电液力伺服控制系统的研究 电液力伺服控制系统的研究 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＯＲ ＥｌｅｃｔｒＯ—ｈｙｄｒａｕ“ｃ Ｆｏｒｃｅ Ｓｅｒｖｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ 李玉吉 曹旭妍（陕西国防工业职业技术学院汽车工程学院，陕西西安７１０３００） 摘要：电液力伺服系统是典型的非线性系统，传统简单的控制算法不能满足系统的要求。针对伺服阀的特性以及系统 的控制要求，基于ＬａｂＶＩＥＷ平台，设计出积分分离式非线性ＰＩＤ控制器，并进行了实际的实验验证。实验结果表明，积分分 离式非线性ＰＩＤ控制器能让系统满足快准稳的要求，并能消除偏差且不产生积分饱和，满足系统要求。 关键词：力伺服控制，ＬａｂＶｌＥＷ，积积分分离式非线性ＰＩＤ控制 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂａｓｉｎｇｓ ｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＬａｂＶｌ ＥＷ， ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｏｒｃｅ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｔｈｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｏｆ ｆａｓｔ ｑｕａｓｉ ａｎｄ ｓｔｅａｄｙ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｎｏｔ ｐｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｏｒｃｅ ｓｅｗｏ ｃｏｎｔｒｏｌ，ＬａｂＶｌＥＷ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ 伺服阀具有死区等特点，液压伺服控制系统具有非线性等 缺陷，传统的控制方法虽然在控制精度和稳定性上虽有所提高， 但控制效果并不能满足要求，并且成本较高。而且，目前对控制 比例增 益参数 ｋ。＝４ ｋ ：５ ｋ。＝７ 表１各参数变化列表 上升 时间 绝对 相对 误差 误差 超调量 无 ６ ２５％ ２３％ 算法的验证大多是用Ｍａｔｌａｂ软件进行仿真验证，这样的仿真结 果与实际系统的系统存在较大差异。本文针对传统控制算法的 弊端以及伺服系统的特性，以ＬａｂＶｌＥＷ软件为开发平台，设计 出积分分离式非线性ＰｌＤ控制器，加上数据采集系统，对力伺服 控制系统进行控制，该算法能解决传统算法存在的快速性以及 超调量间的矛盾，并能消除积分饱和现象，更适合工程应用。 １ 系统组成 １０、ｌ１ｓ １ ０９ｋｇ ６ ３％ ６ｓ ４—５ｓ ０．７９ｋｇ ５．５％ ０ ５３ｋｇ ５．２％ ｋｎ＝１０ ４４％ ２、３ｓ ０．４５ｋｇ ４ １％ 对线性ＰＩＤ控制器的实验结果进行分析，存在以下问题： １）根据表１中各参数变化规律发现，超调量随着ｋ。的增大 而不断增大，ｋ。越４，ＰＪ系统的上升时间又会相应增加。因此系统 的快速性与超调量之间存在矛盾。 ２）图２中的输出力变化曲线，都是在ｋｉ＝０的情况下来进行 实验取得的。随着比例增益的不断增大，相对误差在不断减小， 但是最小的相对误差也有４．１％左右，不能满足一般系统的要 对实验室现有液压试验台进行改进，改装液压伺服阀试验 系统，对２３０２型液压伺服阀进行单独控制。该系统主要由ＰＣ 机、液压缸、液压伺服阀、力传感器、数据采集卡等组成，系统总 体框图如图１所示…。 