基于PID控制的电液饲服系统设计与联合仿真

基于PID控制的电液饲服系统设计与联合仿真 耿远程 万纯 摘要:电液结合具有广泛的灵活性，是当前响应快、控制精度最高的伺服系统。本文设计了基于PID 控制的电液饲服系统，利用PID输出控制信号来控制电液比例阀，从而实现对控制液压缸运动的控制。 最后利用AMESim/Matlab联合仿真技术验证了所设计的控制系统控制准确快速，性能良好。 关键词:PID;电液饲服系统;联合仿真 中图法分类号:TM914.4 文献标识码:A Design and United Simulation of PID Controller for the Electro-hydraulic Servo System 12Zhang Yinzhou Geng Yuancheng (1. EGang Corporation of Wuhan Steel and Iron ( Group) Corp. ,Ezhou 436001 , Hubei , China; 2.Mechanical College of Three Gorges Univ. Yichang 443002,China;) Abstract:Since electro-hydraulic servo system has fast response and highest control accuracy, the PID controller is designed for the electro-hydraulic servo system in this paper. The output of PID controller was used to control the electro-hydraulic valve; hence the motion of the hydraulic cylinder has been controlled. The united simulation technique was adopted based on AMESim/Matlab to verify the good performance of the designed control system. Keywords:pid;electro-hydraulic servo system;united simulation 0 前言 1 系统的组成和工作原理 近年来，随着电液比例控制技术的发本系统由电液比例阀、非对称液压缸、 展，凭借着成本低、抗污染能力强的优点，控制器、传感器所组成(见图1)。 电液比例阀在许多场合逐渐取代了伺服阀 [1,2]。电液比例方向阀能同时实现流量和方 向控制，由其组成的伺服系统结构简单、控 制精度高和响应速度快，因此在液压伺服系 [3]统中得到了广泛的应用。 电液比例阀控缸液压位置伺服系统的 速度、位移跟随精度在很大程度上取决于其 控制器的控制性能。而PID控制器具有结构 [4]简单、稳定性好、可靠性高等特点，当建 图1 电液饲服系统原理图 立起控制对象的精确数学模型时，只要正确 设定PID参数，便可以对控制阀实现较精确期望值(速度、位移)是输入量，实际 的控制效果。所以本文就是探讨一种PID控值(速度、位移)是输出量。系统工作时， 制的电液比例阀控缸位置伺服系统的设计、首先由传感器测得实际速度、位置信号，经 建模与仿真。其中，为了充分保证控制系统A/D转换后，在数字控制器中与输入期望值 数学模型的精确性以及仿真的高效准确性，速度、位置相比较得到误差，然后经PID控 本文使用了AMESim软件和MATLB软件进制算法产生控制指令，最后经过D/A转换后 行联合仿真，数字测试结果验证了所设计进人比例阀的比例放大器，控制电液比例阀 PID控制器简单高效，对工程人员设计工作的开口大小，由此控制液压泵进人非对称液 具有一定的指导意义。 压缸的无杆腔的进给油量，以达到控制液压 有利于系统稳定，避免振荡，减小超调量，缸活塞杆的期望速度、位置目标。因此在整 但又对系统消除静差不利。 个过程控制中, 用误差信号作为控制量控制 (3) 微分环节:微分环节能反映偏差信号的电液比例阀的开口大小。 变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变2 PID控制器 得太大之前，在系统中引入一个有效的早期 常规PID控制系统原理框图如图2所修正信号，从而加快系统的动作速度，减小示。系统由PID控制器和被控对象组成。PID 调节时间，从而改善了系统的动态特性。