（载运工具运用工程专业论文）labview对电液伺服系统的在线控制和仿真.pdf

摘要：电液位置伺服控制系统作为控制领域的一个重要组成部分，具有功率大、响应 快、精度高、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等特点，在工业领域得到广泛 应用。随着现代工业的发展，控制对象的环境越来越复杂，对控制的要求也越来越高， 因此，对各种控制方法和策略的研究也越来越多，但由于传统电液伺服系统的控制方 法已经难以满足现代控制的要求，特别是计算机控制技术发展以来，更是如此。虽然 随着可编程控制器( 以下简称p l c ) 大量的进入控制领域，给自动控制带来了一大进 步，但p l c 的内存有限、计算能力有限，虽然可以应用p l c 自带的p i d 子程序进行 闭环控制，但对于负载干扰比较强，而比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 三者之间的 配合又有一定的限制，难以达到比较好的效果，如果应用复杂的智能控制，则因内存 和计算能力的有限，有些束手无策。在现代控制中，引入计算机控制系统以后，整个 控制系统的模式，由传统的线性控制发展到了现代的离散控制，即通常所说的采样控 制系统，则以上问题起码有一个相对要好得多的解决方法。 和传统的线性控制( 连续性控制) 比较，数字控制由于是采用程序控制，所以 控制策略的改变比较方便；在线性控制系统中，控制器的精度由元件的精度决定，达 到1 0 刁已经很不容易，数字控制由字长决定，从理论上讲，可以达到相当高的程度， 实际中可以根据需要的精度决定字长；在线性控制系统中，控制器的稳定性，依赖于 所选择元件的稳定性，在数字计算机中，用“0 ”、“l ”的组合表示数字量，因此稳定 性要好得多；计算机控制还可以实现软件的复用以及对系统输出通道进行分时控制等 功能，比较而言，计算机系统确实具有相当大的优势。 采样控制系统需要强大的上位机的计算能力的支持，应用上位计算机不但需要 掌握控制所需要的各种计算机语言，还必须学习各种接口、通讯等方面的知识，这给 从事控制行业的科技工作者带来巨大的压力。而现代新开发的l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r t u n e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种用图表代替文本行创建应用程序的 图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和命令的先后顺序决定程序的执行顺 序，而l a b v i e w 采用数据流的编程方式，程序框图中节点之间的数据流走向决定了 程序的执行顺序。它用图表表示函数，用连线表示数据流走向。l a b v i e w 程序被称 为v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，即虚拟仪器，l a b v i e w 的核心概念是“软件即是仪器”。 它将软件和各种不同的测量仪器硬件及计算机集成在一起，建立虚拟仪器系统，以形 成用户自定义的解决方案。由于l a b v i e w 本身具有强大的程序结构和字符串、数组、 簇和矩阵运算能力，还提供了丰富的线性代数运算函数，使进行高级智能控制成为可 能。 本文在提出传统电液伺服系统的基本模型和控制方式后，在y y s t c 0 0 1 液压实 验台上搭建并运行了电液伺服系统，建立了系统的数学模型，计算相关参数，进行了 系统仿真，并对参数进行修正。其次，分析了数字控制的基本方法，提出基于p l c 的电液位置伺服控制系统的控制方案，分析其优缺点，搭建了基于虚拟仪器技术的电 液位置伺服控制系统模型框架，并利用l a b v i e w 进行了在线控制。再次，在基于虚 拟仪器的电液位置伺服控制系统中加入了p i d 控制算法。进行位置控制实验，通过实 验获取了数据并与传统的电液伺服系统、基于p l c 的系统进行了比较。比较实验结 果表明，利用虚拟仪器对系统进行控制，能达到p l c 的控制效果，在控制实时性上 有所改进。 本系统的用户操作界面以及整个系统的控制程序，包括数据采集，i o 控制，模 拟量输出控制，p i d 算法等实现，全部利用虚拟仪器开发环境l a b v i e w 软件实现， 软件是整个系统的核心部分，数据板卡使用n 1 6 0 0 8 ，负责信号的输入和输出。整个 系统在工作时，将必要的数据存入了a c c e s s 数据库，为事后的数据分析提供了数据 源，通过实验测试，表明整个系统工作正常，效果较好。 本课题表明l a b v i e w 在电液伺服系统中是可以应用的，同时该系统在控制的实 时性和快速性上也得到了一定的改善和提高。本课题主要为电液伺服系统的研究搭建 了新的应用研究平台，在这个平台上，基于虚拟仪器本身的特点，可以对电液伺服控 制系统的智能控制进行更新层次的研究，为工程应用奠定了基础。 