（机械设计及理论专业论文）基于plc的电液比例控制系统的研究.pdf

摘要 随着液压技术的发展，电液比例控制技术己越来越多地应用于各领域中。本 文分析了电液比例控制系统的控制原理及其特点，对原有的f e s t o 电液比例控制 实验系统做了进一步研究开发，将原有的额定值信号源加继电器控制改为了用可 编程控制器( p l c ) 作为电控制单元，以位置控制作为重点研究对象，设计了p l c 控制的电液比例位置闭环控制系统，给出了基于p l c 的电液比例位置控制系统的 实验方案及实验台组成。推导了阀控非对称液压缸的比例方向阀的线性化负载一 流量方程，结合非对称液压缸的力平衡方程，导出比例阀控非对称液压缸的数学 模型，建立了电液比例位置控制系统的数学模型，对位置控制系统进行了静态特 性和动态特性分析。对常规p i d 控制算法和模糊控制算法进行了讨论，设计了模 糊自整定p i d 控制器，并利用这些算法对该位置控制系统进行校正，用m a t l a b 软件s i m u l l n k 工具箱对位置控制系统建立了系统的仿真模型，继而在输入信号 下对系统无干扰和有干扰的情况下进行计算机仿真实验，通过比较仿真后的位置 控制响应曲线图，得出该系统在不同的控制算法下的动态响应特性。仿真实验结 果表明，经过校正后的控制系统动态特性明显优于未经校正的控制系统，响应迅 速，调节较快；模糊p i d 自整定控制算法融合了p i d 和模糊控制两者的优点，使 得液压缸活塞杆的位置统输出动态响应性能大大改善。搭建了电液比例位置控制 实验台，选用西门子s 7 2 0 0 p l c 实现其控制，对p l c 通过软件编制了相关算法和控 制程序，在实验台上完成了该位置控制系统的实验研究，对无干扰和有干扰工作 条件下控制特性进行了分析比较，并对两种控制算法在无干扰和有干扰的情况下 的仿真和实验结果进行了对比分析。实验结果与仿真结果基本一致，但与仿真结 果存在差异，主要表现在实际运行过程中有超调，系统对干扰不敏感，这主要与 系统的机械惯性和液压系统的刚度较大有关；最后，对p l c 与上位计算机的通讯 做了一些研究，采用了西门子p l c 中的自由口通讯协议，用v b 6 0 软件设计了通 讯界面，实现了p l c 与上位计算机之间的通讯，使得实验结果更加直观。经过仿 真及实验，结果说明本实验平台能够满足机械类本科生机电液综合设计实验教学 的要求。 关键词：电液比例控制，p i d 控制，模糊自整定p i d ，仿真，实验研究，通讯 s t u d yo fe l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l c o n t r o le x p e r i m e n ts y s t e mb a s e do np l c a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h eh y d r a u l i cc o n 仃o lt e c h n o l o g y , e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g yh a db e e na p p l i e df o rm a n yf i e l d sm o l ea n dm o l e 1 1 1 ea r t i c l ea n a l y z e dt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r so ft h ee l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e m i ti m p r o v e do nt h ec o n t r o ls y s t e mt ot h eo r i s i n a l p r o p o r t i o n a lh y d r a u l i cs y s t e mc o n t r o l l e db ys i g n a lu n i t ea n dr e p l a c e s n o wt h e s y s t e mc o n 仃o l l e db yt h ep r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ( p l c ) ，a n dt h ei m p o r t a n t s t u d yt a r g e ti sp r o p o r t i o n a lh y d r a u l i cp o s i t i o nc o n t r 0 1 n 圮p r o p o r t i o n a lh y d r a u l i c p o s i t i o nc l o s e l o o pc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d , a n dt h ep r o j e c ts c h e m a , t h e e x p e r i e n c es y s t e mc o m p o s i t i o nh a db e e ng i v c m1 1 l o a d i n g - f l o we q u a t i o no ft h e p r o p