基于復合控制的液壓位置控制系統及ＭＡＴＬＡＢ仿真

摘要 本文介紹了一種在工業應用中使用的基于附加前饋補償，也稱復合控制系統的液壓位置控制系統，分析了該控制系統的組成和工作機理，并與傳統PID控制進行了對比，分析了其優缺點，最后用MATLAB中的Simulink對系統原理進行了仿真。

關鍵詞 前饋補償，復合控制，電液伺服，位置控制，仿真

1前 言

陶瓷壓磚機頂出裝置，主要由執行機構——頂出油缸、動力源——液壓泵站及其伺服閥、伺服控制器、PLC及頂出油缸檢測裝置——直線位移傳感器組成，是機械、電控和液壓等控制技術的綜合應用。通過頂出裝置帶動模具運動，為陶瓷壓磚機裝填待壓制的粉料，并且在粉料被壓制成形為磚坯后將其從模具內頂出，最后完成壓制工序，是陶瓷壓磚機重要的運動部件之一。由于采用電液伺服技術，使得頂出裝置的定位精度、響應速度得到大幅度提高，到達目標位置所需的時間大大縮短，正由于這些特點，陶瓷生產過程中對提高磚坯精度和生產效率具有重要的現實意義。同時，由于采用電液伺服控制的頂出裝置能夠方便地改變目標位置，這樣不僅可以做到在改變產品規格的情況下，方便地改變頂出的目標位置，而且可以在裝填料過程中，方便地設定不同的頂出目標位置，可以改變同一模具內不同區域的粉料裝填情況，從而達到控制磚坯厚度的目的。對比原來的機械定位式的頂出裝置，新技術大大提高了產品的質量和生產效率。

電液伺服控制技術具有以下特點：

電液伺服控制技術作為連接現代微電子技術、計算機技術和液壓技術的橋梁，已經成為現代控制技術的重要構成。由于它具有線性好、死區小、靈敏度高，動態性能好、響應快、精度高等顯著優點，因而得到了廣泛的應用。

對于液壓伺服控制的以上特點，對控制策略提出了下述要求：

（1） 應盡量滿足系統的靜、動態精度要求，嚴格地優化設計，使系統做到快速而無超調；（2）對時變、外負載干擾和交聯耦合以及非線性因素引起的不定性，控制系統應呈現較強的魯棒性；（3）控制策略應具有較強的智能；（4）控制律、控制算法應力求簡單可行、實時性強；（5）系統應有較高的效率。

2液壓位置控制系統的組成

液壓伺服控制的基本原理就是液壓流體動力的反饋控制，即利用反饋連接得到偏差信號，然后去控制液壓能源輸入到系統的能量，使系統向著減小偏差的方向變化，從而使系統的實際輸出與希望值相符。在液壓伺服控制系統中，輸出量能夠自動、快速而準確地復現輸入量的變化規律，同時還對輸入信號進行功率放大，因此也是一個功率放大器。

（1） 主控制器

系統采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC中的CPU314C-2PtP作為主控制器。PLC通過數字量輸入輸出點與伺服控制器通訊，指派頂出裝置動作的開始時間，通過模擬量輸出點將目標位置和到達目標位置的速度傳送至伺服控制器，當伺服控制器到達目標位置后，返回一個開關信號給PLC，使壓磚機進行下一動作。

（2） 伺服控制器和伺服閥

控制器采用MOOG公司的新型數字伺服控制器J124，閥采用高性能的MOOG系列D661伺服閥。

（3） 位置反饋測量元件

采用美國MTS公司的R-系列數字輸出-SSI傳感器。SSI的主要功能為同步數據交換，因為同步，所以應用在閉環控制系統上十分容易，更能與大多數控制器連接。其主要工作原理是磁致伸縮的原理：利用兩個不同磁場相交產生一個應變脈沖信號，然后計算這個信號被探測所需的時間周期，便能換算出準確的位置。由于輸出信號是一個真正的絕對位置輸出，而不是比例的或需要再放大處理的信號，所以不存在信號漂移或變值的情況。主要技術指標如下表所示。

（4） 控制原理框圖（見圖1）。

3液壓伺服系統的建模

頂出裝置采用的是如圖2所示的非對稱液壓缸液壓伺服系統。其流量q、壓力p與輸入信號U的關系可由下面的公式描述。基準狀態下微小變化的拉氏變換后的閥特性方程為:

連續方程為:

設Ku1=Ku2=Ku，Kp1=Kp2=Kp，C1=C2=C，Csl1=Csl2=Csl，聯立式(1)和式(2)，得：

CSp1=KuU-Kpp1-A1SX-Cslp1(3)