关键词：电液位置伺服系统，数字控制，虚拟仪器，数据采集，l a b v i e w a b s t r a c t ：e l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e mi s a i l i m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h e c o n t r o lf i e l d ，p o s s e s ss o m ei m p o r t a n ts p e c i f i c i t y , s u c ha sg r e a tp o w e r , q u i c kr e s p o n s e ，h i 曲 p r e c i s i o n ，f l e x i b l es i g n a lh a n d l e ，e a s yt or e a l i z ef e e d b a c ko fa l lk i n d so fp a r a m e t e r sa n ds o o n t h es y s t e mi s w i d e l yu s e di n t h ee v e r ys i d eo fi n d u s t r ym a n u f a c t u r e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a l ，t h ec i r c u m s t a n c eo fo b je c tb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ， t h ed e m a n do fc o n t r o lb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r ，s ot h er e s e a r c ho fm e t h o d sa n dt a c t i co n c o n t r o lb e c o m e sm o r ea n dm o r e t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d sf o re l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o n s e r v os y s t e ma r eh a r dt om e e tt h ed e m a n do fm o d e mc o n t r o l ，e s p e c i a l l yw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t et e c h n o l o g y d e s p i t et h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e re n t e r c o n t r o lf i e l dl a r g e l y ，b r i n g sab i ga d v a n c et oa u t o m a t ec o n t r o l ，b u tp l ch a sal i m i t e d m e m o r y , al i m i t e dc a l c u l a t ec a p a c i t y , d e s p i t ei tc a l lc a l t yo nc l o s e d - l o o pc o n t r o l ，b u ti ft h e d i s t u r b a n c ei ss t r o n g ，t h ec o o r d i n a t i o no fp r o p o r t i o n ( p ) 、i n t e g r a l ( i ) 、d i f f e r e n t i a l ( d ) i s l i m i t e d ，i ti sh a r dt oa t t a i nag o o de f f e c t i fa p p l yc o m p l i c a t e di n t e l l i g e n c ec o n t r o l ，d u et o t h el i m i t a t i o no fi n t e r n a lm e m o r ya n dc a l c u l a t ec a p a c i t y , m a yb ea tal o s s i nm o d e m c o n t r o l ，a f t e rl e a d i n gc o m p u t e rt oc o n t r o ls y s t e m ，t h em o d eo fc o n t r o ls y s t e mh a sc h a n g e d f r o mt r a d i t i o n a ll i n e a rc o n t r o lt om o d e md i s p e r s ec o n t r o l ，j u s ts a m p l ec o n t r o ls y s t e m ，t h e n t h ea b o v e p r o b l e mh a sab e t t e rs o l v em e t h o d c o m p a r e dt o t r a d i t i o n a ll i n e a rc o n t r o l ，t h ec h a n g eo fc o n t r o lt a c t i co fn u m e r i c a l c o n t r o li se a s i e rb e c a u s eo fp r o g r a mc o n t r 0 1 i nt h el i n e a rc o n t r o l ，t h e p r e c i s i o no f c o n t r o l l e ri sd e t e r m i n e db yc o m p o n e n t ，i ti sh a r dt oa t t a i n10 。