李鵬+劉崇銳

摘 要：水壓試驗(yàn)機(jī)是用于單向密封類零件自動(dòng)水壓測(cè)試的自動(dòng)化檢驗(yàn)設(shè)備，其中電液伺服控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)電液伺服控制系統(tǒng)工作原理、分類及控制方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，然后以水壓試驗(yàn)機(jī)為例介紹了電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電液伺服控制;控制方法;水壓試驗(yàn)機(jī);PID控制

中圖分類號(hào)：TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

電液伺服控制是在液壓傳動(dòng)和自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)上建立起來的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。隨著自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)控制的結(jié)合，使得電液伺服控制系統(tǒng)可以完成更加復(fù)雜的功能控制與高性能的動(dòng)力控制。在一般工業(yè)的應(yīng)用上，由于它具有反應(yīng)快、功率重量比小、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，也受到了特別的重視。本文結(jié)合水壓試驗(yàn)機(jī)研制對(duì)電液伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用的研究。

1 ?電液伺服控制系統(tǒng)

1.1 ?電液伺服控制原理

電液伺服控制原理與一般伺服控制一樣，其工作原理都是按輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的差值進(jìn)行工作的，即按照偏差的控制原理。這種具有反饋的控制，我們稱為伺服控制，可以實(shí)現(xiàn)被控制量按控制信號(hào)給定規(guī)律變化的控制目的。電液伺服控制系統(tǒng)以液體作為動(dòng)力傳輸和控制介質(zhì)，利用電信號(hào)進(jìn)行控制輸入和反饋。只要輸入某一規(guī)律的輸入信號(hào)，執(zhí)行元件就能啟動(dòng)、快速并準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 ?電液伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通過傳感器（位移/力）形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制器輸出信號(hào)與傳感器（位移/力）的反饋信號(hào)通過比較做差之后得到實(shí)際控制信號(hào)，即誤差信號(hào)，將此信號(hào)輸入到伺服閥，來控制伺服閥的開口和流量，從而控制了液壓缸的位移或力，然后通過傳感器（位移/力）反饋到輸入端，形成了整個(gè)的閉環(huán)控制回路。

1.2 ?電液伺服控制系統(tǒng)分類

電液伺服控制系統(tǒng)分類方法很多，可以從不同的角度分為不同的系統(tǒng)：

（1）控制對(duì)象不同

電液伺服控制系統(tǒng)分類按照控制對(duì)象的不同主要分為三類：位置伺服控制系統(tǒng)、力伺服控制系統(tǒng)和速度伺服系統(tǒng)，其中工程常見的主要是位置伺服控制系統(tǒng)和力伺服控制系統(tǒng)。

位置伺服控制系統(tǒng)是指控制系統(tǒng)的位移（液壓缸的位移），研究主要集中于位置精度研究和多缸同步精度研究。

力伺服控制系統(tǒng)是指控制系統(tǒng)的力（液壓缸輸出力），按加載的能動(dòng)性常分為主動(dòng)加載系統(tǒng)和被動(dòng)加載系統(tǒng)（又稱為隨動(dòng)加載系統(tǒng)），研究主要集中于加載力的精度研究。

（2）輸入信號(hào)形式不同

電液伺服控制系統(tǒng)分類按照輸入信號(hào)形式的不同主要分為兩類：模擬伺服系統(tǒng)和數(shù)字伺服系統(tǒng)。

模擬伺服系統(tǒng)重復(fù)精度高，但分辨能力較低（絕對(duì)精度低）。另外模擬伺服系統(tǒng)中微小信號(hào)容易受到噪聲和零漂的影響，因此當(dāng)輸入信號(hào)接近或小于輸入端的噪聲和零漂時(shí)，就不能進(jìn)行有效的控制了。

數(shù)字伺服系統(tǒng)分為數(shù)字伺服系統(tǒng)和數(shù)字-模擬伺服系統(tǒng)兩種。在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，動(dòng)力元件必須能夠接收數(shù)字信號(hào)，可采用數(shù)字閥或電液步進(jìn)馬達(dá)。數(shù)字模擬混合式伺服系統(tǒng)中，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖與反饋脈沖相比較后產(chǎn)生數(shù)字偏差，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)化器把信號(hào)變?yōu)槟M偏差電壓，后面的動(dòng)力部分不變，仍是模擬元件。系統(tǒng)輸出通過數(shù)字檢測(cè)器（即模數(shù)轉(zhuǎn)換器）變?yōu)榉答伱}沖信號(hào)。

（3）控制方式不同

電液伺服控制系統(tǒng)分類按照控制方式的不同主要分為兩類：泵控缸系統(tǒng)和閥控缸系統(tǒng)，其中工業(yè)中閥控缸系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛。

1.3 ?電液伺服控制方法

電液伺服控制系統(tǒng)的控制方法主要分為兩類：經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制方法。

經(jīng)典控制方法是采用基于工作點(diǎn)附近的增量線性化模型來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合，設(shè)計(jì)過程主要在頻域中進(jìn)行，控制器的形式有延后、超前網(wǎng)絡(luò)和PID控制等。目前電液伺服控制系統(tǒng)的經(jīng)典控制理論已經(jīng)基本成熟，對(duì)于一些頻寬要求不太高、參數(shù)變化和外界干擾不大的伺服系統(tǒng)，采用經(jīng)典控制方法已經(jīng)可以滿足工程需要。

