电液位置伺服控制系统

1、电液位置伺服控制系统摘要：采用电液比例方向阀，设计了电液位置伺服控制系统，以LABVIEW和MATLAB混 合编程实现系统的实时控制功能，以个人计算机为数字控制器，采用NI公司的USB-6008 数据采集卡完成数据采集、数据输出控制等多项功能。针对电液比例位置控制系统的特点， 建立数学模型。对于系统的不稳定性，采用PID控制算法对其进行校正，提高了系统的精 度及响应速度。关键词：LABVIEW,MATLAB，位置控制，PID算法0前言电液位置伺服系统是最基本和最常用的一种液压伺服系统，如机床工作台的位置、板带 轧机的板厚、带材跑偏控制、飞机和船舶的舵机控制、雷达和火炮控制系统以及振动试验台 等

2、。在其它物理量的控制系统中，如速度控制和力控制等系统中，也常有位置控制小回路作 为大回路中的一个环节电液位置伺服系统主要是用于解决位置跟随的控制问题，其根本任务就是通过执行机构 实现被控量对给定量的及时和准确跟踪，并要具有足够的控制精度。电液伺服系统的动态特 性是衡量一套电液伺服系统设计及调试水平的重要指标。它由电信号处理装置和若干液压元 件组成，元件的动态性能相互影响，相互制约及系统本身所包含的非线性，致使其动态性能 复杂。因此，电液伺服控制系统的设计及仿真受到越来越多的重视1本文以比例方向阀实现对伺服油缸的位置控制，加入位移传感器构成位置闭环控制系 统。采用NI公司的USB-6008数据采

3、集卡完成数据采集、数据输出控制等多项功能，以 LABVIEW和MATLAB混合编程实现了良好的实时控制功能。1系统原理及建模1.1系统组成及原理电液位置伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质，利用电信号进行控制输入和反 馈。只要输入某一规律的输入信号，执行元件就能启动、快速并准确地复现输入量的变化规 律。控制系统结构图如图1所示：计算机D/A *放大器 比例方向阀液压缸T*负载A/D F1位移传感器图1电液位置伺服控制系统结构图1.2电液位置伺服系统建模本系统的电液比例方向阀为BFW-03-3C2-95-50，通径为10mm，最高工作压力31.5MPa, 最大流量501/ min。液压缸活塞

4、的行程为20mm，根据国家标准GB2349-80活塞杆活塞系列， 知内径D为63mm，有效工作面积3.0X10-3m2。位移传感器选择为WDL200的直滑式导电塑料 电位器，其性能参数为：05V输出，测量范围O-200mm；分辨率0.Olmm；线性度0.2%。1.2.1阀控伺服缸建模比例阀线性化流量方程 TOC o 1-5 h z Q L = K q xv K c p L(1)式中Kq比例阀流量增益；Kc 比例阀流量一压力系数；pL负载压力；xv 比例阀阀芯位移。伺服油缸流量连续性方程Q = A x -s + C p +-p -s(2)L p p tp L 4PLeAp 液压缸活塞的有效面积；

5、xp 活塞的位移；Ctp-总泄漏系数；Vt液压缸 进油腔的容积；0e系统的有效体积弹性模量。液压缸和负载力平衡方程A p = M 2 + B 土 + K x + F(3)p L t dt 2p dt L p LMt 活塞以及与活塞相联的负载折算到活塞上的总质量；B p 活塞和负载的粘 性阻尼系数；K L 负载的弹簧刚度；F L 作用在活塞上的外负载力。综上所述，阀控缸的数学模型为:对上式的数学模型进行简化，不考虑干扰油缸负载传递函数为(4)(5)=Ap / kk(4)(5)Q ( A21vs22&( p s +1)( + h s + 1)K K 2 1.2.2伺服比例阀建模AQAQqAI,s

6、22g1、(+ = s + 1)21.2.3传感器传递函数(视为比例环节)K =盖=052 V / m = 25V / mp1.2.4比例放大器增益(6)(7)综上，不考虑负载干扰情况下系统方块图为:图2位置系统方框图K =芸=0.25(6)(7)综上，不考虑负载干扰情况下系统方块图为:图2位置系统方框图系统的开环传递函数:G (s)=KK / kkA2s22&s22&(k K s +1)(2 + s +1)(2+ s +1)L ecv vh h400S22 X 0.71+s + 1 4082408TI2 2 S22 X 0.71+s + 1 4082408127521275 J2基于PID控

7、制的MATLAB仿真常规PID控制器的调节性能取决于参数Kp，Ki，Kd的整定情况，参数整定的好，则控 制效果就好，否则相反。参数的整定通常有两种可用的方法：理论设计法和实验确定法。通 过大量的实验，选择PID参数分别为：Kp=1.1，Ki=0.2, Kd=0.01。在Simulink下的仿真图如图所示:图3 PID图3 PID控制的仿真图3基于LABVIEW的实时控制软件LABVIEW在线控制过程：首先进行数据采集，采集的数据是位移传感器的位移，转换为 电压，送入数据采集卡的模拟量输入端入10,程序中对模拟输入通道进行配置，主要包括配 置采样通道号、最大最小值以及采样方式（差分、单端），并输

8、出采样波形。接着是PID算法， 要设定P、I、D的参数和输出的上下限，然后是模拟量的输出，程序中对模拟量输出通道配 置，输出口配置为AO0 口，并配置输出的最大最小值。经过程序运算后得到的数值送给伺服 放大器的输入端，驱动伺服阀，使液压缸前进或后退，完成对电液伺服系统的位置控制3 数据采集系统流程图如图4所示。图4采集系统流程图数据采集时，前面板上配置有物理通道、模拟量输入的最大、最小值，配置方式为单端， 并画出数据采集的实时波形曲线。本实验中实时数据采集的对象是位移传感器的反馈值，这 个值送入N1-6008数据采集卡的模拟量输入端。采集系统子程序如图5所示。M ini mujTi ValueMaxi muni Value图5数据采集子程序框图M ini mujTi ValueMaxi muni Value图5数据采集子程序框图模拟波形T 1通道N采样4结论（1）建模过程与仿真结果表明，对系统建立正确的数学模型并进行分析仿真，分析系统 的动态特性，可以有效地预见系统的输出，达到对系统工作状态的了解，提高了设计和分析 系统的效率，为进一步控制系统，提高响应速度和控制精度奠定了一定的基础。（2）从上面可以看出利用MATLAB/Simulink仿真提供的系统的可靠性验证，准确的模 拟了实际系统的工作状态，必将在电液伺服控制领域得到广泛应用。LABVIEW可视化编程使 得系统更加简单