求。通常状况下消除稳态误差的方法是加入积分环节，但是给该 伺服系统添加积分环节后，系统的误差不但不减小，反而使控制 效果变得更差，加上积分环节会有积分累积，使系统产生震荡以 及积分饱和现象。 ３积分分离式非线性ＰＩＤ控制器的设计 图１ 电液力伺服控制系统总体框图 ３．１控制器设计思想 ２线性ＰｌＤ控制器设计及结果研究 本文根据上述常规Ｐ ＪＤ控制器在实际应用中存在的问题进 行分析，并经过反复实验，设计出积分分离式非线性ＰＩＤ控制 器，该控制器既能解决快速性与超调性之间的矛盾，又解决了积 分饱和现象。 为消除系统静差、提高精度，一般的控制系统中都会引入积 基于ＬａｂＶｌＥＷ２０１０软件设计线性ＰＩＤ控制器，控制器的 三个参数通过多次实验修改，在电液力伺服阀试验台上进行实 验，给系统输入０－１５ｋｇ的阶跃信号，随着比例增益参数的不断 变化，系统的输入输出力变化曲线如图２所示，系统超调量及上 升时间等参数变化如表１所示。 Ｆ（ｋｇ／ 分环节ｌ２］。本文的输入力为阶跃信号，而且系统会发生突然的启 动和停止，因此会出现骤增骤减，所以在短时间内系统的输入力 与输出力的差值会很大，并且积分环节对过去的偏差具有记忆 ０ 作用，这样系统的超调量会突然增大，使输出力突增而发生危险 事故。本文所设计的积分分离ＰＩＤ加非线性控制算法，可根据误 差的大小，使控制算法根据阈值的变化自动切换于非线性Ｐｌ和 线性ＰＩＤ控制算法之间。这样既减小了系统的误差又避免了系 ｚ５ ７口 ５ 统产生大的超调量，提高控制性能＿３］。该算法实现如下： 口 １）设定一阈值ａ＞０，该阈值是根据力伺控制系统的实际运 图２ 系统输出力随时间变化曲线 行状况还有系统的控制要求所决定的。 《工业控制计算机））２０１６年第２９卷第７期 ４１ ２００３的操作系统，声卡、显卡网卡、ＧＰＩＢ卡以及打印等驱动程 现有的规范设计驱动程序，规范中缺乏的仪表，需要对仪表类接 序，ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ ２００５数据库，ＶＩＳＡ空间、示波器控件、图像显 口进行设计，对驱动程序进行自行设计。在光功率计和光衰减器 示控件等支撑软件，装备仪表校准系统等应用程序。 的驱动设计中，可以按照ｌＶＩ的思想首先初始化光功率计（光衰 系统软件的主要功能是数据管理以及仪表校准，所以为了 减器），通过指定类的获取创建实例。针对光功率计的专用驱动， 便于操作，系统还提供了辅助引导功能，图２给出了具体的系统 首先要设置光功率计的波长驱动，然后对该光功率计进行自动 软件总体框架示意图。 调零驱动，通过判断光功率计是否加平均驱动，最后对现实的光 功率计数据进行读取。光衰减器的专用驱动设计同样也是分四 步进行，首先是设置光衰减器的波长，然后通过衰减值的设置， 把衰减值设置命令写入光衰减器中，第三部是光衰减器衰减值 读取驱动，最后通过衰减器禁止或允许输出的设置，把相应命令 写入光衰减器中。 ３．３系统测试 图２系统软件总体框架 本文选用光纤多用表对基于总线技术设计的仪表自动检测 ２．３系统功能需求分析 系统进行检验。测试的内容主要包括三项：仪表的输出功率测 通过搭建该自动检测系统的硬件和软件平台，主要可以实 试、光功率计示值以及测试光源短期稳定度。在测试前，首先要 现以下功能：首先是仪表校准，设计的仪表自动检测系统具有 通过ＧＰＩＢ主控电缆在安装有ＰＣＩ—ＧＰＩＢ接口卡的主控计算机 １１种校准仪表的能力，同时可以对需要的校准软件功能进行定 上接入光功率计以及光衰减器，然后将主控计算机、待校准仪 制，目前可以支持对４３种常用仪表提供校准服务，仪表校准目 表、光功率计、光衰减器以及光源依次接通电源并准备开机。