時(shí)間:2016-03-14 15:10:14來源:韓紅敏
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。針對電液比例位置控制系統(tǒng)的特點(diǎn),建立數(shù)學(xué)模型。對于系統(tǒng)的不穩(wěn)定性,采用PID控制算法對其進(jìn)行校正,提高了系統(tǒng)的精度及響應(yīng)速度。該系統(tǒng)具有控制精度高、穩(wěn)定性能好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:PID控制器,MATLAB,電液伺服,PID算法
1前言
目前,在工業(yè)、國防等自動(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題,其根本任務(wù)就是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被控量對給定量的及時(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)及仿真受到越來越多的重視。
2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)通過使用電液伺服閥,將小功率的電信號轉(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
3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,測量范圍O--200mm;分辨率0.Olmm;線性度0.2%。
3.1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:
對上式的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡化,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):
4MATLAB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3Simulink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。
5結(jié)論
建模過程與仿真結(jié)果表明,對系統(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。
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