摘要:電液伺服系統(tǒng)是一種采用電液伺服機(jī)構(gòu),根據(jù)液壓傳動原理建立起來的自動控制系統(tǒng)。通過建立電液伺服位置系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，針對雙作用液壓伺服位置控制系統(tǒng)的特點提出一種單神經(jīng)元自適應(yīng)PID智能控制算法，并通過Simulink仿真優(yōu)化控制系統(tǒng)參數(shù)，最后應(yīng)用LABVIEW軟件開發(fā)實時測控軟件，并進(jìn)行油缸實時位置伺服控制實驗。實驗結(jié)果表明電液伺服系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、輸出功率大、控制精確性高等突出優(yōu)點，較好改善了該系統(tǒng)位置控制的性能。

關(guān)鍵詞：電液伺服;Labview;機(jī)器人;Matlab;

1前言

 液壓傳動技術(shù)在各類工程機(jī)械上得到廣泛的應(yīng)用,隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,液壓傳動技術(shù)發(fā)展成為包括傳動、檢測、控制在內(nèi)的完整的自動化技術(shù)。由于電液伺服系統(tǒng)具有比較大的不確定性和干擾,給電液伺服測試系統(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)以及振動試驗臺等。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)實現(xiàn)被控量對給定量的及時和準(zhǔn)確跟蹤，并要具有足夠的控制精度。電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性是衡量一套電液伺服系統(tǒng)設(shè)計及調(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，致使其動態(tài)性能復(fù)雜。因此，電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真受到越來越多的重視。

2液壓系統(tǒng)特性簡述

 隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域與范圍的不斷擴(kuò)大，系統(tǒng)柔性化與各種性能要求更高，采用傳統(tǒng)的以完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)定動作循環(huán)和限于系統(tǒng)靜態(tài)性能的系統(tǒng)設(shè)計遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此，現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計研究人員對系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行研究，了解和掌握液壓系統(tǒng)動態(tài)工作特性與參數(shù)變化，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性、控制精度以及工作可靠性，是非常必要的。

 液壓系統(tǒng)動態(tài)特性是其在失去原來平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)過程中所表現(xiàn)出來的特性，原因主要是由傳動與控制系統(tǒng)的過程變化以及外界干擾引起的。在此過程中，系統(tǒng)各參變量隨時間變化性能的好壞，決定系統(tǒng)動態(tài)特性的優(yōu)劣。系統(tǒng)動態(tài)特性主要表現(xiàn)為穩(wěn)定性（系統(tǒng)中壓力瞬間峰值與波動情況）以及過渡過程品質(zhì)（執(zhí)行、控制機(jī)構(gòu)的響應(yīng)品質(zhì)和響應(yīng)速度）問題。

  液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的研究方法主要有傳遞函數(shù)分析法、模擬仿真法、實驗研究法和數(shù)字仿真法等。數(shù)字仿真法是利用計算機(jī)技術(shù)研究液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的一種方法。先是建立液壓系統(tǒng)動態(tài)過程的數(shù)字模型——狀態(tài)方程，然后在計算機(jī)上求出系統(tǒng)中主要變量在動態(tài)過程的時域解。該方法適用于線性與非線性系統(tǒng)，可以模擬出輸入函數(shù)作用下系統(tǒng)各參變量的變化情況，從而獲得對系統(tǒng)動態(tài)過程直接、全面的了解，使研究人員在設(shè)計階段就可預(yù)測液壓系統(tǒng)動態(tài)性能，以便及時對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗證與改進(jìn)，保證系統(tǒng)的工作性能和可靠性，具有精確、適應(yīng)性強(qiáng)、周期短以及費用低等優(yōu)點。

3系統(tǒng)原理及建模

3.1系統(tǒng)組成及原理

  電液位置伺服控制系統(tǒng)以液體作為動力傳輸和控制介質(zhì)，利用電信號進(jìn)行控制輸入和反饋。只要輸入某一規(guī)律的輸入信號，執(zhí)行元件就能啟動、快速并準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1電液位置伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2電液位置伺服系統(tǒng)建模