o r t i o n a ld i r e c t i o nv a l v e ，c o n t r o l l i n ga s y m m e t r yh y d r a u l i cc y l i n d e r , 1 f i r a $ a n a l y z e d b yr e l a t i n gt h ef o r c e b a l a n c ee q u a t i o n , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh y d r a u l i c c y l i n d e rc o n t r o l l e db ys y m m e t r i c a lv a l v ew a sg i v 饥a c c o r d i n gt h e s ee q u a t i o n s , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep r o p o r t i o n a lh y d r a u l i cp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mw a sb u i l t a n di t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cw s sa n a l y z e d i ta l s od i s c u s s e st h er e g u l a rp i da n d f u z z y - p i dc o n t r o la l g o r i t h m , d e s i g nt h ef u z z y - p i dc o n t r o l l e r , a n du s et h i sc o n t r o l a l g o r i t h mt ot h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mf o ra d j u s t i n gt h es y s t e m , b u i l dt h es y s t e m s m a t h e m a t i c a lm o d e lu s i n gt o o l b o xn a m e d s i m u l i n k o fm a ：n a bs o f t w a r e m o r e e v e l , s u p p o s i t i o u a le x p e r i e n c e sb yc o m p u t e rh a v eb e e nc a r r i e do u tn o to n l yh a v i n g d i s t u r b i n gb u ta l s on od i s m r b i n g c o n t r a s tt h er e s p o n s ee f f e c tw i t h o u td i s t u r b m ga n d t h er e s p o n s ee f f e c tw i t hd i s t u r b i n go ft h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m , t h es y s t e m s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co b t a i n e di nd i f f e r e n ti n p u ts i g n a l s 1 1 s i m u l a t i n ge f f e c t p o i n t e dt h a tt h es y s t e m sw i t ha d j u s t i n gb yc o n t r o la l g o r i t h ma f cs u p e r i o rt ot h e s y s t e mw i t h o u t 刎u s t i n g , s u c ha st h eq u i c kr e s p o n s e ，a d j u s t i n ga b i l i t y f u z z y - p i d c o n t r o la l g o r i t h mh a dt h es u p e r i o r i t yt h ep i dc o n t r o la l g o r i t h ma n df u z z yc o n l l o l a l g o r i t h m , a n dm a d et h eh y d r a u l i cc y l i n d e rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cb e t t e r f i n a l l y , t h e r e a le x p e r i c n c ec o m p o n e n t sw e r ec o n n e c t e da n du s es i m e n sp l ct or e a l i z et h e c o n t r 0 1 