電液伺服實驗臺在實踐教學中的應用

趙勁松，孫鑫宇，董 杰，徐嘉祥，何冰耀，劉子旭

（燕山大學a.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室；b.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室；c.機械工程學院，河北秦皇島 066004）

0 引言

液壓伺服控制技術是機電液一體化技術的重要分支，涵蓋了控制工程基礎、現(xiàn)代控制理論、液壓傳動及液壓控制系統(tǒng)等相關課程的理論知識［1-2］，這些課程知識點抽象、理論性強，主要講授系統(tǒng)設計、建模、分析及控制等基本方法，在機電控制工程專業(yè)中占有舉足輕重的地位［3-4］。目前在高校中，這些課程仍以傳統(tǒng)的課堂教學方式為主，缺乏與現(xiàn)代工業(yè)技術相匹配的實踐教學環(huán)節(jié)，不利于理論應用和工程實踐能力兼?zhèn)涞娜瞬排囵B(yǎng)。以實體平臺為載體開展實踐教學，將抽象的概念具體化，可使學生對課程理論知識直觀驗證，有助于加深理論知識的理解和提高實踐能力［5］。

電液伺服系統(tǒng)具有控制精度高、響應速度快、輸出功率大等優(yōu)點，被廣泛用于工業(yè)控制領域［6-7］，如用于高精度主被動加載平臺［8-9］、車輛道路模擬［10］；還可廣泛應用于機器人領域，如助力機器人［11］、醫(yī)療康復機器人［12-13］等；也可用于交通裝備領域，飛機防滑剎車系統(tǒng)和列車轉向系統(tǒng)性能檢測［14-15］等領域。

基于電液伺服實驗臺進行實踐教學，可將學生所學理論知識在實際操作中加以驗證，彌補傳統(tǒng)課堂教學不足，提高液壓伺服控制相關課程教學質量，提升機電控制工程專業(yè)學生實踐能力，進而培養(yǎng)機電液一體化領域引領型人才。

1 實驗臺組成及系統(tǒng)工作原理

電液伺服實驗臺主要由泵站、液壓動力元件、傳動機構以及電控系統(tǒng)組成。泵站由恒壓變量泵、電動機、溢流閥及液壓輔件組成；液壓動力元件由伺服液壓缸和伺服閥構成；傳動機構為負載多級倍增裝置；電控系統(tǒng)采用基于xPC-Target 快速原型的數(shù)字控制器來實現(xiàn)。

伺服閥與液壓缸板式連接，液壓缸固定在機架上，位移傳感器安裝在液壓缸側端。頂部液壓缸活塞桿通過力傳感器與底部液壓缸活塞桿相連，形成一組對頂缸。負載多級倍增裝置作為載荷放大及傳遞載體，兩端通過滑動轉向套分別與液壓缸活塞桿、負載塊連接，負載塊兩側連接桿套有彈簧。電液伺服實驗臺實物如圖1 所示。

圖1 電液伺服實驗臺實物圖

電液伺服實驗臺的伺服控制系統(tǒng)可實現(xiàn)位置、速度和力伺服的功能。由上位機發(fā)出伺服系統(tǒng)的指令信號，與傳感器采集到的液壓缸輸出信號相比較，得到的偏差信號經(jīng)控制器作用后作為伺服閥的驅動信號，控制液壓缸精確跟蹤輸入指令。電液伺服實驗臺位置、速度和力伺服的原理方框圖如圖2 所示。

圖2 電液伺服實驗臺控制原理圖

2 系統(tǒng)建模與控制

2.1 系統(tǒng)建模

負載通過負載多級倍增裝置等效作用于液壓缸活塞桿，以模擬實際工程中較大的負載。

為描述伺服閥控對稱缸的動態(tài)特性，建立伺服閥流量方程、液壓缸流量連續(xù)方程、液壓缸輸出力與負載力平衡方程。

伺服閥流量方程為

我不知道你注意到?jīng)]有，在此次收購普洛斯的股權結構中：萬科占比21.4%，厚樸、高瓴資本、S MG，分別持股21.3%、21.3%、21.2%，萬科雖然為第一大股東，但股份僅比第二大和第三個股東高出0.1%，其象征意味大于實際意義。萬科雖然控股，但從治理結構看，普洛斯管理層實際說了算。這對萬科來講，可能也并非是壞事。