系 前有三种形式，根据待校准仪表的接１３情况可以有选择的使用 统启动之后，会显示一个启动界面，点击选择其中的仪表校准按 自动、手动或半自动的形式；其次是管理数据的功能，仪表校准 钮，选择相应的仪表类别，点击光功率计选项，双击待校准仪表 的所有数据都在系统的数据库中保存，同时系统还提供七项数 相同的名称，在弹出的对话框中录入待校准仪表的相关信息，完 据管理功能，便于对仪表待校准、已校准、受检率等数据进行分 成后启动校准按钮，会弹出光功率计示值的相应选项，根据提示 析；第三是信息资料的查询，通过相关信息的录入，可以对历史 框现实，盖上待校准仪表的保护盖，进行调零操作，调零后，要进 数据进行查询和导出，利用系统介绍，还可以了解使用帮助，查 行仪表测试连接，并进一步开始测试并获取相关数据。通过以上 看操作细则等；最后是软件维护，该 步骤系统可以针对光功率计示值测试每一个检测点，同时还可 功能主要包括仪表校准维护和系统 以记录每个检测点的测试结果。输出功率以及光源短期稳定度 本身的维护，通过前者可以配置校 都可以类似步骤进行校准，本文就不一一阐述。 准项、标准仪表等信息，通过后者可 ４结束语 以完成信息的录入、数据备份以及 连接仪器提示 仪表计量正在趋向仪表的自动检测方向发展，还需要我们 密码设置等。 付出更多的努力，使仪表自动检测系统更加完善，把所有的仪表 ３自动检测系统软件设计 初始化光功率计 种类都能涵盖在内，不仅要实现仪表的智能化发展，还要在虚拟 ３．１模块设计 技术的支持下，实现仪表自动检测系统的远程诊断和校准。 自动检测模块共包括三个部 Ｉ读取检定点数据 参考文献 分，分别为计示值检测模块、输出检 １ｒ ［１］孙亚匕，陈仁文，周勇，等．测试发展概述［Ｊ］．仪表学报，２００３，２４（５）： 测模块以及计光源算起稳定度检测 ４８０－４８５ 模块。以输出检测模块为例，图３给 设置光功率ｔＩ‘输出 ［２］李行善，左毅，孙杰，等．自动测试系统集成技术［Ｍ］北京：电子工业 出了具体的检测模块设计图，由图 出版社，２００４：１５９—１７６ 可知，首先要显示连接信息，然后初 读取标准光功率计示值 ［３］李泽安，张颖超．应用ＩＶＩ技术建立与硬件无关通用测试程序［Ｊ］．电 始化光功率计，通过检测点数据的 测与仪表，２００３，４０（１）：５１—５３ 读取，输出功率值，然后根据检测点 ［４］李宝华，何玉珠，李建宏，等．一种基于Ｐ×Ｉ／ＧＰ旧混合总线的无人机 触犯的事件对结论进行计算。 ／输出读取示值 ／ 自动检测系统［Ｊ］．计量测试技术，２００６，３３（６）：３０—３４ ３＿２专用驱动设计 ［５］马敏，陈光踽．一种基于以太网的新型平台——Ｌ）（Ｉ［Ｊ］，电测与仪表， 对于仪表，使用ｌＶＪ驱动器进 ２００６，４３（４８１）：５７－５９ 行分类，同类的可以使用同样的驱 ［６］倪浩然．从ＧＰＩＢ到ＰＸＩ——量测技术发展简史［Ｊ】．电子产品世界， 动器。软件中的ｌＶｌ驱动程序参照 图３输出检测模块设计图 ２００２，１５（５Ａ）：２—５ ［收稿日期：２０１６．３．２４］ （上接第３９页） 真［Ｊ］．轻工机械，２０１０，２８（４）：７３—７５ ４结束语 ［２］王纪森，胡峰波．基于ＡＭＥＳｉｍ电液力伺服系统动态仿真研究［Ｊ］．液 积分分离式非线性ＰＩＤ控制算法能够有效解决传统线性 压气动与密封，２０１ １（４）：２５—２８ ＰＩＤ中响应速度与超调量之间的矛盾，使系统既能达到响应快、 ［３］王纪森，胡峰波，任永平．一种新型非线性ＰＩＤ控制器及其参数设计 高稳定性及高抗干扰性，又无超调现象。 ［Ｊ］．控制理论与应用，２Ｏ０９（４）：４３９—４４２ 参考文献 ［收稿日期：２０１６．３．２１１ ［１］陈利斌，姜伟，裘信国．材料疲劳试验机电液力伺服系统的建模与仿
