基于malab的液压式测力机电液伺服控制系统的研究

基于malab的液压式测力机电液伺服控制系统的研究

0温度稳定控制系统液压式测量机是一种基于帕斯卡原理的测量机，通过放大已知质量码头的重力，返回现有的阻力值。为了减小油缸、活塞间的摩擦,测力机的缸塞系统没有机械密封件,油液从缸塞间隙中泄漏。测力机通过较为复杂的液压控制系统,对油液的泄漏及时加以补充。当补油的流量和泄漏量相等时,系统压力稳定,工作端获得稳定的力值。通常以测力活塞浮起20mm的位置作为力值稳定的平衡位置。液压式测力机一般采用测力活塞位移传感器、伺服放大器(控制器)和电液伺服阀等组成的电液伺服控制系统,控制电液伺服阀的开度和流入缸塞系统的流量,保证工作端获得稳定的力值。为了在测力机力级变化过程中对系统压力进行有效控制,本文提出了一种位移、压力双闭环数字伺服控制系统方案,其框图如图1所示。本方案在测力活塞位移闭环的基础上增加了一个压力闭环。在砝码加(卸)过程中,压力闭环起作用,控制系统压力。砝码加(卸)完成后直到最终力值的稳定过程采用位移闭环进行控制。控制器采用基于虚拟仪器技术的工业控制计算机和数据采集卡的系统架构,控制算法为在工程实际中广泛应用的PID算法。1pid的参数特性在自动控制系统中,按给定信号与反馈信号偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制的PID控制器,结构简单,参数易于调整,适应性广,常用于控制那些动态模型不准,参数变化较大的被控对象。PID算式的一般形式为: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为比例增益;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;u(t)为控制器的输出量;e(t)为控制器的输入量,即给定信号与反馈信号的偏差。PID控制器是通过Kp,Ti,Td以上三个参数起作用的,它们取值大小不同,就是比例、积分、微分作用强弱的不同。在图1的基础上,采用中国计量科学研究院5MN基准测力机的参数,建立系统的仿真模型,利用MATLAB对系统进行仿真。通过观察系统的阶跃响应曲线分析这三个参数变化对于系统的影响,为PID参数的整定提供理论依据。由于力值最终的稳定过程是通过位移闭环进行控制的,控制系统的性能(稳定性、超调、波动度、稳态误差等)主要取决于位移闭环。因此下面的仿真分析是对位移闭环进行的。1.1权利稳定性分析当Ti=∞,Td=0,Kp=0.03～0.11(增量为0.02)时,系统的阶跃响应曲线如图2所示。从图中可以看出,随着Kp值的增加,系统的响应速度加快,但稳定性变差(产生振荡)。当Kp≥0.07时,曲线上升阶段产生较大振荡,系统趋于不稳定。由于系统的主导极点离虚轴较近,为使系统稳定,只能采用较小的Kp值。1.2ti对系统的阶跃响应曲线的影响当Kp=0.05,Td=0,Ti=2～32(增量为10)时,系统的阶跃响应曲线如图3所示。从图中可以看出,随着Ti值的增加,系统的超调量减小,响应速度减慢。Ti太小,将会使系统的超调量超过允许值,并最终变得不稳定。积分控制作用能完全消除系统的稳态误差,提高控制精度。1.3系统的阶跃响应曲线当Kp=0.05,Ti=∞,Td=0～0.06(增量为0.02)时,系统的阶跃响应曲线如图4所示。从图中可以看出,当Td值较小时,其变化对系统阶跃响应曲线影响不大(基本上与图4中的曲线1重合)。当Td≥0.04时,曲线上升阶段产生较大振荡,系统趋于不稳定。可见,本系统可以不加微分控制或采用Td较小的微分控制。通过以上分析,得到一组较为理想的PID参数:Kp=0.05;Ti=12.5;Td=0,对应的阶跃响应曲线如图5所示。从图中可以看出,阶跃响应的超调约为5%,调节时间约为15.9秒,能够满足测力机的使用要求(5MN测力机的砝码从一个力级到另一个力级的加卸时间最少为25秒)。2系统压力pid参数的整定过程根据图1所示框图建立的液压式测力机数字伺服控制系统,已在计量院5MN测力机上进行了试验。在进行整个系统试验前的第一步是PID参数的整定,采用工程整定法中的经验试凑法进行。这种方法是通过系统闭环运行,观察其阶跃响应,然后根据仿真所得结论,采用先比例、后积分、再微分的步骤,反复试凑参数,直至达到满意结果。具体整定步骤如下:(1)调比例增益Kp:先不加积分和微分作用(Ti=∞,Td=0),将Kp由小变大,并观察相应的系统响应,直至得到响应速度满足要求,超调小的响应曲线,且稳态误差在允许的范围内。(2)调积分时间常数Ti:为了进一步减小并消除稳态误差,应加入积分作用。因为加入积分作用会使系统稳定性下降,可适当减小Kp的值,以作补偿。将Ti由大变小(积分作用由弱到强),直到稳态误差满足要求。若此时响应曲线波动时间长,振荡过强,可再适当减小Kp。(3)调微分时间常数Td:采用适当的比例增益Kp和积分时间常数Ti,将Td由小变大(微分作用由弱到强),直到获得满意的响应曲线。在整定过程中,通过观察系统响应,还发现一定的规律:(1)由于系统的主导极点离虚轴较近,为了满足稳定条件,PID参数的调节范围被限制得较小。三个参数中,Kp、Ti起主要作用,Td很小时对系统影响不大,当Td逐渐增大后,将引起系统振荡。因此本系统基本上不加微分作用。(2)对不同的被检传感器,在不同的载荷下,系统的参数(如液压固有频率ωh和液压阻尼比ξh)会发生变化,系统的比例、积分、微分参数也要相应地进行调整。(3)由于压力闭环在测力机砝码加(卸)过程中起控制作用,因此压力PID参数的整定应以满足测力机系统压力加(卸)要求(即确保实时力值单调增加或减小)为准。经过整定,得到了适合于5MN测力机电液伺服控制系统的一组PID参数:Kp=0.65～0.75;Ti=(10～25)min;Td=0.001min(位移闭环)Kp=13.3～13.6;Ti=300min;Td=0min(压力闭环)3基于pid的磁压式机电液伺服方案由于在建模过程中对系统作了某些理想化的假设和一定的简化,因此通过仿真得到的PID参数与试验结果有一定出入。但仿真过程中采用的分析方法和得出的结论具有一般性,在PID参数的整定过程中起到了重要作用。这表明,系统的建模和仿真过程是合理的,采用这种仿真研究方法对液压式测力机电液伺服控制系统的分析、设计和校正具有