泵控马达速度控制系统PID控制器设计与仿真

泵控马达速度控制系统 PID 控制器的设计与仿真Design of PID Controller for Pump ControlledMotor Speed Control System 2016 届 电气与电子工程 学院专 业 电气工程及其自动化 学 号 20122629 学生姓名 武云飞 指导教师 郑海青 完成日期 2016 年 6 月 11 日石家庄铁道大学毕业设计摘 要随着科学水平的发展，泵控马达系统越来越多的应用于民用以及军用领域，这是由于泵控马达具有一些其他系统不具备的优点，该系统效率高、转动惯量小同时其响应速度迅速。然而泵控马达系统在实际的生产生活中常常会出现系统负载频繁变化的情况，这种情况会导致系统的输出速度不稳定，严重时可能导致系统的瘫痪。本设计的目的就是为了寻找一个较为适合泵控马达系统的控制系统用以克服外负载以及模型变化对系统产生的影响。通过对泵控马达系统的组成的学习和研究以及对液压回路的工作原理的分析，建立起泵控马达速度控制系统的数学模型，借此来实现对泵控马达速度控制系统的仿真模拟。在该数学模型的基础上，采用PID控制器作为系统的控制环节，分别对传统PID控制器、位置式PID控制器、增量式PID控制器以及抗积分饱和PID控制器进行系统的仿真模拟，通过对系统进行仿真，比较在外负载干扰的情况下马达转速的响应曲线，从而得出哪种PID控制器更适合泵控马达调速系统。经过仿真分析对比，可以看出，抗积分饱和PID控制器较其他三种PID控制器有着更短的调节时间以及平滑的曲线，能更符合系统对于马达转速控制的要求。所以最终选择抗积分饱和PID控制器作为系统的控制环节。关键词：泵控马达；PID 控制器；仿真AbstractWith the development of technology, pump controlled motor system more and more applied in civil and military fields, this is because the pump controlled motor system has some advantages that other systems do not have, this system is highly efficient, low mom -ent of inertia, and fast response. However, pump controlled motor system often appears system load change in actually, the load change can cause the system output speed not stable, severe cases may lead to paralysis of the system. The purpose of this design is to find a suitable control system that can solve to the impact of load changes.Through to the study of pump controlled motor system and the analysis of the hydraulic circuit, we establish the mathematical model of pump controlled motor system, with the system, we can realize the simulation of the pump controlled motor control system. On the basis of the mathematical model, we simulate the traditional PID controller, posi -tional PID controller, incremental PID controller and anti-windup PID controller for respectively. By compare the motor speed response curve which in the case of external load disturbance, which PID controller we can draw is more suitable for pump controlled motor speed control system. Through simulation comparison, we can get that anti-windup PID controller has a more smooth curve and a shorter adjusting time. So we finally choose anti-windup PID controller as the control link of the system.Key words: pump motor control;the PID controller;simulation目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题研究的背景意义 .11.2 PID 控制器简介 .31.3 主要内容 .5第 2 章 泵控马达调速系统模型的建立 .62.1 泵控马达调速系统基本原理 .62.2 时域数学模型 .72.2.1 电-机械转换元件的模型建立 .72.2.2 比例方向控制阀 4WRA6 的模型建立 .82.2.3 变量泵的阀控液压缸模型的建立 .92.2.4 活塞-斜盘倾角环节模型的建立 .112.2.5 建立泵控马达的回路模型 .122.2.6 速度传感器以及比例放大器的模型建立 .142.2.7 建立系统的开环传递函数 .152.3 系统中各环节参数的整定 .172.3.1 求解比例放大器的增益系数 .172.3.2 比例方向控制阀的增益系数 .172.3.3 系统的流量增益系数 .172.3.4 活塞斜盘倾角传递函数 .172.3.5 泵-马达环节的参数整定 .182.4 对系统稳定性的检测 .192.4.1 控制系统的基本要求 .192.4.2 系统稳定性检测 .192.5 本章小结 .20第 3 章 泵控马达 PID 控制器设计与仿真 .213.1 PID 控制器的基本原理 .213.2 四种 PID 控制器简介 .213.2.1 位置式 PID 控制算法 .213.2.2 增量式 PID 控制算法 .233.2.3 抗积分饱和 PID 控制算法 .243.2 PID 控制器设计 .253.3 PID 控制器参数的整定 .263.4 PID 控制器仿真 .263.4.1 关于 Simulink 的简介 .263.4.2 PID 控制器的仿真分析 .263.5 泵控马达速度控制系统的仿真模拟 .283.6 本章小结 .33第 4 章 结论与展望 .344.1 结论 .344.2 展望 .34参考文献 .36致谢 .37附录 .38附录 A 外文资料翻译 .38A.1 英文 .38A.2 译文 .43附录 B 泵控马达速度控制系统仿真图 .47石家庄铁道大学毕业设计0第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景意义随着时代的发展，各种科技也在飞快的发展着，工业自动化水平的高低早已经成为了衡量各个部门现代化水平的标志，而工业自动化必然离不开动力的源泉马达。泵控马达主要由两部分组成：变量泵和定量马达。在泵控马达系统中，马达转速的变化是通过改变变量泵的排量来实现的，由液压缸来控制泵的变量机构，其中液压缸是由伺服阀控制的，借此达到控制马达转速和转动方向的目的。此类马达一般适用于大功率液压伺服系统，这类马达的功率范围有大有小，小的有几十千瓦大的可达几百千瓦，一般的此类马达都用在在重型机床系统、恒速装置系统、张力控制系统、火炮系统、雷达天线及船舶舵机系统等等 1。在泵控马达的诸多系统中，一般大多数情况都采用恒定转速的变量泵，同时马达方面采用定量马达。在泵控马达系统中，为了预防泵或者马达的泄漏并保证低压管道都存在压力值，在系统中设置补油系统，补油系统同时也达到了帮助系统散热的目的。补油系统为小流量恒压油源同时为变量机构供油，它主要是由两根相同的管道组成，两根管道中一根管道的压力等于系统的补油压力，另一根管道的压力取决于负载状态 2。为了防止系统中的液压元件由于压力的变化受到冲击而损坏，需要在补油泵的两根管道间跨接两个高响应安全阀，需注意的是这两个安全阀所安装的位置必须是对称的，同时该安全阀的规格必须满足当系统出现过载时能够把泵的最大流量从高压管道注入低压管道，以防止系统过载时产生气穴现象以及对系统反向冲击，对系统造成不良影响 3。在诸多的泵控马达控制系统中，其基本原理一般都是相同的，在研究泵控马达系统时，由于其比较复杂，现将系统简化为一个闭环系统，在这个系统中，变量泵与定量马达的关系为前者控制后者。泵控马达系统的液压原理图如图 1-1 所示，系统中的变量机构实质上就是一个位置控制系统，这个位置控制系统主要是由双作用液压变量缸、方向阀 1、位移传感器组成，系统通过给比例方向阀上的比例电磁铁(BY1、 BY2)通电，使得双作用液压变量缸的活塞杆动作，活塞杆的动作会使阀芯发生位移，通过调整变量泵 P2 的斜盘倾斜角度，位移传感器通过采集变量缸的位移变化产生反馈到输入，实现无变化调整泵的排量，从而便可控制 PM1 输出的速度大小和方向。在上述闭式系统中，C1C4 插装式方向阀与插装式方向阀 C5 共同组成安全回路，限制了 P2 泵压力超载。石家庄铁道大学毕业设计1图 1-1 电液比例流量及压力系统泵控马达系统液压原理图在泵控马达的研究领域，国内外都有诸多的研究成果。Arribas 和 Vega4这两位科学家深入的研究了泵空马达的驱动方法，对泵控马达驱动的优化做出了研究探讨；北京交通大学的张吉军 5通过对电源样车车载发电液压传动系统的研发，并运用MATLAB 建立了车载发电液压传动系统的仿真模型；北京航空航天大学的王岩 6提出基于反馈线性化理论的变量泵变量马达系统变结构控制算法，利用变量马达期望转速和马达排量计算变量泵排量，对泵控马达系统变结构控制算法进行了研究。白国长、王占林 7在建立交流异步电机矢量控制、液压容积控制系统教学模型的基础上，建立了 MATLAB 环境下的模型，实现变频调速和变量泵联合仿真。吴保林 8主要对单泵驱动双马达速度同步控制问题进行了深入的研究探索，采用独立泵源驱动双马达同步控制方案适用于工程机械系统，对越野车的驱动系统也具有适用性。北京理工大学的彭增雄 9对泵控马达系统以及其排量伺服机构分别进行数学建模，通过仿真模拟得到的数字 PID 控制参数能很好的用于泵控马达调速系统的闭环控制。