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基于PID控制器的电液伺服控制系统设计

供稿:中国工控网 2016/3/18 13:45:12

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  • 关键词: PID控制器 电液伺服控制系统 电液伺服 MATLAB PID算法
  • 摘要:​本文设计一种基于虚拟仪器的电液伺服控制系统,采用了电液比例方向阀,设计了电液位置伺服控制系统,该系统以PID控制器和MATLAB实现系统的实时智能控制功能,实现了电液伺服系统的自动化,采用NI公司的USB-6008数据采集卡完成数据采集、数据输出控制等多项功能。针对电液比例位置控制系统的特点,建立数学模型。对于系统的不稳定性,采用PID控制算法对其进行校正,提高了系统的精度及响应速度。

目前,在工业、国防等自动化领域,液压伺服系统以其重量轻、体积小、力矩大等优点得到广泛应用。但由于漏油、油液污染等因素影响,液压伺服系统中普遍存在参数时变、非线性,尤其是阀控动力机构流量非线性等现象。随着计算机技术的发展,液压传动技术发展成为包括传动、检查、控制在内的完整的自动化技术。由于电液伺服系统具有比较大的不确定性和干扰,给电液伺服系统提出了很高的要求。

电液位置伺服系统是最基本和最常用的一种液压伺服系统,如机床工作台的位置、板带轧机的板厚、带材跑偏控制、飞机和船舶的舵机控制、雷达和火炮控制系统以及振动试验台等。在其它物理量的控制系统中,如速度控制和力控制等系统中,也常有位置控制小回路作为大回路中的一个环节

电液位置伺服系统主要是用于解决位置跟随的控制问题,其根本任务就是通过执行机构实现被控量对给定量的及时和准确跟踪,并要具有足够的控制精度。电液伺服系统的动态特性是衡量一套电液伺服系统设计及调试水平的重要指标。它由电信号处理装置和若干液压元件组成,元件的动态性能相互影响,相互制约及系统本身所包含的非线性,致使其动态性能复杂。因此,电液伺服控制系统的设计及仿真受到越来越多的重视。


一、液压伺服系统

液压伺服系统以其响应速度快、负载刚度大、控制功率大等独特的优点在工业控制中得到了广泛的应用。

电液伺服系统通过使用电液伺服阀,将小功率的电信号转换为大功率的液压动力,从而实现了一些重型机械设备的伺服控制。液压伺服系统是使系统的输出量,如位移、速度或力等,能自动地、快速而准确地跟随输入量的变化而变化,与此同时,输出功率被大幅度地放大。

液压位置伺服系统主要由放大器、伺服比例阀、伺服油缸已经位置传感器等组成。如图1所示。

图1液压位置伺服系统结构图


二、电液位置伺服系统建模

本系统的电液比例方向阀为BFW-03-3C2-95-50,通径为10mm,最高工作压力31.5MPa,最大流量50l/min。液压缸活塞的行程为20mm,根据国家标准GB2349-80活塞杆活塞系列,知内径D为63mm,有效工作面积3.0×10-3m2。位移传感器选择为WDL200的直滑式导电塑料电位器,其性能参数为:0—5V输出,测量范围O--200mm;分辨率0.Olmm;线性度0.2%。

2.1阀控伺服缸建模

(1)比例阀线性化流量方程

式中Kq——比例阀流量增益;Kc——比例阀流量-压力系数;pL——负载压力;xv——比例阀阀芯位移。

(2)伺服油缸流量连续性方程

Ap——液压缸活塞的有效面积;xp——活塞的位移;Ctp--总泄漏系数;Vt——液压缸进油腔的容积;βe——系统的有效体积弹性模量。

(3)液压缸和负载力平衡方程

Mt——活塞以及与活塞相联的负载折算到活塞上的总质量;Bp——活塞和负载的粘性阻尼系数;KL——负载的弹簧刚度;FL——作用在活塞上的外负载力。

综上所述,阀控缸的数学模型为:

对上式的数学模型进行简化,不考虑干扰油缸负载传递函数为

3.2伺服比例阀建模

3.3传感器传递函数(视为比例环节)

3.4比例放大器增益

综上,不考虑负载干扰情况下系统方块图为:

图2位置系统方框图

系统的开环传递函数:


三、MATLAB仿真

常规PID控制器的调节性能取决于参数Kp,Ki,Kd的整定情况,参数整定的好,则控制效果就好,否则相反。参数的整定通常有两种可用的方法:理论设计法和实验确定法。通过大量的实验,选择PID参数分别为:Kp=1.1,Ki=0.2,Kd=0.01。Simulink模糊PID伺服系统仿真模型如图3所示,在Simulink下的仿真图如图4所示:

图3 Simulink模糊PID伺服系统仿真模型

仿真结果显示,设定参数相同的情况下,加入PID控制器实时修正PID参数,可以更好的控制被控对象。PID参数一旦固定,在时变情况下的适用性受到很大制约,通过在线自调整参数,使控制性能一直保持在最优状态下,有更好的控制精度和鲁棒性。


四、结论

建模过程与仿真结果表明,对系统建立正确的数学模型并进行分析仿真,分析系统的动态特性,可以有效地预见系统的输出,达到对系统工作状态的了解,提高了设计和分析系统的效率,为进一步控制系统,提高响应速度和控制精度奠定了一定的基础。利用MATLAB/Simulink仿真提供的系统的可靠性验证,准确的模拟了实际系统的工作状态,此系统将在电液伺服控制领域得到广泛应用。

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