，d i g i t a lc o n t r o li sd e t e r m i n e d b yt h el e n g t ho ft h ew o r d t h e o r e t i c a l ，i tc a na t t a i nh i g hd e g r e e ，t h el e n g t ho fw o r di s d e t e r m i n e db yt h ep r e c i s i o no fn e e di nf a c t i nt h el i n e a rc o n t r o ls y s t e m ，t h es t a b i l i t yo f c o n t r o l l e ri sr e l i e do nt h e s t a b i l i t yo fc o m p o n e n t ，i nn u m e r i c a lc o m p u t e r , u s et h e c o m b i n a t i o no f 0 a n d “1 t oi n d i c a t en u m e r a l ，s ot h es t a b i l i t yi sb e a e r c o m p u t e rc o n t r o l c a l la l s or e a l i z et h em u l t i p l e xo fs o f t w a r ea n dt i m ed i v i s i o nc o n t r o lt oo u t p u tc h a n n e lo ft h e s y s t e m c o m p a r e d ，t h ec o m p u t e rs y s t e mh a sh i g ha d v a n t a g e si n d e e d s a m p l ec o n t r o ls y s t e mn e e dt h es u p p o r to fc o m p u t e r , a p p l yc o m p u t e rn o to n l yn e e dt o m a s t e rl a n g u a g e sf o rc o n t r o l ，b u ta l s ol e a r nk i n d so fi n t e r f a c e sa n dc o m m u n i c a t i o n s ，i t b r i n g sh u g ep r e s s u r ef o rt e c h n o l o g i s t se n g a g e di nc o n t r 0 1 w h i l el a b v i e w i sag r a p h i c a l p r o g r a m m a b l el a n g u a g eu s i n gg r a p h st os u b s t i t u t et e x t t r a d i t i o n a lt e x tp r o g r a m m a b l e l a n g u a g e e x e c u t e p r o c e d u r ea c c o r d i n gt o t h e s e q u e n c eo fs e n t e n c ea n do r d e r , b u t l a b v i e wa d o p tt h ep r o g r a m m a b l ef a s h i o no fd a t af l o w , t h ed a t af l o wb e t w e e nn o d e so f t h ep r o c e d u r ed e t e r m i n e dt h ee x e c u t i o ns e q u e n c eo fp r o c e d u r e u s i n gg r a p h sa n d c h a r t s i n d i c a t ef u n c t i o n s ，u s i n gl i n e si n d i c a t et h ed i r e c t i o no fd a t af l o w t h ep r o c e d u r eo f l a b v i e wi sc a l l e dv i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) ，t h ec o r eo fl a b v i e wi s “s o f t w a r ei s t t t i n s t r u m e n t ”，c o m b i n e ds o f t w a r ea n dk i n d so fh a r d w a r eo fm e a s u r e m e n t ，b u i l dv is y s t e m ， f o r mr e s o l v ep r o j e c tu s e r sd e f m e d d u et ot h es t r o n gp r o c e d u r es t r u c t u r ea n ds t r i n g 、a r r a y 、 c l u s t e ra n dm a t r i xc a l c u l a t ec a p a c i t y , a l s op r o v i d ep l e n t yl i n e a ra l g e b r a o p e r a t i o nf u n c t i o n , i tm a k e su s i n ga d v a n c ei n t e l l i g e n tc o n t r o lp o s s i b l e t h i sa r t i c l eb u i l de l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e mo ny y s t c - - 0 01h y d r a u l i ce x p e r i m e n t s t a n da f t e rp r o v i d et r a d i t i o n a le l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e mm o d e la n dc o n t r o lf a s h i o n ， b u i l dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，c a l c u l a t er e l a t e dp a r a m e t e r , c a r r yo ns y s t e ms i m u l a t i o na n d r e c t i f i e ds y s t e mp a r a m e t e r s e c o n d ，a n a l y s i st h eb a s i cm e t h o do fn u m e r i c a lc o n t r o l ， p r o v i d ee l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e mb a s e do np l c ，a n a l y s i st h ev i r t u a la n d d e f e c to fp l cc o n t r 0 1 t h i r d a d dp i dc o n t r o la l g o r i t h mi nt h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v o s y s t e mb a s e do nl a b v i e w ，u n d e r w a yp o s i t i o nc o n t r o le x p e r i m e n t f r o mt h er e s u l to f e x p e r i m e n t ，u s i n gv i r t u a li n s t r u m e n tf o rc o n t r o lc a na t t a i nt h er e s u l to fu s i n gp l c ，a n dh a s ap r o g r e s si np r o p e r t yo fr e a lt i m e u s e ri n t e r f a c ea n dt h et o t a lp r o c e d u r eo ft h es y s t e m i n c l u d ed a t aa c q u i r e ，i oc o n t r o l ， a n a l o go u t p u tc o n t r o l ，p i da l g o r i t h m ，a r er e a l i z e dw i t hl a b v l e w s o f t w a r ei st h ec o r eo f t h es y s t e m ，d a t aa c q u i r ec a r di sn 1 6 0 0 8 ，r e s p o n s i b l ef o rt h ei n p u ta n do u t p u to fs i g n a l w h e nt h es y s t e mi sw o r k i n g ，k e e pt h ed a t ai n t oa c c e s sd a t a b a s e ，p r o v i d ed a t as o u r c ef o r d a t aa n a l y s i s t h