 利用典型的工件疲勞實驗機(jī)電液力伺服控制系統(tǒng)模型建立，基于MATLAB/simulink環(huán)境，介紹電液伺服控制系統(tǒng)建模的一般方法。如表1所示的工件疲勞實驗機(jī)電液力伺服控制系統(tǒng)設(shè)計要求和給定參數(shù)，采用雙桿液壓缸對試件進(jìn)行加載，采用力傳感器進(jìn)行檢測反饋，從而構(gòu)成伺服閥控制液壓缸的閉環(huán)電液力控制系統(tǒng)，其原理如圖2所示。

表1工件疲勞實驗機(jī)電液力伺服控制系統(tǒng)設(shè)計要求和給定參數(shù)

圖2工件疲勞實驗機(jī)電液力伺服控制系統(tǒng)原理圖與方框圖

 液壓動力元件參數(shù)應(yīng)能滿足整個系統(tǒng)所要求的動態(tài)特性，還要考慮與負(fù)載參數(shù)的最佳匹配，以保證系統(tǒng)的功耗最小，效率高。按照表1所示的設(shè)計要求，選取與計算動力元件參數(shù)如表2所示。

表2元件的主要參數(shù)

 系統(tǒng)建模一般利用微分和差分方程進(jìn)行，但對典型的電液伺服控制系統(tǒng)可直接引用系統(tǒng)組成元件或環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型建立傳遞函數(shù)。工件疲勞實驗機(jī)電液力伺服控制系統(tǒng)組成元件或環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

伺服放大器傳遞函數(shù)：ΔI(s)/Uc(s)=Ka

電液伺服閥傳遞函數(shù)：KsvGsv(s)=Q0/ΔI=Ksv（視為比例環(huán)節(jié)）

液壓缸與負(fù)載的傳遞函數(shù)：Fg=KpAp(s2/ωm2+1)/(s/ωr+1)(s2/ω02+2*ξ0/ω0s+1)

式中ωm——負(fù)載固有頻率；

ωr——一階慣性環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率；

ω0——二階振蕩環(huán)節(jié)的固有頻率；

ξ0——二階振蕩環(huán)節(jié)的阻尼比。

通過系統(tǒng)給定參數(shù)和查閱伺服閥樣本，計算當(dāng)負(fù)載彈簧Ks=180000N/cm時，傳遞函數(shù)中的主要參數(shù)：放大器增益Ka=40000mA/V，ωr=0.588rad/s，ωm=200rad/s，ω0=674rad/s，ξ0=0.005。再根據(jù)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，建立系統(tǒng)simulink動態(tài)模型如圖3所示。

圖3系統(tǒng)simulink動態(tài)仿真模型

4軟件設(shè)計

  LABVIEW在線控制過程：首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)是位移傳感器的位移，轉(zhuǎn)換為電壓，送入數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入端AI0，程序中對模擬輸入通道進(jìn)行配置，主要包括配置采樣通道號、最大最小值以及采樣方式(差分、單端)，并輸出采樣波形。接著是PID算法，要設(shè)定P、I、D的參數(shù)和輸出的上下限，然后是模擬量的輸出，程序中對模擬量輸出通道配置，輸出口配置為AO0口，并配置輸出的最大最小值。經(jīng)過程序運算后得到的數(shù)值送給伺服放大器的輸入端，驅(qū)動伺服閥，使液壓缸前進(jìn)或后退，完成對電液伺服系統(tǒng)的位置控制。

 數(shù)據(jù)采集時，前面板上配置有物理通道、模擬量輸入的最大、最小值，配置方式為單端，并畫出數(shù)據(jù)采集的實時波形曲線。本實驗中實時數(shù)據(jù)采集的對象是位移傳感器的反饋值，這個值送入N1-6008數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入端。采集系統(tǒng)子程序如圖4所示。

圖4數(shù)據(jù)采集子程序框圖

5結(jié)論

（1）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)。

（2）從上面可以看出利用MATLAB/Simulink仿真提供的系統(tǒng)的可靠性驗證，準(zhǔn)確的模擬了實際系統(tǒng)的工作狀態(tài)，必將在電液伺服控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。LABVIEW可視化編程使得系統(tǒng)更加簡單操作方便。