b yp l a n n i n gr e l a t e dp r o g r a ma n dc o n t r o la l g o r i t h mi np l c ，t h ee x p e r i e n c e s s t u d i e so ft h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mw e r ec o m p l e t e d t h ec o n t r o lc h a r a c l e r sw e r e a n a l y z e da n dc o m p a r e df o rd i f f c r e n tw o r ks i t u a t i o n n 坞e x p e r i e n c ee f f e c t c o m p o r t e dw i t ht h es i m u l a t i n ge f f e c t b u tt h ed i f f e r e n c ew a sc o n s i s t i n g n m a i n d i f f e r e n c eh a st w o o n ew a st h a tt h er e a lv a l u ew a sb i g g e rt h a nt h eg i v i n gv a l u e ；t h e o t h e rw a st h a tt h es y s t e mw a si n s e n s i t i v et od i s t u r b i n g n 圮c a u s ew a sm a i n l yr e l a t e d t ot h em e c h a n i s mi n e r t i aa n dt h eh y d r a u l i cr i g i d i t y l a s t l y , al i t t l eo f c o m m u n i c a t i o n h a db e e ns t u d i e dt ot h ep l cw i t ht h ec o m p u t e r f r e ec o m m u n i c a t i o na g r e e m e n tw a s a d o p t e d , a n dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew a sd e s i g n e db vv b 6 0s o f t w a r e a n d c o m m u n i c a t i o na l s or e a l i z e d t l l i sm a d ee x p e r i e n c ep a r a m e t e r sw a se a s yt om o d i f y a n dt h ee f f e c tw a sv i v i d t h r o u g hs i m u l a t i n ga n de x p e r i m e n t , r e s u l tp r o v e dt h a tt h i s e x p e r i m e n ts y s t e mc a n 觚f i l lt h er e q u e s to f t h ec o l l e g es t u d e n t m k e yw o r d s ：t e c h - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n 仃o l ，p i dc o n 仕o l ，f u z 巧- p i dc o n t r o l ， s i m u l a t i n g , e x p e r i m e n ts t u d y , c o m m u n i c a t i o n ， s h e ny u ( m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y m a j o r ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg a o x i a o d i n g i v 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学 位期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使 用学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工 程大学。学校有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签 指导老师签名： 1 3 期：沙矽乡、 l5 。 西安工程大学学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研 究成果，不包括本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。 与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名：批确 日 期：加7 ；：5 i 绪论 1 概论 1 1 课题研究背景 液压传动与控制是机械制造及自动化本科专业的专业基础课、必修课，是 - - f l 实践性很强的课程。