式中：qL為負載流量；Kq為伺服閥流量增益；xv為伺服閥閥芯位移；Kc為伺服閥流量-壓力系數(shù)；pL為負載壓力。

液壓缸流量連續(xù)方程為

式中：Ap為液壓缸活塞有效面積；xp為活塞位移；x·p為活塞速度；Ctp為液壓缸總泄漏系數(shù)；Vt為液壓缸有效容積；βe為有效體積彈性模量；p·L為負載壓力變化率。

式中：mt為活塞及負載折算到活塞上的總質量；mp為活塞質量；mr為負載折算到活塞上的質量；m1為負載質量；K為負載彈簧折算到活塞端的等效剛度；Ki為負載彈簧剛度；為負載倍增裝置恒定傳動比，負載倍增裝置原理圖如圖3 所示。

圖3 負載倍增裝置原理圖

液壓缸輸出力與負載力平衡方程為

式中：為活塞加速度；Bp為活塞的黏性阻尼系數(shù)；FL為作用在活塞上的外負載力。

對式（1）、（2）及（5）進行拉氏變換得到

根據(jù)式（6）可建立伺服閥控對稱液壓缸方框圖，如圖4 所示。

圖4 伺服閥控對稱液壓缸方框圖

對指令輸入Xv的傳遞函數(shù)為

式中：Kps＝Kq／Kce為總壓力增益；Kce＝Kc＋Ctp為總流量-壓力系數(shù)；］為慣性環(huán)節(jié)的轉折頻率；為液壓彈簧剛度；ω0＝為綜合固有頻率；為液壓固有頻率；

為綜合阻尼比。

對干擾輸入FL的傳遞函數(shù)為

伺服閥頻寬遠大于綜合固有頻率（5～10 倍），伺服閥動態(tài)模型可視為比例環(huán)節(jié)［16］。高頻響伺服閥在低頻段工作時，驅動信號與伺服閥閥芯位移的傳遞關系可視為比例環(huán)節(jié)，表示為

式中：Ka為伺服閥放大系數(shù)；u為伺服閥驅動電信號。

伺服閥控對稱缸的位置、速度、力控制方框圖如圖5 所示。位置控制方框圖中虛線分別表示速度和加速度反饋校正、動壓反饋校正。其中Xr為位置指令信號;為速度指令信號；Xe為位置偏差信號；Fr為力指令信號；Fp為液壓缸輸出力；Fe為力偏差信號；Gc（s）為PID控制器傳遞函數(shù)；Ug為工控機輸出電壓；Ka為伺服放大器增益；Q為泄漏壓縮流量；Kfv為速度反饋增益；Kfa為加速度反饋增益；Kfp為壓力反饋增益。

圖5 伺服閥控對稱缸的控制方框圖

2.2 基于xPC-Target的快速原型控制

電液伺服實驗臺的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)由上位機、下位機、信號調理箱及傳感器組成。采用上下位機控制模式，通過以太網(wǎng)進行通信［17］。上位機采用普通計算機，用于搭建控制模型，調節(jié)控制參數(shù)，監(jiān)控實時狀態(tài)，存儲實驗數(shù)據(jù)。上位機將控制程序編譯成C 語言，經(jīng)由以太網(wǎng)下載至下位機，并進行實時數(shù)據(jù)交互。下位機采用裝有xPC-Target 系統(tǒng)的工控機，用于運行控制程序，實現(xiàn)對實驗臺的控制。控制程序包括指令模塊、控制器模塊及板卡驅動模塊，控制周期為1 ms。上述程序模塊均在Matlab／Simulink 環(huán)境下開發(fā)，可實現(xiàn)可視化無代碼編程，打破控制與編程之間的障礙，可高效地開發(fā)和調試整個電液伺服系統(tǒng)。下位機裝有A／D采集板卡和D／A 控制板卡。其中，采集板卡為PCI-1716 板卡，用于采集傳感器信號，控制板卡為PCI-6208 板卡，用于輸出伺服閥驅動信號。控制程序將發(fā)出的指令與采集的傳感器信號相比較，經(jīng)控制器模塊輸出模擬信號驅動閥控缸，從而實現(xiàn)目標位置、速度、力在負載端的復現(xiàn)。通常情況下，板卡與傳感器電信號的類型、量程不匹配，需要進行信號調理。信號調理箱將傳感器采集的4～20 mA 電流信號調理為2～10 V的電壓信號，輸入到A／D采集板卡，將D／A控制板卡輸出的±10 V 電壓信號調理為±40 mA 的電流信號，以控制伺服閥產(chǎn)生連續(xù)變化的節(jié)流口尺寸，從而實現(xiàn)反饋信號與指令信號的實時閉環(huán)控制。電液伺服實驗臺整體控制方案如圖6 所示。

