摘要

采用電液比例方向閥，設(shè)計(jì)了電液位置伺服控制系統(tǒng)，以LABVIEW和MATLAB混合編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制功能，以個(gè)人計(jì)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(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。

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(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。

本文以比例方向閥實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàng)功能，以LABVIEW和MATLAB混合編程實(shí)現(xiàn)了良好的實(shí)時(shí)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(dòng)力傳輸和控制介質(zhì)，利用電信號(hào)進(jìn)行控制輸入和反饋。只要輸入某一規(guī)律的輸入信號(hào)，執(zhí)行元件就能啟動(dòng)、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(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％。

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(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。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(shí)時(shí)控制軟件

LABVIEW在線控制過(guò)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(duì)模擬輸入通道進(jìn)行配置，主要包括配置采樣通道號(hào)、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(duì)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(guò)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(dòng)伺服閥，使液壓缸前進(jìn)或后退，完成對(duì)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(shí)，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(shí)時(shí)波形曲線。本實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的對(duì)象是位移傳感器的反饋值，這個(gè)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(yàn)證，準(zhǔn)確的模擬了實(shí)際系統(tǒng)的工作狀態(tài)。LABVIEW可視化編程使得系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單操作方便。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)。

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