8 0 年代初期我院液压传动与控制实验室购进的两台液 压实验装置，可以实现液压传动实验，进行液压泵特性、溢流阀特性及节流调 速等基本实验。它们的液压回路已经固定，灵活性差，很难构建新的回路，且 污染严重。2 0 0 2 年底，我院液压实验室新购进德国f e s t o 公司生产的电液比例 控制实验系统，液压部分主要采用比例液压元器件，且均为独立的工业元件， 通过软管可以连接成各种液压回路，电控部分采用额定值信号源、比例放大器 及继电器控制相结合，相应连接的电控回路与液压回路可以组成电液比例控制 系统，实现液压系统的位置、压力、速度等控制。但是实验中采用继电器控制 系统体积大，可靠性差，功能少，难于实现较复杂的控制，特别是依靠硬件连 线逻辑构成的系统，连线复杂，容易出错，且错误之处查找非常困难，并且出 现触点竞争现象。目前所开出实验均为开环控制来实现压力、位置控制。 本文拟在现有f e s t o 电液比例实验元器件的基础上，将可编程控制器( p l o 技术与比例液压控制技术相结合对实验系统进行研究开发。在原有的电液比例 控制系统的基础上，以液压马达或液压缸为最终控制对象，电控制单元由原来 的额定值信号源和继电器控制改为p l c 控制，实现液压系统的压力、位置等控 制。用p l c 作为电控制单元，不仅可以充分利用p l c 的开关功能，也能实现电 液比例控制系统的开环控制，还可以编写控制算法软件程序，实现电液比例的 压力、位置等的闭环控制，在很大程度上改善系统性能，简化实验繁琐程度； 并且在微型计算机上通过v i s i ob a s i c 6 0 软件制作通讯界面，实时显示实验数 据和实验曲线，使得实验结果更为直观明了本文以电液比例位置闭环控制作 为重点研究对象。 将电液比例技术与可编程控制器技术相结合，用软件实现模拟量给定信号、 控制器的设计和开关量的逻辑运算、延时等功能，必将促进液压控制技术的发 展，具有重要现实意义和广阔的发展前景，这也是社会对机械类学生的时代要 求。本实验系统的实现，不仅能实现机电液相关课程的实验教学，使学生对机 电液相结合的运动控制系统有了更深刻地了解，提高理论知识的实践性；而且 能够进行科研性研究，具有教学、科研和实用性多重功能。 1 2 电液比例控制系统概述 i 2 i 电液比例控制技术 电液比例技术是流体传动与控制技术中的一个新的分支。一般人们把使用 比例控制元件( 含比例控制阀、比例控制泵及比例放大器) 的液压系统称为电 液比例控制系统。比例控制是实现元件或系统的被控制量与控制量之间线性关 系的技术，依靠这一技术保证输出量的大小按确定的比例随着输入量的变化而 变化。电液比例控制技术是- - i 7 起步较晚，但发展极为迅速、应用已相当广泛 的机电一体化综合技术，它涉及到流体力学、自动控制原理、微电子技术、自 动化技术和计算机技术等相关科学【1 l 。 1 2 2 比例控制技术发展历史【圳 1 7 世纪帕斯卡提出著名的帕斯卡定律，奠定了液压传动的理论基础，流体 传动己经历了很长的发展历史，现代电液控制技术的发展只需追溯到二次大战时 期。1 9 4 0 年底在飞机上首先出现了电液伺服系统，其滑阀由伺服电机拖动，伺服 电机惯量很大，成了限制系统动态特性的主要环节。直n 5 0 年代初才出现了高速 响应的永磁式力矩马达。5 0 年代后期又出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺 服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快，控制精度最高的伺服系统。但是电液 伺服器件的价格过于昂贵，对油质要求十分严格，控制损失( 阀压降) 较大。使伺 服技术难以为更广泛的工业应用所接受。在很多工业场合，要求有一般的高质量 的控制手段，却并不要求太高的控制精度或响应性。现代工业的迅猛发展，要求 开发一种廉价、节能、维护方便、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实 际需要的电液控制技术。而现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠 廉价的检测、校正技术。这些为电液比例技术的发展提供了有利的条件。 比例控制阀是在普通的液压阀的基础上，采用廉价而可靠的比例电磁铁作为 电一机械转换元件，取代原来阀内的手动调节器或普通开关式电磁铁。并相应地 改进了阀内的设计和引入各种内反馈控制，从而出现了一种价廉的耐污染的、与 一般工业阀相同、性能又能满足大部分工业控制要求的比例元件【1 1 。 比例液压控制技术的发展大致可以划分为三个阶段【l 刃。 从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产i ( l 比例复合阀起，到7 0 年代初日本油研公司 申请了压力和流量比例阀两项专利为止，是比例液压控制技术的诞生时期。这一 阶段的比例阀，仅仅是将比例型的电一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于工业液压 阀，以代替开关电磁铁或调节手柄。阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大 多不含受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在1 5 h z 之间，稳态滞环在4 7 之间， 多用于开环控制。 1 9 7 5 年至1 9 8 0 年间可以认为是比例液压控制技术的发展进入了第二阶段。采 用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术 2 上日趋成熟，比例元件工作频宽己经达到5 - 1 5 h z ，稳态滞环亦减少到3 左右。其 应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控制。 8 0 年代，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一步完善， 采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正手段，使阀的稳态精度、动 态响应和稳定性都有了进一步提高。电液比例技术逐步形成t 8 0 年代的集成化趋 势。特别是电液比例容积元件，各类比例控制泵和执行元件相继出现，为大功率 工程控制系统的节能提供了技术基础。除了模拟式的电液比例元件外，人们也注 重开发出各种数字式液压元件，数字式液压元件也是今后比例技术发展的一个重 要分支。现在比例阀已有些是把传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一 起的机电一体化的元件，使得结构更加紧凑，性能进一步提高。 随着微电子技术、数字化技术、通信技术和计算机技术的发展，电液比例 控制技术的应用越来越普遍，在新系统设计和旧设备改造中正成为重要的选择 方案。目前，电液比例控制技术正在与新的控制策略紧密结合，表现出强大的 技术优势。 1 2 3 电液比例控制系统及特点 电液比例控制系统分为开环控制和闭环控制系统。开环控制系统不对被控制 量进行检测和反馈，当出现被控量与期望值的偏差时无法进行修正。这类系统一 般控制精度不高。但与开关式液压控制相比，控制质量和方式都有改进和简化。 这类开环系统由于不存在信号和能量的反馈，因而系统稳定性好，容易设计。是 目前最常见的比例控制系统。闭环系统引入了反馈回路。它用被控制量与输入量 ( 给定) 的偏差信号作为真正的控制信号，最后使输出量尽量与输入量相一致。在 受到干扰时仍能消除偏差或把偏差控制在要求的精度内，系统的输出能较准确地 复现输入信号的变化规律。但由于有反馈的存在，其稳定性成为设计的主要考虑 问题，特别是比例阀工作在较大的范围时，其非线性的影响不能忽略。 电液比例控制系统由放大元件、电液比例控制元件、动力执行元件及动力源、 工程负载及信号检测反馈处理元件组成。它们的主要功能如下： ( 1 ) 指令元件及放大器件( 输入元件) ：它是控制信号的产生、输入及放大的 元件，也可称为输入电路，在有反馈信号存在的情况下，它给出与反馈信号有相 同形式和数量级的控制信号。 ( 2 ) 电机械转换器：它是电液的接口元件，一般是动铁式电磁器件，它把 控制信号转换为力( 力矩) 或位移( 转角) 等机械量控制信号。 ( 3 ) 比较元件：它的功用是把给定输入与反馈信号进行比较，得出偏差信号 作为电控器的输入。 ( 4 ) 液压转换及放大器件：它把电一机械转换器件输出的力或位移经液压放 l 绪论 大作用，把不大的电气控制信号放大到足以驱动系统负载，通常是比例放大器。 ( 5 ) 液压执行元件：通常是液压缸或液压马达，它是系统的输出装置，其输 出参数是位移、速度、加速度、和力或转角、角速度、角加速度和转矩。 ( 6 ) 测量及反馈元件：对于闭环控制需要加入检测反馈元件，把执行元件输 出的动力参数或其它中间状态变量加以检测并转换为反馈量。 ( 7 ) 液压动力源：液压泵、溢流阀和蓄能器组成恒压源或恒流源。 电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压元件。与电液伺 服阀相比，其优点是价廉、抗污染能力强。除了在控制精度及响应快速性方面还 不如伺服阀外，其它方面的性能和控制水平与伺服阀相当，其动、静态特性足以 满足大多数工业应用的要求【l 】。因此，比例阀更为广泛地获得应用。在高精度、 快速响应等高技术领域传统上是伺服阀的市场。但现在闭环比例阀技术也是一种 新的选择。与传统的液压控制阀比较，虽然价格较贵，但由于其良好的控制水平 而得到补偿。因此在控制较复杂，特别是要求有高质量控制水平的场合，传统的 开关阀就逐渐由比例阀或数字阀代替。此外，比例控制阀还可以具有流量、压力 与方向三者之间的多种复合功能。这使得比例控制系统较之开关阀控制系统，不 但控制性能得以提高，而且可以使系统更为简化。 电液比例控制技术的主要优点是： ( 1 ) 操作方便，容易实现远程控制； ( 2 ) 自动化程度高； ( 3 ) 工作平稳，控制精度较高； ( 4 ) 结构简单，使用元件较少，对污染不敏感； ( 5 ) 系统节能效果好。 电液比例控制技术的主要缺点是成本较高，技术较复杂。 电液比例技术与电液伺服技术的区别主要是液压控制系统中采用的控制元 件不同。比例液压控制系统中采用的控制元件是比例阀和比例泵，液压伺服控 制系中统采用的控制元件为伺服阀。二者的区别与联系主要表现在以下几个方 面【1 邡】： ( i ) 控制元件采用的驱动装置( 电一机械转换器) 不同。