CSp2=-KuU-Kpp2-KA1SX-Cslp2 (4)

由式(3)得：

p1=(KuU-A1SX)/(CS+Kp+Csl)

由式(4)得：

p2=-(KuU+KA1SX)/(CS+Kp+Csl)

負載方程為：

F=A1(p1－Kp2)

=A1pf=[A1/(CS+Csl+Kp)][(1+K)KuU-A1(1+K2)SX]

=[A1/(CS+Kce)][(1+K)KuU-A1(1+K2)SX](5)

控制對象的力平衡方程為：

A1pf=(mS2+bS)X+FL(6)

C=V/β+(Lπd2/4)(1/β+d/hEy)

式中：

Al、KAl——活塞面積 ，K為面積比

Ku——流量增益

Kp——壓力增益

V——包括配管的液壓缸容腔體積

β——油的體積彈性系數

l、d、h——配管的長度、內徑、壁厚

E——配管材料彈性系數

C——壓縮系數

q1、q2——流量

Csl——泄漏系數

U——輸入信號

m——負載慣性項系數

b——負載粘性抵抗系數

FL——負載外力

由式(5)、式(6)可以推導出系統的傳遞函數：

由方程可得圖3所示數學模型系統的方框圖。

4基于復合控制的伺服控制器

為保證液壓伺服系統的控制精度，不僅要使系統具有足夠的頻寬和阻尼，而且要有理想的靜態、動態剛度，即較強的抗負載干擾能力。為了滿足控制要求，控制系統主要由開環控制和閉環控制相結合而形成復合控制，其結構方框圖如圖4所示。

在圖4所示的復合控制系統中，按照偏差控制帶有負反饋的閉環系統起主要調節作用，改善系統的動態特性，而帶有前饋的開環控制則起輔助補償作用，這樣雙向控制可達到很高的控制精度。適當地選取補償環節B，不影響系統的穩定性。這正是復合控制的顯著特點：開環補償通道既提高了整個系統的控制精度，又不影響系統閉環的穩定性。

5系統的仿真

通過MATLAB中的Simulink對系統進行仿真，以解析控制系統的機理，為實際系統的參數調試作分析。

就一般而言，自從計算機進入控制領域以來，用數字計算機模擬計算機調節器組成計算機控制系統，不僅可以用軟件實現PID控制算法，而且可以利用計算機的邏輯功能，使得PID控制更加靈活。數字PID控制在生產過程中是一種最普遍采用的控制方法，在機電、冶金、機械、化工等行業獲得廣泛的應用。將偏差的比例（P）、積分（I）、和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。

簡單來說，PID控制各校正環節的作用如下：1）比例環節：成比例地反應控制系統的偏差信號error(t)，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。2）積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。3）微分環節：反應偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

根據圖4，利用Simulink進行仿真，得出不同情況的仿真結果，結果如下：

1） 在階躍的輸入條件下不同情況的仿真：

由圖5、6、7可以看出，微分動作在反饋回路的PID控制器響應的速度明顯低于正常PID控制策略的響應速度，而超調量卻比正常PID控制的小。事實上，對這個系統采用這種結構的PID控制器，其控制效果得到明顯改善。

2） 在正弦輸入情況下的仿真，其中曲線1為輸入信號、曲線2為輸出信號。

由圖8可以看出控制對象與系統輸出有明顯的滯后效應。

由圖9可以看出，在伺服系統中增大前饋補償增益，能夠使控制對象很好地跟隨系統輸出，前饋控制提高系統的跟蹤性能，拓寬系統的頻帶。不過，在這種情況下，系統輸出超調比較嚴重，此時可通過調節速度環反饋來減少超調，通過仿真得出的結果在實際系統中得到很好地驗證。

圖10是實際系統中測量出的圖形，可以看出其主要性能指標都比較好。其中，曲線1為系統輸出、曲線2為實際控制對象位置。

6結 語

實際上，傳統PID控制器具有簡單的控制結構，在實際應用中又較易于操作，因此它在工業過程控制中有著最廣泛的應用。但是，由于其采用線性定常組合方案，難于協調快速性和穩定性之間的矛盾；在具有參數變化和外干擾的情況下，其魯棒性也不夠好。當系統性能要求比較高時，傳統PID控制往往不能滿足要求，需要對其進行改造，像本文中介紹的增加前饋控制和對反饋控制進行改造，形成復合控制系統就能滿足實際生產的要求。

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