r o u g he x p e r i m e n tt e s t ，p r o v e dt h es y s t e mi sw o r k i n gn o r m a l ，c o n t r o le f f e c t i sg o o d t h i sa r t i c l em a k e si tc l e a rt h a tl a b v i e wi su t i l i z a b l ei ne l e c t r o h y d r a u l i cs e r v o s y s t e m ，a tt h es a m et i m e ，t h ep r o p e r t yo fr e a lt i m ea n dh i g h - s p e e dh a sb e e ni m p r o v e d t h i s a r t i c l eb u i l dn e wr e s e a r c hs t a n df o rt h er e s e a r c ho fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e m o nt h i s s t a n d ，b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fv i r t u a li n s t r u m e n ti t s e l f , c a nu n d e r w a yn e w e r r e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tc o n t r o lo fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e m ，e s t a b l i s hb a s e sf o r e n g i n e e r i n gr e s e a r c h k e yw o r d s ：e l e c t r o h ) 7 d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m ，d i g i t a lc o n t r o l ，v i r t u a li n s t r u m e n t ， d a t aa c q u i r e ，l a b v i e w i v 声明户口明 本人声明所呈交的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，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 签名： 至翊日期：垄磁翻f 堡 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文；提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 电液伺服控制是一门比较新兴的科学技术，它不但是液压技术中的一个新分支， 而且也是控制领域中的一个重要组成部分。电液伺服系统作为机电控制系统的一个重 要的组成部分，具有响应速度快，输出功率大，控制精确性高等特剧1 1 ，因而在航空、 航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到广泛应用。 电液伺服系统是使系统的输出量，位移、速度、力等能自动地、快速地、准确地 跟随输入量的变化而变化【2 】。传统的模拟式电液伺服系统是把传感器的反馈量直接接 到伺服放大器板上，产生电流信号驱动伺服阀，伺服阀给执行元件提供一定压力的流 量拖动负载运动。模拟式电液伺服系统结构复杂、抗干扰能力较弱，控制方式单一。 随着计算机技术的发展，出现了以p l c 为控制器的新型电液伺服控制方式，这种方 式是把给定值和反馈值送入p l c ，由p l c 进行比较，得到误差值，经放大器放大后 推动电液伺服系统的动作，但p l c 进行算法运算时，只是局限在对p i d 参数的调整 控制中，高级智能控制在p l c 中难以实现。而虚拟仪器【3 ( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 则是通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的 计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成本 和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。l a b v i e w 是虚拟仪器 的软件开发平台，智能控制策略在这种平台下可以较容易地实现。所以本文采用基于 l a b v i e w 的开发平台对系统进行在线控制和仿真。 1 2 研究现状 1 2 1 电液伺服系统研究现状 近代伺服控制系统的经典控制理论5 0 年代初由美国麻省理工学院开始研究【4 】，到 6 0 年代初构成了其基本类型。经典控制理论采用基于工作点附近的增量线性化模型 来对系统进行分析和综合，设计过程主要在频域中进行，控制器的形式主要为滞后、 超前网络和p i d 控制。