电液位置伺服控制系统

电液位置伺服控制系统

摘要：采用电液比例方向阀，设计了电液位置伺服控制系统，以LABVIEW和MATLAB混合编程实现系统的实时控制功能，以个人计算机为数字控制器，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。

关键词：LABVIEW,MATLAB,位置控制，PID算法

0前言

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[1]。

本文以比例方向阀实现对伺服油缸的位置控制，加入位移传感器构成位置闭环控制系统。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，以LABVIEW和MATLAB混合编程实现了良好的实时控制功能。

1系统原理及建模

1.1系统组成及原理

电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质，利用电信号进行控制输入和反馈。只要输入某一规律的输入信号，执行元件就能启动、快速并准确地复现输入量的变化规律。控制系统结构图如图1所示：

图1电液位置伺服控制系统结构图

1.2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3.0×10-3m 2

。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％。

1.2.1 阀控伺服缸建模

（1） 比例阀线性化流量方程[2] Q L = K q xv − K c p L （1）

式中K q ——比例阀流量增益；K c ——比例阀流量－压力系数；p L ——负载压力；xv ——比例阀阀芯位移。

（2） 伺服油缸流量连续性方程

4t L p p tp L L e

V Q A x s C p p s β=⋅++⋅ （2） A p ——液压缸活塞的有效面积；x p ——活塞的位移；C tp --总泄漏系数；V t ——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

22p p p L t p L p L d x dx A p M B K x F dt dt =+++ （3）

Mt ——活塞以及与活塞相联的负载折算到活塞上的总质量；B p ——活塞和负载的粘性阻尼系数；K L ——负载的弹簧刚度；F L ——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

222/2(1)(1)

p

p L ec p

h L ec h h x A K K A Q s s s K K ξωω=

+++ （4） 1.2.2 伺服比例阀建模

222(1)q h v v

K Q s I s ξωω∆=∆++ （5） 1.2.3 传感器传递函数（视为比例环节）

5/25/0.2

m p u K V m V m x ∆===∆ （6） 1.2.4 比例放大器增益

0.25a I K u

∆==∆ （7） 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：

2

2222/()22(1)(1)(1)a m q p L ec p

v h L ec v v h h

K K K A K K G s A s s s s s K K ξξωωωω=

+++++ =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⨯+⎪⎭⎫ ⎝⎛+112752.021********.02408157.34002222s s s s s

2 基于PID 控制的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。在Simulink 下的仿真图如图所示：

图3 PID 控制的仿真图

3 基于LABVIEW的实时控制软件

LABVIEW在线控制过程：首先进行数据采集，采集的数据是位移传感器的位移，转换为电压，送入数据采集卡的模拟量输入端AI0，程序中对模拟输入通道进行配置，主要包括配置采样通道号、最大最小值以及采样方式(差分、单端)，并输出采样波形。接着是PID算法，要设定P、I、D的参数和输出的上下限，然后是模拟量的输出，程序中对模拟量输出通道配置，输出口配置为AO0口，并配置输出的最大最小值。经过程序运算后得到的数值送给伺服放大器的输入端，驱动伺服阀，使液压缸前进或后退，完成对电液伺服系统的位置控制[3]。数据采集系统流程图如图4所示。

图4 采集系统流程图

数据采集时，前面板上配置有物理通道、模拟量输入的最大、最小值，配置方式为单端，并画出数据采集的实时波形曲线。本实验中实时数据采集的对象是位移传感器的反馈值，这个值送入N1-6008数据采集卡的模拟量输入端。采集系统子程序如图5所示。