以实现快开或快关，故控制器还引入了 Bang-Bang 控制［1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ］。
DDVC （ the direct drive volume control） 电液伺 服系统是交流变频传动技术在液压伺服控制领域中 的最新成果，它以交流伺服电机驱动定量泵，通过改
变伺服电机的转速或转数来改变定量泵的输出流量， 最终控制液压执行元件的输出［6］。与普通的阀控系 统相比，DDVC 电液伺服系统有效地避免了伺服阀的 节流损耗和溢流、卸荷损耗，所以更加高效节能［7-8］。
文献标志码： A
Research on a pressure control system in an electro-hydraulic control valve
XU M ao-lin1 ，WANG Yong1 ，XIONG Jun2
（ 1． School of M echanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China； 2． Zhongxing Telecom Equipment Corporation，Shenzhen 518057，China）
正（ 反） 转，改变调节阀的阀门开度，从而达到对被控流体的压力进行调节的目的。MABLAB 仿真结果表明，采用
模糊自适应 PID 时系统超调量为 4. 7% ，调节时间为 6. 2 s，该系统具有较好的动态特性。
关键词： PIC 单片机； 电液调节阀； 伺服系统； 模糊 PID
中图分类号： TP137
调速，永磁交流调速系统的带宽比其他组成环节高
得多，所以交流调速系统可以被简化成一个惯性环 节［17］：
Ω（ s） E（ s）
=
K Tes
v
+
1
，
（ 1）
式中，Ω 为 PM SM 调 速 系 统 的 输 出 角 速 度，E 为
PM SM 的输入电压，Kv 为 PM SM 调速系统的速度 增益，Te 为 PM SM 调速系统的机电时间常数。
0 引言
为减小环境污染，有些钢铁企业已经开始利用 生产过程中产生的焦炉和高炉煤气开发燃气 － 蒸汽 联合循环发电工程［1-3］。工程采用的燃气轮发电机 组对发电煤气的压力控制要求很高。目前各钢厂均 采用大型气动薄膜调节阀对发电煤气进行压力控 制，但由于响应滞后和调节不及时，发电煤气的压力 波动过大，超出了燃机允许的压力范围［4-5］。
128
山 东 大 学 学 报 （ 工 学 版）
第 41 卷
使用的能源分为气动、电动和液动等； 调节机构也就 是调节阀门。采用电液执行机构的调节阀称为电液 调节阀。
电液调节阀采用 DDVC 电液伺服系统，液压缸 执行机构为直线输出，其负载为调节阀门。该系统 的目的是使压力波动较大的煤气通过调节阀后压力 能够相对稳定，原理如图 1 所示。伺服电机带动双 向齿轮泵正（ 反） 转，经由特定的液压回路，驱动液 压缸活塞往复运动，活塞杆带动阀门阀杆和阀芯移 动，增（ 减） 阀门开口度。活塞杆另一端安装位置传 感器，检测活塞的移动距离，将结果反馈至控制器， 移动距离反应了调节阀的开口度。另在调节阀出口 管道上安装压力传感器，将测得的结果反馈至控制 器。控制器比较人工设定的压力与反馈值，计算得 到电机所需转向和转数，改变阀的开度，实现压力调 节。另外，系统还提供手动控制功能，由蓄能器和三 位四通换向阀来实现阀门的快开或快关［9-10］。
第 41 卷 第 5 期 Vol． 41 No． 5
山 东 大 学 学 报 （ 工 学 版） JOURNAL OF SHANDONG UNIVERSITY （ ENGINEERING SCIENCE）
文章编号： 1672-3961（ 2011） 05-0127-05
2011 年 10 月 Oct． 2011
图 4 系统模糊 PID 控制器结构图 Fig． 4 Block diagram of fuzzy PID controller
4 系统建模与仿真
4. 1 数学模型的建立 电液调节阀数学模型由以下几部分组成［16］：
（ 1） 交流调速系统。本系统采用永磁交流同步
电机（ permanent magnet synchronous moter，PM SM ）
本研究开发了一种由 DDVC 电液伺服系统驱 动的调节阀以取代目前钢厂循环发电工程中采用的 气动薄膜调节阀，并研究其压力控制系统。
1 系统组成和硬件设计
1. 1 系统组成及原理 调节阀由执行机构和调节机构组成。执行机构
将 控制器输出信号装换为直线位移或角位移，按所
收稿日期： 2011-01-19 基金项目： 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） 资助项目（ 2008AA04Z130） 作者简介： 许茂林（ 1987 － ） ，男，安徽六安人，硕士研究生，主要研究方向为液压与智能控制． E-mail： allourest@ gmail． com
