濾波器對變轉速液壓系統恒壓控制性能的影響研究

王平 劉丹 趙松

摘要：針對變轉速液壓系統恒壓控制中存在的信號干擾影響控制性能的問題，文中提出了對壓力反饋信號進行濾波處理的方法。結合變轉速液壓實驗平臺，通過MATLAB與LabVIEW軟件聯合編程方法設計了變轉速液壓系統壓力閉環控制系統，并通過實驗對比分析了壓力反饋信號未加濾波器、加非零相位濾波器以及加零相位濾波器3種方式下的系統壓力控制性能。實驗結果表明：對壓力反饋信號進行濾波處理可以明顯提高系統的壓力控制性能，且相比于非零相位濾波器，零相位濾波器能夠在不降低系統響應速度的基礎上，進一步降低壓力波動，提高系統壓力控制精度，改善系統魯棒性。

關鍵詞：變轉速液壓系統；聯合編程；零相位濾波器；恒壓控制

中圖分類號：TP271. 31

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487 （2018） 01-0003-04

在實際測控系統中，由于環境等各種外界干擾，測量信號總會混雜多種干擾成分，如電磁干擾、高頻噪聲等，而直接將混有干擾的信號用于反饋控制，會影響系統的控制性能[1-2]。因此，工程中往往使用Butterworth等數字濾波器對控制信號進行濾波處理，但普通的數字濾波器在濾波時有一定的相移，而且存在截斷邊界信號的吉布斯現象，不利于系統的實時控制[3]，因此，本文提出采用零相位濾波器對反饋信號進行濾波處理，提高液壓系統控制性能。

1.變轉速液壓測控平臺與控制原理設計

1.1變轉速液壓測控平臺

如圖1所示，變轉速液壓測控平臺由變轉速液壓系統和工控機測控系統兩部分組成[4-5]。

如圖1所示，油液經濾油器2、截止閥3，由伺服電機4驅動定量泵5，壓力油經過單向閥6，通過電磁換向閥9驅動柱塞馬達10旋轉，再經過電比例溢流閥11返回油箱。系統流量控制是通過伺服電機驅動定量泵來實現，伺服控制器控制伺服電機轉速變化，從而改變系統流量。電機轉速與伺服控制器輸入電壓大小成正比。系統通過電比例溢流閥11實現模擬加載，模擬負載大小與電比例溢流閥輸入電流大小成正比。

如圖2測控原理框圖所示，液壓系統的壓力、流量等信號，經過數據采集卡采集，在LabVIEW測控程序界面實時顯示與保存。同時，生成的控制信號通過數據采集卡D/A轉換后，用于控制伺服電機和電比例溢流閥，從而實時控制系統流量和壓力。

反饋信號的零相位濾波是通過在LabVIEW測控程序中嵌入MATLAB Script節點來實現的。數據采集卡將壓力傳感器測得的壓力信號傳送給LabVIEW程序，再通過MATLAB Script節點送至MATLAB中進行濾波處理，處理完成后的信號通過外部接口節點，重新送至LabVIEW程序中進行實時顯示與控制。非零相位濾波器直接從LabVIEW自帶的子Vl中調用。

1.2控制原理

變轉速液壓系統壓力反饋信號濾波的恒壓控制原理框圖如圖3所示。壓力反饋信號Pf與目標壓力P.的偏差經過PID控制器校正及電比例溢流閥放大板放大后作為控制信號，控制電比例溢流閥閥芯的開度，從而改變系統壓力。當反饋信號大于輸入信號時，閥芯開度增大，系統壓力減?。划敺答佇盘栃∮谳斎胄盘枙r，閥芯開度減小，系統壓力增大；直至反饋信號與輸入信號的偏差為0，達到目標壓力值。

信號采集過程中，反饋通道存在干擾Ⅳ，，設壓力輸入信號P1與干擾信號Ni的拉普拉斯變換式分別為P1（s）和Ni（s），壓力輸入與輸出的誤差傳遞函數為Φpi（s），干擾與輸出壓力的誤差傳遞函數為Φni（s），則可得誤差信號的拉普拉斯變換式為：

