基于PID算法的电液伺服阀速度控制系统的研究

浅析基于PID算法的电液伺服阀速度控制系统的研究摘要：本文主要是结合液压传动技术和自动控制技术，设计一种基于pid算法的电液伺服阀速度控制器。

液压系统在机械传动方面有着十分重要的应用，尤其是其具有传动过程中工作稳定、传递功率负荷大、传动能量方向灵活可控、调节控制方便等等优势，非常适合在机械制造、工程机械、大型交通工具等场合应用。

关键词：plc；控制系统；pid；
电液伺服系统是液压自动控制领域中的一门重要研究技术，由于其具有良好、快速、高精度的控制效果和能量，该技术其应用面非常广泛。

近年来，随着计算机技术的迅猛发展和在自动控制领域的应用，如何将计算机控制技术应用于液压伺服控制已经成为人们研究的重点和热点。

本文主要讲的是如何设计出一种基于pid算法的电液伺服速度控制系统。

1、系统工作原理及参数
电液伺服阀速度控制系统是通过电液伺服阀控制两柱压力机匀速上升或下降的高精度控制系统，由电气控制部分和液压驱动部分组成。

系统工作原理如下：当上位计算机实现上升或下行功能时，对控制器发出下行指令，控制器根据位置传感器及速度反馈回路的信号输出相应的控制信号，经伺服阀放大器驱动电液伺服阀输出相应流量，在电机、液压回路系统等相关执行机构作用下，两柱压力机油缸匀速上升或下降；系统的控制核心为由控制器、电液伺服阀、
反馈回路构成的闭环控制系统。

1.1 伺服阀
电液伺服阀速度控制系统的核心元件是伺服阀，系统中采用的伺服阀是中船重工上海704所生产的csdy1/2型伺服阀。

csdy1csdy2电液伺服阀结构牢固、分辨率极高、控制精度高适用于各领域的高精度电液伺服系统。

如：造船工业、航天工业、航空工业、重工业、轻、纺工业，以及农业机械液压伺服系统。

csdy1csdy2电液伺服阀工作时，高压油ps一路通过滤油器进入射流管喷嘴，另一路进入阀芯和阀套组成的通路。

当无信号电流时，阀处于零位，无流量输出。

当有控制信号电流输入时，使射流管喷嘴偏转（设顺时针），接受器左腔压力上升，右腔压力下降，阀芯在压差作用下右移，其油路ps-a-1负载-2-c-p。

阀芯右移时，反馈力矩反馈到射流管组件，使接受器两腔差趋于零，阀芯有一微小位移，输出稳定流量。

若控制信号电流反向，伺服阀则输出反向流量。

1.2 伺服放大器
svc系列伺服放大器为电液伺服阀的驱动、控制专用控制器。

该系列放大器能对射流管伺服阀、喷档伺服阀及国外各种电液伺服阀进行高精度控制，通过采用各种液压设备和测量传感器构成对位置、速度、加速度、压力等物理量进行控制的电液伺服系统，如：阀控油缸、阀控马达、阀控泵等。

svc系列伺服放大器具有稳定可靠、灵活方便、线路独特、电流输出直观、维修方便等特点。

2、 pid控制器的设计
pid控制器是由西门子s7-300plc实现的。

西门子s7-300plc是一种模块式的中型plc。

它具有指令丰富，功能强大，可靠性高，结构紧凑，便于扩展，性能价格比高等特点。

特别地，它提供专门用于pid控制的系统功能块和硬件模块，尤其适合具有高精度高稳定性需求的pid控制器的设计。

2.1 pid算法
在闭环控制系统中广泛应用pid控制（即比例-积分-微分控制）。

当给定速度信号与反馈的当前速度信号不相等，即两信号的偏差
不为0时，pid控制调节回路输出，让当前速度向给定速度变化，使偏差趋近于0。

若设给定速度值为，当前速度值为，则有： (1)
设回路的输出变量为，则有：
(2)
其中： ---------pid回路的输出，是时间函数；
--------------pid回路的增益；
--------------积分项的系数；
----------------pid回路的偏差；
--------------微分项的系数；
-------------pid回路输出的初始值
对上式进行离散化以后，得到下式：
(3)
式中： ---------第n采样时刻pid回路的输出的计算值；
--------------pid回路的增益；
--------------积分项的系数；
----------------第n采样时刻pid回路的偏差；
----------------第n-1采样时刻pid回路的偏差；
--------------微分项的系数；
-------------pid回路输出的初始值
上式中，积分项是包括从第1个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。

计算中，没有必要保留所有采样周期的误差项。

只需要保留积分项前值即可。

即：
(4)
式中： ---------积分项前值（在n-1采样时刻的积分项）；
--------------第n采样时刻的比例项；
--------------第n采样时刻的积分项；
----------------第n采样时刻的微分项；
2.2 pid算法调用指令
西门子s7-300系列plc提供专门的用于pid控制的算法模块与硬件单元。

设计pid控制器时，调用其专用的pid算法模块，给出传递给模块的相关参数值，即可进行pid运算，编程极其简便。

调用pid算法模块时，有两个操作数：tbl和loop，其中tbl 是参数表在plc内存中存储的起始地址，操作数限用vb区域（byte 型）；loop是算法模块的标号，可以是0到7的整数（byte型），
即在程序中最多可以调用8次该算法模块。

2.3 控制方式
pid控制器执行pid算法模块时为“自动”运行方式，不执行pid算法模块时为“手动”方式。

pid模块调用指令有一个允许输入端（en），当该输入商检测到一个正跳变（从0到1）信号，pid 回路就从手动方式无扰动切换到自动方式。

无扰动切换时，系统把手动方式的当前输出值填入参数表中的栏，用来初始化输出值，且进行一系列的操作，对参数表中的值进行组态：
置给定值 =过程变量当前值
置过程变量前值 =过程变量当前值
置积分项前值 =输出值
3、总结
本文设计的基于pid算法的电液伺服阀速度控制系统在某厂《飞机起落架静压测试试验台》上完成实特设计并实践应用。

《飞机起落架静压测试试验台》控制系统已设计安装完成，并于当年12月投入试运行。

测试结果和试运行情况表明，本系统设计合理，方案得当，所选器件安全可靠，系统具有很好的可靠性、先进性、易用性和开放性。

参考文献
【1】李虹，赵元金，马明. 电液位置伺服系统的混合灵敏度控制研究[j]. 自动化仪表， 2011（9）： 27-29
【2】杨海锋，罗景，李术. 基于am esin和simulink的气
动位置伺服系统pid控制[j]. 流体传动与控制， 2010（4）： 47-49 【3】王林. 近代电气液压伺服控制[m]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2009。