狗和 A / D 转换功能。时钟电路、直流稳压输入和复 位电路为单片机基本电路扩展部分，选用芯片手册 上典型电路即可。键盘输入模块用来设置参数，通 过优先权编码器 SN74LS148 与 M CU 连接进行扩 展，8 个按键通过外部中断实现不同功能： 复位、暂 停、目标值加减、控制策略选择和自动 / 手动切换等。 数据采集模块用来采集反馈信息，传感器采集的电 压和位移信号为 4 ～ 20 mA 的电流信号，通过 250 Ω 的高敏电阻将其转化为 1 ～ 5 V 的电压值，然后在 MCU 中进行 A /D 转换后再进行运算处理。液晶模 块选用 OCM J5X10B，显示阀门开度、压力、流量、控 制策略以及设定值等信息。伺服电机脉冲控制模块 用于控制伺服电机转动，本文执行机构是由松下公 司生产的 M INAS A4 系列数字交流伺服电机，选择 其位置控制模式，需要差分专用电路输入作为指令 脉冲。该电路先由 MCU 产生可以调节周期和占空 比的 PWM 信号，用 2 个 4N25 光电耦合器隔离，防 止信号输 出 对 输 入 的 干 扰，再 采 用 标 准 转 换 器 件 SN75174 将 PWM 信号和方向信号转换为可以驱动 伺服电机的差分信号，最终控制伺服电机转动的转 速和转数［11］。换 向 阀 用 信 号 在 手 动 控 制 模 式 下 使 用，提供 24V 的高电平作用于换向阀，实现调节阀 的快开（ 快关） ，通过三极管放大以及继电器切换实 现。报警电路用于异常情况，如在检测到煤气浓度 达到爆炸值时，由蜂鸣器报警，并关闭阀门。通信模 块用于 系 统 与 上 位 机 通 信，控 制 器 配 置 了 一 个 RS485 串行通讯接口，选用 M AX485 为通讯接口芯 片［12］。
图 1 电液调节阀控制系统框图 Fig． 1 Block diagram of the electro-hydraulic control valve
1. 2 控制器的硬件设计 控制器是控制系统的核心，硬件组成如图 2 所
示，包括两大部分： 一是单片机基本系统及其扩展部 分； 二是功能模块设计，如数据采集模块、液晶显示 模块、伺服电机脉冲控制模块、通信模块等。
电液调节阀压力控制系统的研究
许茂林1 ，王勇1 ，熊俊2
（ 1． 山东大学机械工程学院，山东 济南 250061； 2． 中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057）
摘要： 设计了以 PIC16F877 单片机为控制核心的电液调节阀稳压控制系统。提出了直驱式容积控制电液伺服系统
的方案，控制器采用模糊自适应 PID（ proportion integration differentiation） 控制算法，通过控制伺服电机的启（ 停） 和
Abstract： A pressure control system in an electro-hydraulic control valve based on PIC16F877 w as designed． Then the direct drive volume control （ DDVC ） electro-hydraulic servo system w as presented and fuzzy self-adaptive PID algorithm w as adopted in the controller． The opening of the control valve w as adjusted by performing the start-up / shut-dow n and forw ard / reversal rotation of the servo motor，and therefore the pressure of controlled fluid w as regulated accordingly． The results of simulation in M ATLAB show ed that system overshoot w as 4． 7 percent and system setting time w as 6. 2 seconds w hen it used fuzzy self-adaptive PID，and thus it had excellent dynamic characteristic． Key words： PIC micro control unit （ PIC M CU） ； electro-hydraulic control valve； servo system； fuzzy PID
本系统主要完成如下功能： 参数设定、实时控 制、显示功能、运行状态指示、与计算机远程通信。
2 系统的软件设计
控制器主程序主要完成一些内部模块和寄存器 的设置、存储器资源配置、数值计算及存储功能，其 余时间转入睡眠状态，等待定时器、按键或通信的中 断唤醒。这样 CPU 大部分时间都处于等待模式，功 耗比较低，主程序的流程如图 3 所示。
图 3 主程序流程图 Fig． 3 Flow chart of the main program
系统的控制原理如图 4 所示。模糊控制器的输 入变量是混合煤气压力的偏差 e、偏差变化率 e c，输 出量为 PID 控制器的调节参数 K p、K i 、K d。定义这 些变量 的 模 糊 子 集 ｛ NB，NM ，NS，Z，PS，PM ， PB｝ ，选用不同的量化因子将各变量的物理论域都 转换为整数论域｛ － 6，－ 5，－ 4，－ 3，－ 2，－ 1，0，+ 1，+ 2，+ 3，+ 4，+ 5，+ 6｝ 。隶属度函数选用三角 形隶属度函数，解模糊采用 M amdani 决策算法，模 糊规则根据专家知识和经验确定。