目前，液压控制系统的经典控制理论已经成熟。对于一些频率 不太高、参数变化和外干扰不太大的液压伺服系统，采用经典方法进行设计，已经基 本能够满足工程需要。 近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对液压控制技术提 1 l a b v i e w 对电液伺服系统的在线控制和仿真 出了越来越高的要求，液压控制技术也从传统的机械、操纵和助力装置等应用场合开 始向航空航天、海底作业和车辆与工程机械等领域扩展。在这种情况下，仅采用液压 控制技术已难以满足上述应用场合提出的要求。机电液一体化技术【5 】正是在这种背景 下产生的。7 0 年代末到8 0 年代初逐渐完善和普及的计算机控制技术和集成传感技术 为电子技术和液压技术的结合奠定了基础。计算机控制在液压控制系统中的应用大大 地提高了控制精度和工作可靠性，使得以往难以用模拟控制实现的复杂控制策略的实 现成为可能。为了便于使微机和电液控制系统进行接口，近年来除继续采用传统的电 液伺服阀和比例阀作为电液转换与放大元件外，8 0 年代初还出现了采用高速开关阀 和步进电机拖动数字阀的脉宽调制【6 】( p w m ) 型电液伺服系统和数字增量控制【7 j ( i d c ) 型电液伺服系统。上述电液伺服系统与在传统的工业场合中应用的电液伺服 系统相比具有明显的不同之处，主要表现在：环境和任务复杂，普遍存在较大程度 的参数变化和外负载干扰；电液转换元件不同，采用了各种形式的数字阀，省去了 d a 转换装置；控制策略【8 j 变为以近代控制方法、智能控制1 9 1 方法和鲁棒控制【1 0 1 方 法为主，控制器以模拟实现为主变为以数字控制和微机控制实现为主。凡是具备上述 特性之一的电液伺服系统称为近代电液伺服系统。 国外测控系统方面，以美国m t s 公司的控制器为例，模数混合式控制器m t s 4 5 8 和m t s 4 0 7 将逐渐被全数字化控制器t e s t s t a r l i 、s e 和多通道g t 所取代。目前，美 国m t s 公司的t e s t s t a r l i 全数字控制器1 1 1 1 ，运算频率可以达到5 0 0 0 次秒，控制特性 在传统的p i d 控制基础上，还具有前馈控制1 引、频率反向补偿控制【1 3 】、幅度控制1 4 】 和压差【l5 】等辅助控制特性。 国产测控系统方面，随着单片机技术和计算机技术的发展，开始向总线化、模板 化技术发展，并逐步提高计算机在系统中的控制比重。 1 2 2 虚拟仪器的研究现状 从虚拟仪器概念提出至今，有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。研究人员在虚拟 仪器硬件接口、虚拟仪器软件及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作，并己 开发出许多实用的虚拟仪器系统。 ( 1 ) 各种虚拟仪器开发平刽1 6 】为虚拟仪器推广应用奠定了基础 美国n i 公司在虚拟仪器概念出现以后，推出了图形化虚拟仪器专用开发平台 l a b v i e w ，是目前虚拟仪器最受欢迎的主流开发平台。为了兼顾其他高级语言软件 开发者的习惯，n i 还推出了l a b w i n d o w s c v i 等交互式开发平台。在国内，西安交 2 l 绪论 大韩九强等采用面向对象技术研究了可组态生成不同虚拟仪器的可视化虚拟仪器软 件开发平台，重庆大学秦树人等提出了虚拟仪器产品的网络化开发方法。 ( 2 ) 软件工程领域的新方法【l7 1 、新理论在虚拟仪器设计中得到广泛应用 面向对象技术( o o ) 、a c t i v e x 技术、组件技术等被广泛用来进行虚拟仪器的测 试分析软件和虚拟界面软件设计，出现了许多数据处理高级分析软件和大量的仪器面 板控件，这些软件为快速组建虚拟仪器提供了良好的条件。 ( 3 ) 虚拟仪器开发向标准化方向发展【1 8 】 1 9 9 8 年9 月成立了i ( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t ) 基金会。i 基金会 是最终用户、系统集成商和仪器制造商的一个开放的联盟。i 制定的虚拟仪器统一 规范，提升了仪器驱动软件标准化水平。 ( 4 ) 虚拟仪器网络化、智能化【1 9 1 初见端倪 伴随着网络技术的高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的“虚拟实 验室”的概念。目前，虚拟实验室已成功地应用于许多大型实验室的实验研究和高等 学校的实验教学。重庆大学秦树人等提出的智能化控件的思想，通过具有一定智能的 多功能控件提高虚拟仪器灵活性。 ( 5 ) 采用接口总线组建复杂虚拟仪器系统【2 0 】 虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的 是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。目前虚拟仪器系统 开发采用的总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、g p i b 通用接口总线、v x i 总线以及 u s b 通用串行总线和i e e e l 3 9 4 总线。