比例控制元件采 用的驱动装置为比例电磁铁( 动铁式一机械转换器) ，比例电磁铁的特点是感性 负载大，电阻小，电流大，驱动力大，但响应低。伺服控制元件采用的驱动装 置为力马达或力矩马达，其输出功率小，感抗小，驱动力小，但响应快。 ( 2 ) 控制元件的性能参数不同。 ， ( 3 ) 阀芯结构及加工精度不同。普通比例方向阀采用阀芯+ 阀体的结构， 阀体兼作阀套，由于死区大，阀芯与阀套允许的配合间隙较大，具有互换性。 4 伺服阀采用阀芯+ 阀套的结构，二者做成配件，无死区，加工精度要求极高，不 具备互换性。因此，直接导致了价格的差异及油液过滤精度要求的不同，系统 维护的难易和成本不同。 ( 4 ) 中位机能种类不同 1 3 电液比例位置控制系统 电液比例控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统，但电液比例位置控 制系统必须是闭环控制系统。电液比例位置开环控制系统只能是通过速度开环控 制来实现的，从根本上说不能称作位置开环控制系统。电液比例位置闭环控制系 统能够根据指令准确快速定位，它是将传感器的反馈信号与给定信号比较，经控 制器处理所得数据控制比例方向阀，进而实现位置控制。 电液比例位置控制系统是一种非线性、时变性系统。其参数具有非线性特性， 且随工况变化而变化；速度增益和液压固有频率都会发生变化；从稳定性考虑， 由于比例方向阀的流量死区特性，使得位置控制系统在通常情况下，只能采用死 区欠补偿方式，从而导致系统产生一定的稳态位置误差。在位置控制中存在一个 影响系统调节特性的因素，即比例方向阀存在较大的流量死区，实际工作时，比 例方向阀阀芯必须克服死区。这就使得比例方向阀的流量响应比阀芯位移相应慢 得多1 4 l 。特别是当工况发生较大变化使电液比例控制系统的参数相应发生较大变 化时，会使系统的控制性能明显下降，甚至不能满足工程要求。这些特点使得运 用在位置伺服系统中常用的线性化模型基础上的经典控制方法，在控制电液比例 位置控制系统时，不能获得满意的效果。根据上述电液比例控制系统的特点，国 内外学者对此作了许多研究。其研究基本上从两方面入手，一是从电液比例位置 控制系统结构的设计上，二是从控制策略上进行了一系列的研究工作，并对该技 术应用特点，应用前景进行讨论1 5 】。 电液比例位置控制系统在工业上有着十分广泛的应用嘲，但是由于受系统油 温和负载压力( 或负载力) 等工况的影响，系统的控制特性和参数往往发生改变， 特别是在工况变化较大时，更难以保持预期的良好特性。因此提出各种控制方法 以改善控制性能，主要是针对系统的稳定性、稳态精度、定位精度、系统的快速 响应和跟踪性能进行了研究。当利用常规的p i d 控制算法解决电液比例控制系统 和电液伺服控制系统的位置控制，其鲁棒性是不能令人满意【7 】。随着现代控制理 论的发展，智能控制、模糊控制和神经网络等控制算法在电液比例位置控制系统 中得到了应用 s l 。这些控制算法进一步提高了系统的响应速度，并且增强了系统 的鲁棒性。从现有的研究特点来看，主要是研究系统的快速性及其精度 9 1 。本文 针对电液比例位置控制系统，用常规p i d 控制算法和模糊p i d 控制算法对电液比例 位置控制系统校正，从动态性能上进行了理论和实验研究。 5 1 4 课题的研究内容与研究意义 本论文主要针对原有电液比例控制实验系统进行了研究开发，设计了电液比 例位置闭环控制系统，并以电液比例位置控制系统作为重点研究对象，从系统的 动态特性、稳态特性和响应速度入手，采用控制算法，提高系统的控制性能，并 对不同的控制算法结果作出比较。本文研究的具体内容包括： ( 1 ) 设计液压控制系统一电液比例位置闭环控制系统； ( 3 ) 建立电液比例位置闭环控制系统的数学模型并分析； ( 3 ) 对控制策略进行研究，并用m a t l a b 软件对控制系统进行动态仿真研究； ( 4 ) 在p l c 上完成控制系统实验； ( 5 ) 完成电液比例控制系统的上位机与下位机的通讯设计。 该控制系统的研究，可作为机械类本科学生机电液控制相关课程的实验教学 平台，提高学生的综合设计和实践能力，实现电液比例位置、压力等闭环控制实 验，也可推广应用于与此相类似的各种位置控制系统中，无疑这对于电液比例控 制系统在教学中和工程上的应用有着特别重要的意义。 6 2 电液比例控制系统设计与分析 2 电液比例控制系统设计与分析 本文电液比例控制系统的设计目的是对液压缸活塞杆位置进行控制进行研 究。对液压系统而言，液压控制阀是系统的心脏，它也决定着系统的自动化程度。 为了提高自动化程度，所选用的液压元件应具备使用电流( 电压) 进行连续调控的 功能。按照系统所用的电液控制阀的不同，可分为电液伺服系统和电液比例系统。 本系统所采用的是电液比例控制系统。 电液比例控制系统功能尽管不同，但系统组成基本相同。包含检测反馈环 节的控制系统称为闭环控制系统，反之则称为开环控制系统。如果比例阀本身 存在内反馈，也可构成实际的小闭环控制，但一般不称为闭环控制系统网。组 成电液比例控制系统的基本元件有：指令元件、比较元件、控制器元件、电机 转换元件、液压放元件、检测元件。 2 1 基于继电器控制的电液比例控制实验系统 原有的电液比例控制实验系统由额定值信号源、比例放大器、比例控制阀、 液压缸和接近开关等元器件组成。原有电液比例位置控制系统原理框图如图2 1 所示，控制系统组成如图2 2 所示。 图2 1 原有电液比例控制实验系统框图 图2 2 原有电液比例控制系统结构图 7 ! 