現(xiàn)代控制方法主要來源于現(xiàn)代控制科學(xué)的發(fā)展，如魯棒控制、滑?？刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、迭代學(xué)習(xí)控制和遺傳算法等，主要用于不確定的非線性系統(tǒng)。這類系統(tǒng)擾動(dòng)大、工作范圍寬、參數(shù)變量多、難以精確建模，經(jīng)典控制方法已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的要求。但是現(xiàn)代控制方法的理論還不成熟，對(duì)控制器要求較高，實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到預(yù)期效果，還需要繼續(xù)完善理論。

2 ?水壓試驗(yàn)機(jī)

水壓試驗(yàn)機(jī)是用于單向密封類零件自動(dòng)水壓測(cè)試的自動(dòng)化檢驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備通過計(jì)算機(jī)控制完成自動(dòng)化測(cè)試全過程，測(cè)試試驗(yàn)工具的性能是否合格。主要工作過程有自動(dòng)化進(jìn)料——升料——送入試壓腔——試壓——加持——退料過程，具體工作流程是將試件送進(jìn)主機(jī)，浮動(dòng)鉗抱緊試件定位、移動(dòng)端頂住試件、在密封試壓結(jié)束后再將其送出主機(jī)。

水壓試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)采用的是閥控缸系統(tǒng)，由液壓泵站、伺服閥、電磁閥、油路集成塊和油缸組成，主要采用多個(gè)油缸和增壓缸來自動(dòng)完成水壓試驗(yàn)機(jī)的相關(guān)動(dòng)作。

2.1 ?水壓試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)

水壓試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)采用的是分布式控制系統(tǒng)，由上位機(jī)和下位機(jī)組成。其中上位機(jī)以LabVIEW為設(shè)計(jì)平臺(tái)，用于顯示和記錄相關(guān)的位移、壓力等數(shù)據(jù)，并給下位機(jī)發(fā)送相關(guān)指令;下位機(jī)選擇PLC為平臺(tái)，對(duì)液壓執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過采集傳感器數(shù)據(jù)和其他開關(guān)量，完成水壓試驗(yàn)機(jī)既定的動(dòng)作，其中試驗(yàn)機(jī)的進(jìn)料、升料、加持、退料等流程采用采用位置伺服控制，加壓過程采用力伺服控制。

水壓試驗(yàn)控制系統(tǒng)組成如圖2所示，下位機(jī)PLC控制原理如圖3所示。

2.2 ?水壓試驗(yàn)機(jī)控制方法

PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。本伺服系統(tǒng)頻寬要求不高，外界干擾一般，采用經(jīng)典PID控制可以滿足工程需要。

圖2 ?水壓試驗(yàn)控制系統(tǒng)組成圖

PID控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示：

其中：Kp為控制器的比例系數(shù);Ti 為控制器的積分時(shí)間，也稱積分系數(shù);Td 為控制器的微分時(shí)間，也稱微分系數(shù)。

PID控制器各環(huán)節(jié)的作用如下：

（1）比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e（t），偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差，但是不能消除偏差，為有差調(diào)節(jié);比例系數(shù)越大，控制作用越強(qiáng)，反應(yīng)速度越快，偏差越小，但系數(shù)過大會(huì)引起系統(tǒng)震蕩。

（2）積分環(huán)節(jié)：會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩;但是增大積分常數(shù)會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，但可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)積分系數(shù)較小時(shí)，則積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差所需的時(shí)間較短。

（3）微分環(huán)節(jié)：阻止偏差的變化，根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)（變化速度）進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度;但微分的作用對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感。

3 ?測(cè)試和使用效果

經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試對(duì)設(shè)備進(jìn)行工件各種試驗(yàn)壓力實(shí)際測(cè)試，設(shè)備可利用計(jì)算機(jī)控制完成上料、打壓、保壓、卸料，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)完成設(shè)計(jì)要求的自動(dòng)測(cè)試。水壓試驗(yàn)機(jī)在工件有泄漏情況試驗(yàn)過程中，壓力到達(dá)設(shè)定值10 MPa時(shí)自動(dòng)保壓，自動(dòng)補(bǔ)壓狀態(tài)下壓力達(dá)到設(shè)定下限9 MPa時(shí)自動(dòng)補(bǔ)壓均可全自動(dòng)完成，如圖4～圖6所示。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

電液伺服控制系統(tǒng)在水壓試驗(yàn)機(jī)中的配套應(yīng)用，提高了設(shè)備的自動(dòng)化程度，大大提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了較好的效果，降低了檢驗(yàn)成本，效益顯著。本文對(duì)電液伺服系統(tǒng)的原理組成、分類及控制方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并將其應(yīng)用在水壓試驗(yàn)機(jī)中，對(duì)電液伺服系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)具有一定的借鑒意義。

圖4 ?合格工件試驗(yàn)壓力曲線

圖5 ?滲漏工件不自動(dòng)補(bǔ)壓試驗(yàn)壓力曲線

圖6 ?滲漏工件自動(dòng)補(bǔ)壓試驗(yàn)壓力曲線

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