控制器根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构 成控制偏差: 3 AMESim/Matlab联合仿真分析 e(t)=r(t)-y(t) (1) AMESim专门用于液压/机械系统建模、将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线仿真及动力学分析的优秀软件，对与复杂液性组合构成控制量，对受控对象进行控制。压系统它不需要对系统的数学模型有较深随着计算机技术的发展，在控制工程中，一 刻的理解;而MATLAB具有强大的数值计般用计算机增量式PID控制算法来实现数 算能力，因此将两者联合起来使用既能够发字PID控制器。增量式PID控制规律为: 挥AMESim突出的流体机械仿真效能，又ukukuk()(1)(),，，,, (2) ,能充分利用MATLAB数据处理能力优势，,,,，，,,,,ukKekKekKekek()()()[()(1)]pid,[5]取得更好的仿真效果。 式中，k为采样序号(k=1, 2，…);u(k)按照图1所示的原理图，利用AMESim为第k次采样时刻的控制器输出值; 建立相应的仿真测试模型(如图3所示)。,,,,ekekek()()(1);e(k)为第k次采样 模型分为五个主要组成部分，包括:电液阀时刻的输入偏差值;e(k-1)为第k-1次采样时 模块，PID反馈控制模块，液压缸模块，压刻的输入偏差值;K为比例系数，K为积分pi 系数，K为微分系数。 d力油模块等。 被被 y(t)r(t)e(t)u(t)+++被被被被被被-+ 被被 图2 PID控制系统原理图 iPID控制器各校正环节的作用如下: q (1) 比例环节:比例环节能及时成比例地反图3 电液饲服系统AMESim仿真模型 映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控然后将仿真模型以名称“name”进行保制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例存，并设置MATLAB与AMESim在同一工系数K增大，可以加快系统响应速度，减p作目录下工作。在MATLAB命令窗口中输小系数稳态误差，提高控制精度。但是过大 入如下命令进行模型的仿真: 会产生较大超调，甚至导致不稳定;若取得 过小，能使系统减少超调量，稳态裕度增大，>> amerun('name'); % run a simulation 但会降低了系统的调节精度，使过渡过程时输入如下命令获取仿真结果: 间延长。 >> [R，S]=ameloadt ('name'); (2) 积分环节:积分调节可提高系统的抗干其中，R中包含了用户所有指定的参数结扰能力，主要用于消除静差，提高系统的无果，并以行向量方式进行存储;S中存储了静差度，适用于有自平衡性的系统。但它存 R中每行向量所代表的参数名称。 在滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调 这样，就可以通过MATLAB丰富的绘量变大，并可能产生振荡。积分作用的强弱 取决于积分时间常数T，T越大，积分作用图指令对仿真结果进行编辑。 ii 越小，反之则越强。加大积分系数T有利于i阶跃仿真测试结果如图4、5所示。图4减小系统静差，但过强的积分作用会使超调是液压缸活塞杆位移响应曲线，从图中可加剧，甚至引起振荡;减小积分系数T虽然i 见，活塞杆位移跟踪快速准确，超调量仅为系统分析与设计[M]. 北京:国防工业出版 2%。图5是位移响应曲线BODE图，从图社, 2007. 中可见，其幅值欲度为18.8KB，相值欲度 0[4]刘金琨.先进PID控制及MATLAB仿真为46.9，根据BODE判据可知系统是稳定的。 [M].北京:电子工业出版社,2003. 执行件位移响应曲线[5]陈宏亮～李华聪. AMESim与0.052 0.051Matlab/Simulink联合仿真接口技术应用研0.05 究[J]. 流体传动与控制～2006(1):14-16. 0.049 0.048 0.047 位移x/m0.046 0.045 0.044 0.043 0.042 012345678 时间t/s 图4 位移响应曲线图 图5 位移响应BODE图 4 总结 本文设计了电液饲服系统PID反馈控制器，并利用AMESim/Matlab联合仿真技术对所设计的控制系统进行仿真验证。数字仿真结果 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了所分析设计的电液饲服系统简单高效，说明AMESim/Matlab联合仿真在液压系统设计方面具有较高的实际应用价值。 参考文献 [1]黎启柏. 电液比例控制与数字控制系统[M]. 北京:机械工业出版社, 1997. [2]肖体兵,, 吴百海. 高精度电液比例阀控缸位置伺服系统控制器的设计[J]. 机床与液压～2005(11):53-55. [3]宋志安. 基于MATLAB的液压伺服控制