皇婆堕堡丝型墨竺堡生兰坌塑 其控制原理为：额定值信号源给出信号，经比例放大器放大后送入比例控 制阀，驱动液压缸活塞杆的运动，接近开关接收到信号后，经继电器控制，改 变额定值信号源n 、1 2 、b 的高低电平状态，从而额定值信号源送出相应的设 定值，并且额定值信号源可以设定信号变化斜率，最终达到设定目的。这种控 制是以额定值信号源输出值的切换来实现的，它只能实现开环控制，控制精度 低，响应速度慢；而且用继电器控制，体积较大，触点个数受到硬件限制，而 且继电器控制中，各并联电路是同时加压、并行工作的，由于实际元件动作的 机械惯性，会发生触点竞争现象，导致动作失误；额定值信号单元的可编程性 能较差，且易出故障。 2 2 基于p l c 的电液比例位置控制系统 基于p l c 的电液比例位置控制系统实验台是集机械、电控、液压与仪表为 一体的综合性能实验台，它主要有比例液压控制部分、电控部分和微型机算计 三部分组成，系统组成如图2 3 所示。 图2 3 原有电液比例控制实验系统框图 其基本原理为，当液压缸运动时，液压缸的位置通过位移传感器来测得， 测得后将模拟信号送入p l c 的扩展模块e m 2 3 5 中实现模数转换，转换后的数 字量送入p l c 中由p l c 进行处理，p l c 采取相应的控制算法对系统进行实时 控制，经处理后的数据再由e m 2 3 5 转换成模拟信号送入比例放大器，比例放大 器将电压信号经整形放大后转换为电流信号，通过比例电磁铁控制比例方向阀 阀芯的运动，进而控制液压缸活塞杆的位置，形成闭环控制；同时，p l c 将当 前数字量信号通过r s 2 3 2 串口通信上传至计算机，在计算机实时以数据和曲线 形式显示液压缸活塞杆的运动情况，计算机通过r s 2 3 2 实现系统控制。 电液比例控制系统本身具有滞后、时变特性，由于比例阀本身是非线性的， 因此就决定整个系统是一个非线性系统。但是实际工作过程中，比例阀在加入补 偿后工作特性可以认为是线性的1 6 j 。因此，在建模和分析时，比例阀完全可以近 似的认为是线性的。系统是采用p l c 控制的，从原理上讲与计算机控制相似，计 算机控制本质上是一种离散控制，由于p l c 的扫描周期非常快( 微秒或毫秒级) ， 盎 2 电液比例控制系统设计与分析 所以可以将它看成连续系统。因此整个系统可以看作是一个连续的线性系统。 电液比例位置控制实验台如图2 5 和2 6 所示。 图2 4 电液比例控制实验台 图2 5 电液比例实验台 2 3 比例液压控制系统设计 比例液压控制系统主要由下列单元组成：液压泵、溢流阀、比例方向阀、 被控液压缸。系统结构原理如图2 6 所示。 9 2 电液比例控制系统设计与分析 图2 6 电液比例位置控制原理图 比例液压控制系统的基本工作原理为：根据输入电信号的大小，通过比例放 大器，将该输入电信号( o 1 0 v ) 转换成相应的电流信号。这个电流信号再作为输 入量被送入比例电磁铁，比例电磁铁产生与输入电流信号成比例的输出量一力或 位移。该力或位移又作为输入量送入比例阀，比例控制阀产生一个与前者成比例 的流量。通过这样的转换，输入一个变化的电信号，不但能控制被控液压缸的运 动方向，而且可以对其运动速度进行调节。 2 3 1 电液比例方向阀 电液比例方向控制阀输出量是随着输入电信号的正负变化而改变运动方 向，并且改变流量大小，因此电液比例方向控制阀本质上是一个方向流量控制 阀。 a 比例方向阀结构 电液比例方向阀是由f e s t 0 公司生产的直控式比例阀，三位四通，中位机 能为o 型。图2 7 所示为电液比例方向阀内部结构示意图。 图2 7 f e s t o 比例方向阀 l o ! 皇望些堡丝型墨竺堡生皇坌堑 与伺服阀相比，比例方向阀的四个控制边均有较大的正遮盖量，并且弹簧 安装时产生一定的预压缩量。如果忽略阀芯与衔铁的摩擦和比例电磁铁的死区 电流，则从阀芯处于中位到阀口打开，比例电磁铁需要提供的起始电流为 4 1 ： i o = 鼍掣 式中，i o - 比例方向阀的起始电流；k e _ 电磁铁的电流一力增益；x 埘一阀口 遮盖量；x 柚_ 一弹簧的预压缩量；簧的刚度 比例方向阀的起始电流可达额定电流的2 0 左右。x v o 和x 。是阀的稳态控制 特性中存在较大零位死区的根本原因。为消除这种死区对比例液压控制系统控 制性能的影响，在比例放大器中设计有快跳电路解决这一问题。 b 电液比例方向阀特性【l 卅 比例方向阀的特性是由二组特性曲线来表示。这些特性曲线是使用和设计 比例方向阀控制回路的重要依据，包括有不同压差下输入电流信号与输出流量 关系曲线，该曲线反映比例方向阀的静态特性；比例阀的频率响应曲线和阶跃 响应曲线，这两种曲线反映了比例阀的动态特性。 ( 1 ) 比例方向阀流量曲线。如图2 7 所示为f e s t o 公司比例方向阀不同的阀 口压降下的流量控制曲线。工作电压为2 4 v ，输入电流为0 - 1 0 0 0 m a 。由比例方 向阀流量曲线图可以看出，比例方向阀存在死区。在定压差下，死区范围外输 入电流与输出流量基本呈比例关系，而且比例方向阀口的压差越大，流过比例 方向阀的流量越大。 i | ，。一 由 一 b h 、，1 ，l 1 i， ， 一 l 1 |n = ：卜 ， ，2_ 。 勺 ，ji r 1聃 一 k -彭 l 蛏彳yi 、 n n i 、 、叠 蠢簪， l 、 一 - - - - - - - i i - - - - - 图2 7 比例方向阀q i 曲线 ( 2 ) 比例方向阀的频率响应曲线。