美国n i 公司在1 9 9 7 年9 月1 日推出模块化仪 器的主流平台p x i ，这是与c o m p a c tp c i 完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流 平台p x i c o m p a c tp c i 传输速度已经达l o o m b s ，是目前已经发布的最高传输速度。 1 3 研究内容和意义 本文以电液伺服系统为研究对象，阐述了l a b v i e w 在电液伺服系统中的应用， 研究一种基于虚拟仪器的电液伺服系统的虚拟控制器。主要研究内容如下： ( 1 ) 构建传统电液伺服系统的模型并进行仿真。 ( 2 ) 介绍数字控制的基本方式以及p l c 中的p i d 算法。 ( 3 ) 介绍l a b v i e w 的基本结构和应用模式。 ( 4 ) 搭建基于l a b v i e w 的电液伺服系统在线控制平台并加入p i d 算法。 ( 5 ) 实验验证。对传统控制方式、基于p l c 的控制方式和基于l a b v i e w 的控 3 l a b v i e w 对电液伺服系统的在线控制和仿真 制方式进行比较。 论文的实际意义在于用l a b v i e w 搭建的平台成功地取代了传统的和基于p l c 的 电液伺服系统控制平台，实现了对电液伺服系统的在线控制。在近代电液伺服系统中， 对控制策略提出了较高的要求，但是，传统的电液伺服系统不能实现复杂的控制策略， 基于p l c 的系统也只能实现p i d 控制，复杂的控制算法很难实现。但l a b v i e w 平台， 实现复杂的控制策略，比如鲁棒控制、神经网络控制【2 l 】等是可行的，在l a b v i e w 程 序结构的公式节点或在l a b v i e w 的字符串、数组、簇和矩阵的功能以及在高级阶段 面向对象的编程中都为智能控制的各种计算提供了各种不同的计算编程方式【2 2 1 。本文 的工作为电液伺服系统的研究提供了一种理想的工作平台，为后续研究奠定了基础。 4 2 传统电液伺服系统的基本模式和控制方式 2 传统电液伺服系统的基本模型和控制方式 2 1 传统电液伺服控制系统结构 图l 是电液伺服系统的总体结构框图。包括线性放大器、电液伺服阀、液压执行 元件、线性反馈元件。 图1 传统电液伺服系统结构框图 f i g u r el s l r u c t u l e df l o w c h a r to ft r a d i t i o n a le l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e m 工作原理如下： 由模拟信号发生器( 例如电位器) 发出指令给比较电路，经线性放大器后；以电 流输出至电液伺服阀；伺服阀给执行元件提供一定压力的流量拖动负载运动。在执行 元件运动的同时，输出信号至线性反馈元件，反馈元件将输出反馈信号，同指令信号 比较，实现闭环控制。 线性放大器： 由电子元件组成的电路板构成，起功率放大作用。由于控制器的输出电流信号很 小，不能直接驱动电液伺服阀，需要经伺服放大器放大，以足够的功率输出驱动伺服 阀。 电液伺服阀： 是电液伺服系统中的核心原件，在系统中，它将小功率的电信号转换成大功率的 液压能输出，它既是电液转换原件，又是功率放大元件，能够对流量和压力进行连续 的双向控制，具有很快的响应速度和良好的控制精度。 液压执行元件： 液压缸是控制系统的执行元件，将液压能转换为机械能，输出是直线运动和力。 2 2 电液伺服控制各环节传递函数 2 2 1 油缸传递函数的确定 5 l a b v i e w 对电液伺服系统的在线控制和仿真 本课题选用油缸为台湾朝田液压公司生产的l a 6 3 r 3 5 $ 2 0 0 型液压缸【2 3 】。在位 置控制中，油缸一般是积分环节，但由于活塞和油缸内壁之间存在摩擦，所以传递函 数写为【2 4 】 ( 2 一1 ) 式中，a ：液压缸活塞有效面积； c o l i l ：液压固有频率； ：液压阻尼比。 液压缸活塞有效面积为3 1 2 x1 0 。m 2 ，液压固有频率为c o 。= 4 9 11 r a d s ，液压阻尼 比为 = 0 2 ，带入数据得传递函数为【2 5 】： 啪，2 再i 3 2 0 匝5 si p2 ， i 一+ 一s + 1 ) 、4 9 11 2 4 9 11 2 2 2 伺服放大器传递函数的确定 本课题所选伺服放大器为中国航空工业第6 0 9 所生产的m k z 8 0 1 b 1 4 伺服放大 器。其性能参数如下【2 6 】：- t - 1 0 v 电压输入；4 0 m a 电流输出；放大器增益1 - 5 ；励振信 号为3 0 0 h z ，方波，幅值可调。伺服放大器可以看成是比例环节： g ( s ) = k 。( 2 3 ) 取伺服放大器的增益为：k 。= 0 0 1 a v 2 2 3 伺服阀传递函数的确定 本课题所选伺服阀为中国航空工业第6 0 9 所生产的f f1 0 2 3 0 系列的伺服阀。它 是一种双喷嘴挡板力反馈两级伺服阀。 伺服阀的传递函数通常用振荡环节： g 小，2 甄g n p4 ， 疗 刀 式中，k n ：伺服阀流量增益； 疗：伺服阀的固有频率； 考玎：伺服阀的阻尼比。 2 传统电液伺服系统的基本模式和控制方式 f f l 0 2 3 0 伺服阀参数为2 7 】：伺服阀频宽要求 1 0 0 ，伺服阀的固有频率( - o n = 1 0 0 0 r a d s ，伺服阀的阻尼比善。