基于malab的液壓式測(cè)力機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)的研究

基于malab的液壓式測(cè)力機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)的研究

0溫度穩(wěn)定控制系統(tǒng)液壓式測(cè)量機(jī)是一種基于帕斯卡原理的測(cè)量機(jī)，通過放大已知質(zhì)量碼頭的重力，返回現(xiàn)有的阻力值。為了減小油缸、活塞間的摩擦,測(cè)力機(jī)的缸塞系統(tǒng)沒有機(jī)械密封件,油液從缸塞間隙中泄漏。測(cè)力機(jī)通過較為復(fù)雜的液壓控制系統(tǒng),對(duì)油液的泄漏及時(shí)加以補(bǔ)充。當(dāng)補(bǔ)油的流量和泄漏量相等時(shí),系統(tǒng)壓力穩(wěn)定,工作端獲得穩(wěn)定的力值。通常以測(cè)力活塞浮起20mm的位置作為力值穩(wěn)定的平衡位置。液壓式測(cè)力機(jī)一般采用測(cè)力活塞位移傳感器、伺服放大器(控制器)和電液伺服閥等組成的電液伺服控制系統(tǒng),控制電液伺服閥的開度和流入缸塞系統(tǒng)的流量,保證工作端獲得穩(wěn)定的力值。為了在測(cè)力機(jī)力級(jí)變化過程中對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行有效控制,本文提出了一種位移、壓力雙閉環(huán)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)方案,其框圖如圖1所示。本方案在測(cè)力活塞位移閉環(huán)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)壓力閉環(huán)。在砝碼加(卸)過程中,壓力閉環(huán)起作用,控制系統(tǒng)壓力。砝碼加(卸)完成后直到最終力值的穩(wěn)定過程采用位移閉環(huán)進(jìn)行控制。控制器采用基于虛擬儀器技術(shù)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的系統(tǒng)架構(gòu),控制算法為在工程實(shí)際中廣泛應(yīng)用的PID算法。1pid的參數(shù)特性在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,按給定信號(hào)與反饋信號(hào)偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進(jìn)行控制的PID控制器,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,參數(shù)易于調(diào)整,適應(yīng)性廣,常用于控制那些動(dòng)態(tài)模型不準(zhǔn),參數(shù)變化較大的被控對(duì)象。PID算式的一般形式為:u(t)=Kp[e(t)+1Ti∫′0e(t)dt+Tdde(t)dt](1)u(t)=Κp[e(t)+1Τi∫0′e(t)dt+Τdde(t)dt](1)式中,Kp為比例增益;Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù);u(t)為控制器的輸出量;e(t)為控制器的輸入量,即給定信號(hào)與反饋信號(hào)的偏差。PID控制器是通過Kp,Ti,Td以上三個(gè)參數(shù)起作用的,它們?nèi)≈荡笮〔煌?就是比例、積分、微分作用強(qiáng)弱的不同。在圖1的基礎(chǔ)上,采用中國計(jì)量科學(xué)研究院5MN基準(zhǔn)測(cè)力機(jī)的參數(shù),建立系統(tǒng)的仿真模型,利用MATLAB對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。通過觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線分析這三個(gè)參數(shù)變化對(duì)于系統(tǒng)的影響,為PID參數(shù)的整定提供理論依據(jù)。由于力值最終的穩(wěn)定過程是通過位移閉環(huán)進(jìn)行控制的,控制系統(tǒng)的性能(穩(wěn)定性、超調(diào)、波動(dòng)度、穩(wěn)態(tài)誤差等)主要取決于位移閉環(huán)。因此下面的仿真分析是對(duì)位移閉環(huán)進(jìn)行的。1.1權(quán)利穩(wěn)定性分析當(dāng)Ti=∞,Td=0,Kp=0.03～0.11(增量為0.02)時(shí),系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。從圖中可以看出,隨著Kp值的增加,系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快,但穩(wěn)定性變差(產(chǎn)生振蕩)。當(dāng)Kp≥0.07時(shí),曲線上升階段產(chǎn)生較大振蕩,系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定。由于系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)離虛軸較近,為使系統(tǒng)穩(wěn)定,只能采用較小的Kp值。1.2ti對(duì)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線的影響當(dāng)Kp=0.05,Td=0,Ti=2～32(增量為10)時(shí),系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。從圖中可以看出,隨著Ti值的增加,系統(tǒng)的超調(diào)量減小,響應(yīng)速度減慢。Ti太小,將會(huì)使系統(tǒng)的超調(diào)量超過允許值,并最終變得不穩(wěn)定。積分控制作用能完全消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,提高控制精度。