摘要

   采用電液比例方向閥，設(shè)計了電液位置伺服控制系統(tǒng)，以LABVIEW和MATLAB混合編程實現(xiàn)系統(tǒng)的實時控制功能，以個人計算機(jī)為數(shù)字控制器，采用NI公司數(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。

前言

   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。

   本文以比例方向閥實現(xiàn)對伺服油缸的位置控制，加入位移傳感器構(gòu)成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。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)輸出控制等多項功能，以LABVIEW和MATLAB混合編程實現(xiàn)了良好的實時控制功能。

1、電液伺服系統(tǒng)原理及建模

1.1電液伺服系統(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?？刂葡到y(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

1.2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％。

1.2.1閥控伺服缸建模

（1）比例閥線性化流量方程

   QL=Kqxv−KcpL（1）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

2、基于PID控制的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)計法和實驗確定法。通過大量的實驗，選擇PID參數(shù)分別為：Kp=1.1，Ki=0.2，Kd=0.01。在Simulink下的仿真圖如圖所示：

圖3 PID控制的仿真圖

3、基于LABVIEW的實時控制軟件

   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(yùn)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)采集系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 采集系統(tǒng)流程圖

   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5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集子程序框圖

4、結(jié)論

    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)。LABVIEW可視化編程使得系統(tǒng)更加簡單操作方便。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)。