圖6 電液伺服實驗臺整體控制方案

3 實驗驗證

系統(tǒng)加入8 kg的負載質量。在PI控制作用下，靜態(tài)信號加載時，給定初始值為0 mm，穩(wěn)態(tài)值為2 mm的階躍信號；動態(tài)信號加載時，給定偏移量為0 mm，幅值為20 mm，頻率為0.5 Hz 的正弦信號。調整PI 控制器參數(shù)，使位移跟蹤產(chǎn)生振蕩，位移跟蹤曲線如圖7所示。

圖7 位移響應曲線

調節(jié)液壓缸兩腔之間旁路泄漏通道節(jié)流閥開口，增加液壓缸泄漏量，提高液壓阻尼比，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，有利于快速性與穩(wěn)態(tài)精度的提升，旁路泄漏位移跟蹤曲線如圖8 所示。

圖8 旁路泄漏位移響應曲線

伺服閥帶寬遠大于液壓固有頻率，加入速度和加速度反饋校正，提高液壓固有頻率與液壓阻尼比以改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且有利于快速性與穩(wěn)態(tài)精度的提升，速度和加速度反饋校正位移跟蹤曲線如圖9 所示。

圖9 速度和加速度反饋校正位移響應曲線

伺服閥帶寬遠大于液壓固有頻率，引入動壓反饋校正，在不降低靜態(tài)速度剛度的前提下，提高液壓阻尼比以改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且有利于快速性與穩(wěn)態(tài)精度的提升，動壓反饋校正位移跟蹤曲線如圖10 所示。

圖10 動壓反饋校正位移響應曲線

在相同系統(tǒng)參數(shù)下，靜態(tài)信號加載時，給定初始值為0 mm／s，穩(wěn)態(tài)值為3 mm／s的階躍信號；動態(tài)信號加載時，給定偏移量為0 mm／s，幅值為30 mm／s，頻率為0.5 Hz的正弦信號。調整PI控制器參數(shù)，使速度跟蹤性能達到最佳，速度跟蹤曲線如圖11 所示。

圖11 速度響應曲線

系統(tǒng)加入8 kg的負載質量與30 000 N／m的彈簧剛度。靜態(tài)信號加載時，給定初始值為500 N，穩(wěn)態(tài)值為800 N的階躍信號；動態(tài)信號加載時，給定偏移量為0 N，幅值為800 N，頻率為0.5 Hz的正弦信號。調整PI控制器參數(shù)，使力跟蹤性能達到最佳，力跟蹤曲線如圖12 所示。

圖12 力響應曲線

實驗結果表明，電液伺服實驗臺具有良好的動態(tài)跟蹤性能，且系統(tǒng)響應速度快、穩(wěn)定性高。可開展位置、速度與力閉環(huán)控制實驗，液壓缸旁路泄漏實驗，速度和加速度及動壓反饋校正實驗。從而驗證了控制工程基礎、現(xiàn)代控制理論以及液壓控制系統(tǒng)等課程的理論知識，并將理論知識融于實際工程中，提高了學生的專業(yè)實踐能力。

4 結語

電液伺服實驗臺基于快速原型控制技術，采用負載多級倍增裝置，實現(xiàn)大慣量、高剛度負載系統(tǒng)模擬，可完成伺服系統(tǒng)響應特性實驗，提高了學生運用理論知識解決實際問題的能力。電液伺服實驗臺的控制實驗涉及機電液一體化技術，將液壓伺服、控制理論、系統(tǒng)建模及仿真等理論知識與實際工程相融合，豐富了實驗教學內容，提高了學生的實踐能力。