由式（1）可知，系統的壓力誤差受干擾信號的影響。因此，濾除壓力反饋信號中干擾成份，能減小或消除干擾對系統輸出的影響，提高系統壓力控制精度。

2.實驗分析

2.1 壓力動態響應性能分析

設定電機轉速700 r/min，系統目標壓力4 MPa-6 MPa-4 MPa階躍變化，PID控制器設置參數為Kp=0.25，Ki-0.01，Kd=0，對比分析壓力反饋信號未加濾波器、加非零相位濾波器及加零相位濾波器3種情況下，系統壓力的動態響應性能。非零相位濾波器使用Butterworth 3階濾波器，濾波器低通截止頻率設置為3Hz（實驗測得液壓系統壓力、流量信號最高響應頻率為1Hz左右）。零相位濾波器低通截止頻率同樣設為3Hz。圖4為未加濾波器的壓力響應曲線，圖5為加非零相位濾波器。

如圖4所示，當壓力反饋信號未經濾波處理時，實際壓力響應均值以3.85MPa-5.86MPa-3.85MPa階躍變化，存在穩態誤差，且存在較大波動，約為0.3MPa。如圖5所示，加非零相位濾波器時，實際壓力響應以3.68MPa-5.58MPa-3.69MPa階躍變化，雖然波動減小，但達不到目標壓力值，這是由于非零相位濾波器相位偏移產生的截斷信號邊界的吉布斯現象引起的。圖6是經非零相位濾波器濾波后的壓力信號，可知經過非零相位濾波器濾波后，信號成份發生相移，信號一端會移出邊界而消失，另一端則從0值開始，導致了信號失真，使實際壓力達不到目標值。圖7是加零相位濾波器的壓力響應曲線，由圖可以看出實際壓力響應達到目標值，且波動很小，控制精度高。

通過上面分析可知，在反饋通道加入零相位濾波器，有效濾除了干擾成份，不僅能減小壓力波動，而且經過動態調整能減小穩態誤差，提高控制精度。在LabVIEW測控程序中嵌入MATLAB編程，不會影響系統響應速度。

2.2魯棒性分析

設定系統目標壓力為5 MPa恒定，伺服電機轉速700 r/min-1000 r/min-700 r/min階躍變化，則流量以0.4rri3/h-0.61m3/h-0.4m3/h階躍變化。由于液壓系統壓力與流量的耦合關系，流量的變化會對壓力產生擾動。PID控制器設置參數為Kp=0.25，Ki=0.01，Ka=0，對比分析壓力反饋信號未加濾波器、加非零相位濾波器及加零相位濾波器3種情況下，系統壓力的魯棒性。

圖8是反饋信號未加濾波器處理時的壓力擾動響應曲線，實際壓力達不到設定目標值，當流量階躍上升時，系統壓力瞬時達到7.079 MPa，經過閉環PID控制，重新回到穩態值4.8 MPa，調整時間為7.35s；當流量階躍下降時，系統壓力瞬間下降至2.701 MPa，經7. 42 s調整后重新回到穩態。如圖9加非零相位濾波器的壓力擾動響應曲線所示，實際壓力在4. 88 MPa左右，且波動較大。當流量階躍上升時，壓力瞬時達到6.189 MPa，流量階躍下降時，壓力瞬時下降至3.753 MPa，經過一段時間調整，回到目標壓力附近。圖10是加零相位濾波器的壓力擾動響應曲線，當流量階躍上升時，壓力瞬間達到6.208 MPa，經過5.5s的調整，回到穩態5MPa；當流量階躍下降時，壓力瞬間達到3.867MPa，經過4.98s調整回到穩態。

通過上面實驗分析可知，反饋通道加入零相位濾波器，實際壓力響應曲線不僅能達到設定目標值，波動也小，而且在受到流量突變擾動時，能減小瞬變值和縮短調整時間，使系統能夠更快地校正擾動所產生的誤差。

3.結論

本文針對液壓系統恒壓控制中的反饋信號存在干擾的問題，提出了對壓力反饋信號進行濾波的方法，并通過實驗驗證了提出方法的有效性。實驗結果說明，作為反饋信號的壓力信號的純凈度會影響系統的控制性能，經非零相位濾波器處理的壓力信號由于存在吉布斯現象，雖然可以減小系統的壓力波動，但會影響系統的控制精度，而使用零相位濾波器不僅能減小系統穩態誤差，提高控制精度，而且能提高系統魯棒性。

參考文獻

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