1.3系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線當(dāng)Kp=0.05,Ti=∞,Td=0～0.06(增量為0.02)時(shí),系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。從圖中可以看出,當(dāng)Td值較小時(shí),其變化對(duì)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線影響不大(基本上與圖4中的曲線1重合)。當(dāng)Td≥0.04時(shí),曲線上升階段產(chǎn)生較大振蕩,系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定?？梢?本系統(tǒng)可以不加微分控制或采用Td較小的微分控制。通過以上分析,得到一組較為理想的PID參數(shù):Kp=0.05;Ti=12.5;Td=0,對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。從圖中可以看出,階躍響應(yīng)的超調(diào)約為5%,調(diào)節(jié)時(shí)間約為15.9秒,能夠滿足測(cè)力機(jī)的使用要求(5MN測(cè)力機(jī)的砝碼從一個(gè)力級(jí)到另一個(gè)力級(jí)的加卸時(shí)間最少為25秒)。2系統(tǒng)壓力pid參數(shù)的整定過程根據(jù)圖1所示框圖建立的液壓式測(cè)力機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng),已在計(jì)量院5MN測(cè)力機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。在進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)前的第一步是PID參數(shù)的整定,采用工程整定法中的經(jīng)驗(yàn)試湊法進(jìn)行。這種方法是通過系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行,觀察其階躍響應(yīng),然后根據(jù)仿真所得結(jié)論,采用先比例、后積分、再微分的步驟,反復(fù)試湊參數(shù),直至達(dá)到滿意結(jié)果。具體整定步驟如下:(1)調(diào)比例增益Kp:先不加積分和微分作用(Ti=∞,Td=0),將Kp由小變大,并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng),直至得到響應(yīng)速度滿足要求,超調(diào)小的響應(yīng)曲線,且穩(wěn)態(tài)誤差在允許的范圍內(nèi)。(2)調(diào)積分時(shí)間常數(shù)Ti:為了進(jìn)一步減小并消除穩(wěn)態(tài)誤差,應(yīng)加入積分作用。因?yàn)榧尤敕e分作用會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,可適當(dāng)減小Kp的值,以作補(bǔ)償。將Ti由大變小(積分作用由弱到強(qiáng)),直到穩(wěn)態(tài)誤差滿足要求。若此時(shí)響應(yīng)曲線波動(dòng)時(shí)間長,振蕩過強(qiáng),可再適當(dāng)減小Kp。(3)調(diào)微分時(shí)間常數(shù)Td:采用適當(dāng)?shù)谋壤鲆鍷p和積分時(shí)間常數(shù)Ti,將Td由小變大(微分作用由弱到強(qiáng)),直到獲得滿意的響應(yīng)曲線。在整定過程中,通過觀察系統(tǒng)響應(yīng),還發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律:(1)由于系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)離虛軸較近,為了滿足穩(wěn)定條件,PID參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍被限制得較小。三個(gè)參數(shù)中,Kp、Ti起主要作用,Td很小時(shí)對(duì)系統(tǒng)影響不大,當(dāng)Td逐漸增大后,將引起系統(tǒng)振蕩。因此本系統(tǒng)基本上不加微分作用。(2)對(duì)不同的被檢傳感器,在不同的載荷下,系統(tǒng)的參數(shù)(如液壓固有頻率ωh和液壓阻尼比ξh)會(huì)發(fā)生變化,系統(tǒng)的比例、積分、微分參數(shù)也要相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整。(3)由于壓力閉環(huán)在測(cè)力機(jī)砝碼加(卸)過程中起控制作用,因此壓力PID參數(shù)的整定應(yīng)以滿足測(cè)力機(jī)系統(tǒng)壓力加(卸)要求(即確保實(shí)時(shí)力值單調(diào)增加或減小)為準(zhǔn)。經(jīng)過整定,得到了適合于5MN測(cè)力機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)的一組PID參數(shù):Kp=0.65～0.75;Ti=(10～25)min;Td=0.001min(位移閉環(huán))Kp=13.3～13.6;Ti=300min;Td=0min(壓力閉環(huán))3基于pid的磁壓式機(jī)電液伺服方案由于在建模過程中對(duì)系統(tǒng)作了某些理想化的假設(shè)和一定的簡(jiǎn)化,因此通過仿真得到的PID參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果有一定出入。但仿真過程中采用的分析方法和得出的結(jié)論具有一般性,在PID參數(shù)的整定過程中起到了重要作用。這表明,系統(tǒng)的建模和仿真過程是合理的,采用這種仿真研究方法對(duì)液壓式測(cè)力機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和校正具有