在对泵控马达的研究中，系统的数学模型的建立过程大部分为先建立一个容积调速系统的数学模型，然后再利用 Matlab/Simulink 对此系统进行仿真，通过分析仿真曲线，得出泵控马达系统的马达动态特性，在这些仿真的基础上可以更好的比较每种控制策略的优缺点，从而可以选出哪种控制策略可以较好的控制马达的转动情况。传统的节流调速策略存在较大的溢流损失、节流损失，同时采用这种调节策略的液压系统的效率较低。把电机变频的技术跟液压传动控制技术结合起来，于是便得到了变频液压调速系统，应用此系统可以控制调节泵的转速，达到了执行元件可以控制电机速度的目的，变频液压调速系统大大简单化了液压回路，这减少了液压系统的无用功损失，并且提高系统的效率。当调速系统对马达的速度进行干预时，石家庄铁道大学毕业设计2有的时候会出现输出速度不稳定的情况，发生这种情况的原因是因为系统的负载出现了变化；另外，系统本身的参数的变化也会对速度的输出产生影响。在泵控马达速度控制系统中，传统 PID 控制器存在过度的依赖控制对象模型参数、其系统的鲁棒性比较差、在实际的工作中往往很难达到最优状态等一系列问题。针对这一系列的问题，模糊控制、神经网络、广义预测控制和遗传算法等算法被应用于泵控马达调速控制系统。变结构控制对系统的参数变动以及内外干扰鲁棒性非常好，而且该种控制具有结构简单、响应快速的优点，因此像泵控马达这种惯性、时滞性大的系统一般都采用该种控制方式。一般采用这种控制方式还可以防止由于系统中存在较大负载惯量产生的高频抖动 10。鲁棒控制方法还有一种方法就是扰动观测器法。它一般都应用于机电系统，观测器法不需要额外的传感器，它是通过不断的观测检查负载的扰动变化然后对调速系统进行补偿的，避免了负载扰动导致的转矩变化对电动机的转动速度造成影响。扰动观测器对系统的优化主要是通过负载转矩前馈补技术，对系统的优化处理主要表现在负载扰动的鲁棒性上；根据扰动观测器通过对系统实时监测的观测结果，对因为测量误差、参数变化等原因造成的系统扰动进行抑制。通过理论分析与仿真，可以总结出变结构控制策略具有响应时间短、鲁棒性好、速度跟踪精度高等优点 11。1.2 PID 控制器简介PID 控制器从一开始的应用到现在已有将近 80 年发展历程，它主要存在结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点，这些优点也将它推向了工业控制技术。控制理论的起步阶段可以追溯到十七、十八世纪，分别经历了古典控制理论、现代控制理论、智能控制理论这三个阶段。古典控制理论又称为经典控制理论，经典控制系统分为两种：开环控制系统、闭环控制系统。在诸多的控制系统中，组成系统的基本部分一般不会发生变化，这些基本部分主要包括主控制器、执行机构、传感器、输入输出接口等。针对不同的控制系统，每种控制系统都有其各自与本系统适用的传感器、控制器以及其执行机构。由于 PID 控制器的参数整定一般都比较复杂，针对这一问题，许多公司开发研制出一种智能 PID 控制器简称智能调节器(intelligent regulator)，该种智能调节器可以通过自校正、自适应算法对自身的参数进行整定。在现实的生活中，由于 PID 控制器具有结构简单，它逐渐取代了其他的控制器，PID 控制器的控制方式可以分为比例控制、积分控制、微分控制三个环节。当不能完全掌握控制对象的结构以及其参数，或者无法具体化的建立其数学模型的情况下，我们所知的关于控制理论的知识并不能解决问题，对于系统的参数、控制器种类、石家庄铁道大学毕业设计3系统的结构需要依靠现场的调节实验才可以确定，这时我们就应该采用 PID 控制技术对系统进行参数等的确定。因此，当我们无法准确的获得一个系统的参数或者不能完全的确定系统的模型甚至于无法确定其被控制对象时，我们采用 PID 控制技术最为合适。PID 控制器的整定方法主要分为比例(P)、积分(I)、微分(D) 控制。比例(P) 控制主要通过比较输入值与输出值的差别然后作用于调节装置作用于系统以减小系统的偏差。比例控制的控制过程很简单速度也很快，比例作用较其他调节方式比较大，此环节的调节动作迅速、对调节的反应较为灵敏，同时，由于此环节的比例作用较大，与其他两种环节相比，容易使得系统的稳定性降低。在积分控制(I)环节中，控制器的输入信号的积分与输出值的差值的积分之间存在正比例关系。系统在开始时误差范围很小，但是随着时间的增加误差也会增大，直到最终系统变为饱和状态。在微分(D)控制中，控制器的输出值的微分与输入差值信号的微分之间存在一个正比例关系。在许许多多的自动控制系统中，当 PID 控制器对误差进行调节时，系统有时候会出现振荡，当振荡幅度过大时，系统还会出现失稳现象，出现振荡的一般原因为系统中存在惯性比较大的组件。在实际的生产实践中，对于 PID 控制器的参数整定一般分为理论计算整定法以及工程整定方法。理论计算整定法一般是根据已知的系统数学模型，通过理论的计算分析，确定应该选择的控制器的参数，但是通过理论法得出的结果不一定可以直接使用，因为有些情况下计算出来的参数是不符合实际的生产生活的，所以计算出来的结果必须通过工程实际检验。工程整定方法与理论法比较简单实用、容易掌握，但是这种方法比较依赖工程经验，它对参数的整定是直接在控制系统的试验中进行的，经过多次实验分析选择最适合本系统的参数。工程整定的方法并不是唯一的，它一般也细分为三种方法：一种为临界比例法，这种方法在实际的工程中是采用最广泛的；另一种为反应曲线法，还有一种为衰减法，这三种整定方法每种都有其各自的特色，但是它们的共同点就只有一个：通过实