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關(guān)鍵詞：
PID控制器
電液伺服控制系統(tǒng)
電液伺服
MATLAB
PID算法
- 摘要：?本文設(shè)計(jì)一種基于虛擬儀器的電液伺服控制系統(tǒng),采用了電液比例方向閥，設(shè)計(jì)了電液位置伺服控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PID控制器和MATLAB實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)智能控制功能，實(shí)現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng)的自動(dòng)化，采用NI公司的USB-6008數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出控制等多項(xiàng)功能。針對(duì)電液比例位置控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，建立數(shù)學(xué)模型。對(duì)于系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，采用PID控制算法對(duì)其進(jìn)行校正，提高了系統(tǒng)的精度及響應(yīng)速度。
目前，在工業(yè)、國(guó)防等自動(dòng)化領(lǐng)域，液壓伺服系統(tǒng)以其重量輕、體積小、力矩大等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。但由于漏油、油液污染等因素影響，液壓伺服系統(tǒng)中普遍存在參數(shù)時(shí)變、非線性，尤其是閥控動(dòng)力機(jī)構(gòu)流量非線性等現(xiàn)象。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液壓傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展成為包括傳動(dòng)、檢查、控制在內(nèi)的完整的自動(dòng)化技術(shù)。由于電液伺服系統(tǒng)具有比較大的不確定性和干擾，給電液伺服系統(tǒng)提出了很高的要求。
電液位置伺服系統(tǒng)是最基本和最常用的一種液壓伺服系統(tǒng)，如機(jī)床工作臺(tái)的位置、板帶軋機(jī)的板厚、帶材跑偏控制、飛機(jī)和船舶的舵機(jī)控制、雷達(dá)和火炮控制系統(tǒng)以及振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)等。在其它物理量的控制系統(tǒng)中，如速度控制和力控制等系統(tǒng)中，也常有位置控制小回路作為大回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)
電液位置伺服系統(tǒng)主要是用于解決位置跟隨的控制問(wèn)題，其根本任務(wù)就是通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被控量對(duì)給定量的及時(shí)和準(zhǔn)確跟蹤，并要具有足夠的控制精度。電液伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是衡量一套電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試水平的重要指標(biāo)。它由電信號(hào)處理裝置和若干液壓元件組成，元件的動(dòng)態(tài)性能相互影響，相互制約及系統(tǒng)本身所包含的非線性，致使其動(dòng)態(tài)性能復(fù)雜。因此，電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真受到越來(lái)越多的重視。
一、液壓伺服系統(tǒng)
液壓伺服系統(tǒng)以其響應(yīng)速度快、負(fù)載剛度大、控制功率大等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。
電液伺服系統(tǒng)通過(guò)使用電液伺服閥，將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為大功率的液壓動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)了一些重型機(jī)械設(shè)備的伺服控制。液壓伺服系統(tǒng)是使系統(tǒng)的輸出量，如位移、速度或力等，能自動(dòng)地、快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時(shí)，輸出功率被大幅度地放大。
液壓位置伺服系統(tǒng)主要由放大器、伺服比例閥、伺服油缸已經(jīng)位置傳感器等組成。如圖1所示。
圖1液壓位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
二、電液位置伺服系統(tǒng)建模
本系統(tǒng)的電液比例方向閥為BFW-03-3C2-95-50，通徑為10mm，最高工作壓力31.5MPa，最大流量50l/min。液壓缸活塞的行程為20mm，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2349-80活塞桿活塞系列，知內(nèi)徑D為63mm，有效工作面積3.0×10-3m2。位移傳感器選擇為WDL200的直滑式導(dǎo)電塑料電位器，其性能參數(shù)為：0—5V輸出，測(cè)量范圍O--200mm；分辨率0.Olmm；線性度0.2％。
2.1閥控伺服缸建模
（1）比例閥線性化流量方程
式中Kq——比例閥流量增益；Kc——比例閥流量－壓力系數(shù)；pL——負(fù)載壓力；xv——比例閥閥芯位移。
（2）伺服油缸流量連續(xù)性方程
Ap——液壓缸活塞的有效面積；xp——活塞的位移；Ctp--總泄漏系數(shù)；Vt——液壓缸進(jìn)油腔的容積；βe——系統(tǒng)的有效體積彈性模量。
（3）液壓缸和負(fù)載力平衡方程
Mt——活塞以及與活塞相聯(lián)的負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量；Bp——活塞和負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)；KL——負(fù)載的彈簧剛度；FL——作用在活塞上的外負(fù)載力。
綜上所述，閥控缸的數(shù)學(xué)模型為：
對(duì)上式的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，不考慮干擾油缸負(fù)載傳遞函數(shù)為
3.2伺服比例閥建模
3.3傳感器傳遞函數(shù)（視為比例環(huán)節(jié)）
3.4比例放大器增益
綜上，不考慮負(fù)載干擾情況下系統(tǒng)方塊圖為:
圖2位置系統(tǒng)方框圖
系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：
三、MATLAB仿真
常規(guī)PID控制器的調(diào)節(jié)性能取決于參數(shù)Kp，Ki，Kd的整定情況，參數(shù)整定的好，則控制效果就好，否則相反。參數(shù)的整定通常有兩種可用的方法：理論設(shè)計(jì)法和實(shí)驗(yàn)確定法。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，選擇PID參數(shù)分別為：Kp=1.1，Ki=0.2，Kd=0.01。Simulink模糊PID伺服系統(tǒng)仿真模型如圖3所示，在Simulink下的仿真圖如圖4所示：
圖3 Simulink模糊PID伺服系統(tǒng)仿真模型
仿真結(jié)果顯示，設(shè)定參數(shù)相同的情況下，加入PID控制器實(shí)時(shí)修正PID參數(shù)，可以更好的控制被控對(duì)象。PID參數(shù)一旦固定，在時(shí)變情況下的適用性受到很大制約，通過(guò)在線自調(diào)整參數(shù)，使控制性能一直保持在最優(yōu)狀態(tài)下，有更好的控制精度和魯棒性。
四、結(jié)論
建模過(guò)程與仿真結(jié)果表明，對(duì)系統(tǒng)建立正確的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析仿真，分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，可以有效地預(yù)見系統(tǒng)的輸出，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)的了解，提高了設(shè)計(jì)和分析系統(tǒng)的效率，為進(jìn)一步控制系統(tǒng)，提高響應(yīng)速度和控制精度奠定了一定的基礎(chǔ)。利用MATLAB/Simulink仿真提供的系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證，準(zhǔn)確的模擬了實(shí)際系統(tǒng)的工作狀態(tài)，此系統(tǒng)將在電液伺服控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