如图2 8 所示，为不同输入下比例方向阀 频率响应曲线。由频率响应图可以看出，输入频率在低频段，阀芯的运动幅值 l l ! 皇茎堕塑丝型墨竺堡笪兰坌塑 基本保持不变，当频率到3 0 h z 后，幅值随频率的增加而衰减。相特性曲线可 以看出相位随信号频率增加滞后就越大。而且，在相同的频率下，输入信号的 幅值越大，幅值衰减就越大，相位的滞后也越大。比例方向阀的幅频特性曲线 表明比例方向阀为一个二阶环节。 。 ， + 2 忙 蓦 一6 - 8 、 弋 心+ - 2 o - 、 、 l 。叭i 、 1 0 5 ii；锈 51 0如1 h z2 f - 悔 争- 3 0 。 1 0 1 ， m f 力 、 一，么 一r 戈 兰1 0 乞夕 j a k e 。么r i 51 02 03 05 01 h z2 f 卜 图2 8 比例方向阀频率响应曲线 2 3 2 液压泵 液压泵为齿轮泵，额定压力为6 m p a ，额定流量为2 2 l m i n 。齿轮泵的特点 是结构简单，自吸能力强( 容许的吸油的真空度大) 【1 1 】。 2 3 3 液压缸 液压缸为单出杆双作用活塞缸。活塞直径为1 6 m ，活塞杆直径为1 0 r a m 。额 定工作压力为6 m p a ，最大工作压力为1 2 m p a ，活塞杆的行程为2 0 0 r a m 。单出杆 双作用活塞缸的特点是工作空间小，结构简单“”。 2 4 基于p l c 的电控系统设计 在将原有控制系统改进后，原有的电控硬件系统己不再适用。改进后的系 统采用p l c 作为电控单元，在控制上不仅可以充分利用开关控制功能，而且可 以利用其模拟量输入、输出模块进行运算，不仅简化了控制系统的结构，更使 ! 皇茎些墅丝墅墨竺堡生兰坌堑 得控制系统稳定可靠，精度高，体积小，安装方便。采用p l c 代替原有控制系 统，要对p l c 进行软件设计，从而使得p ie 及其模拟量模块不仅具有开关控制 和较为复杂的运算控制功能，还具有与上位机的通信功能，即采集、处理、模 拟信号输入输出的功能，进而通过电液比例阀实现对液压缸活塞杆的位置控制， 使其能够快速、准确到达指定位置，提高位置控制精度，也能在微型计算机上 直接观测实验结果。 2 4 1 p l c 控制原理 继电器控制系统是一种“硬件逻辑系统”，各并联电路是同时加压，它的工 作方式是并行的，当按下按钮，中间继电器k 得电，k 的两个触点闭合，接触k m i ，k m e 同时得电并产生动作。所以继电器控制系统采用的是并行工作方式，有时可能会 出现触电竞争现象。而可编程控制器是一种工业控制计算机，它的工作原理是建 立在计算机工作原理基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制 的【1 2 1 。但c p u 是以分时操作方式来处理各项任务，计算机一瞬间只能做一件事， 所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各个电器的动作，所以它属于串行工 作方式。概括而言，p i e 的工作方式是一个不断循环的顺序扫描工作方式。每一 次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。c p u 从第一条指令执行开始，按顺 序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回第一条指令，开始新的一轮 扫描。p i e 就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。 整个工作过程可分为三部分u 习： 第一部分是上电处理。机器上电后对p i e 系统进行一次初始化，包括硬件初 始化，i o 模块配置检查，停电保持范围设定及其他初始化处理等。 第二部分是扫描过程。p i e 上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输 入处理，其次完成与其他外设的通讯处理，再进行时钟、特殊寄存器更新。当c p u 处于s t o p 方式时，转入执行自诊断检查。当c p u 处于r u n 方式时，还要完成用户程 序的执行和输出处理，再转入执行自诊断检查。 第三部分是出错处理。p i e 每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定p l c 自身 的动作是否正常，如c p u 、电池电压、程序存储器、i o 和通讯等是否异常或出错， 如检查出异常时，c p u 面板上的l e d 及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入 出错代码。当出现致命错误时，c p u 被强制为s t o p 方式，所有的扫描便停止。 p i e 运行正常时，扫描周期的长短与c p u 的运算速度、与i o 点的情况、与用 户应用程序的长短及编程情况等有关。通常用p i e 执行i k b 指令所需时间来说明其 扫描速度( 一般l - l o m s k b 字) 。不同指令其执行时间是不同的，从零点几p s n 上 百m s 不等，故选用不同指令所用的扫描时间将会不同。若是高速系统则要缩短扫 描周期时，可从软硬件上同时考虑。 2 电液比例控制系统设计与分析 小型