= 0 5 ，额定电流l n = 4 0 m a ，额定流量q 。= 3 0 l m i n 。 由此得伺服阀的流量增益为： e ：譬：坐黑掣：o 0 5 m 3 鲥 ( 2 - 5 )h i。0q4 、： g 。( s ) = 了广百0 0 5 丽_ _ + j + 1 2 2 4 传感器传递函数的确定 ( 2 6 ) 本课题选用的传感器为欧姆龙公司生产的z x l d 3 0 0 型激光传感器。传感器的参 数为【2 8 】： 功率放大器型号：z x l d a 4 1 ： 测量范围：2 0 0 m m ； 光柱直径：3 0 0 u m ； 分辨率：3 0 0 um ； 线性度：2 f s ； 环境温度：0 5 0 度； 相对湿度：3 5 8 5 r h 。 在本系统中视位移传感器为比例环节。这里位移传感器的量程是2 0 4 3 0 衄，输 出电压为0 - 5 1 1 v ，所以位移传感器的传递函数为： g ( j ) = k i g 唱= 器= 0 0 2 5 v m m = 2 5 v 脚( 2 - 7 ) 2 2 5 传统闭环控制系统方块图 根据传统电液伺服系统的结构框图和式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可得传统闭 环控制系统的方框原理图如图2 所示。 7 l a b v i e w 对电液伺服系统的在线控制和仿真 图2 传统闭环控制系统方框图 f i g u r e2b l o c k - d i a g r a mo ft r a d i t i o n a lc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m 由图2 可得系统开环传递函数为： g 0 ) = k ，g 。o ) g ( s ) k l 由此传递函数得，闭环系统波特图如图3 所示。 图3 闭环系统波特图 f i g u r e3b o d ed i a g r a mo fc l o s e d l o o ps y s t e m 8 ( 2 8 ) 空羔 2 传统电液伺服系统的基本模式和控制方式 由图3 可知，系统在- 3 d b 处的截止频率魄为3 9 7 h z ，根据s h a n n o n 采样定理， 采样频率要大于2 倍系统信号的最高频率，应为 = s h z 。 2 3 系统模型的仿真 这里在m a t l a b 环境下，对上述建立的数学模型进行了在阶跃信号输入下的仿 真【2 9 】。图4 是未加补偿时的系统阶跃响应曲线；图5 是加入比例环节下( k p = 1 0 ) 的 系统阶跃响应曲线。从这两幅图中可以看出系统是稳定的。 图4 未补偿时系统阶跃响应 f i g u r e4s t e pr e s p o n s eo fn o t - c o m p e n s a t e dr e s p o n s e 图5 补偿后系统阶跃响应 f i g u r e5s t e pr e s p o n s eo fc o m p e n s a t e d 9 l a b v i e w 对电液伺服系统的在线控制和仿真 2 4 小结 本章主要分析了传统电液伺服系统的工作原理，建立了电液伺服系统的模型并进 行了仿真分析，为后续章节奠定了基础。 l o 3 数字控制的基本方法 3 数字控制的基本方法 随着计算机技术的迅速发展，电液伺服控制系统也由模拟型伺服系统向数字型伺 服系统发展，模拟型伺服系统在系统内运转的全部是连续参量，数字型则部分或全部 是离散参量。数字伺服系统由于使用脉冲信号，分辨率高，系统误差又与参量变化范 围的大小无关，故可得到很高的控制精度。此外，它还能运用数字计算机对信息进行 贮存、解算和控制，在大系统中实现多环路、多参量的实时控制，因此有着广阔的发 展前景。目前电液伺服控制系统的数字控制方案主要是基于p l c 的。 3 1 数字控制系统方框图 图6 为基于p l c 的数字控制系统方框图 3 1 1a d 转换 图6 基于p l c 的数字控制系统方框图 f i g u r e6b l o c k - d i a g r a mo fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do np l c 图6 中，a d 转换是将模拟信号变为数字信号。a d 转换的过程包括采样、保持、 量化和编码【3 0 】。 采样的过程可以用一个开关形象的表示，如图7 所示。 图7 采样开关 f i g u r e7s a m p l e d - d a t as w i t c h 假设采样开关每隔一定的时1 9t 闭合一次，t 称为采样周期，采样频率为 fs =；1(3-1) 而采样角频率为 。= 2 _ r l = 2 矾( 3 - 2 ) l a b v i e w 对电液伺服系统的在线控制和仿真 经过采样开关之后，连续信号e ( t ) 变为离散信号e ( t ) ，e ( t ) 的表达式为 p ( f ) = 乏：e ( k t ) s ( t k t ) ( 3 3 ) 函 式中，e ( k t ) 表示e ( t ) 在k t 时刻的值 由上述采样过程的分析可知，采样后得到的离散模拟信号本质上还是模拟信号， 因此