电液伺服泵控系统的速度控制实验研究

吴楝华，喜冠南，孙春亚,朱建新

(1.南通大学 机械工程学院，江苏 南通　226019；2.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海　200240)



电液伺服泵控系统的速度控制实验研究

吴楝华1，喜冠南1，孙春亚1,朱建新2

(1.南通大学 机械工程学院，江苏 南通226019；2.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240)

在提高电液伺服系统位置控制精度的同时，系统的响应速度也不容忽略。对试验台采用的电液伺服泵控系统进行了分析；设定目标位移为130mm，估算了系统液压缸到目标位置所需的最短理论时间；采用分段模糊PID控制策略，获得最优PID参数；设定位移前100mm为快速运动阶段，调节该阶段泵输出的流量与压力。实验结果发现，流量模拟量从3000增至6000时，运动至100mm的时间变化不明显，而当压力模拟量从1000增加至2200时，运动至100mm的时间可由1.41s缩短为0.78s，系统迟滞时间也从0.21s降至0.16s。结果表明，增大流量模拟量对液压缸速度提高的效果影响较小,而增大压力模拟量对液压缸速度提高效果的影响较为明显。

电液伺服系统；速度控制；分段模糊PID控制；压力控制

WU Lian-hua1, XI Guan-nan1, SUN Chun-ya1, ZHU Jian-xin2

(1.School of Mechanical Engineering,Nantong University, Nantong Jiangsu 226019,China；2.School of Mechanical and Power Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

0　引言

电液伺服泵控系统受摩擦、间隙等诸多非线性因素的影响，系统扰动大、鲁棒性差、难以建立精确的数学模型[1]。为提高系统的控制精度，试验前期研究采用了分段PID控制和速度分级控制，对于设定的180mm位移量，误差分别控制在±0.05mm和±0.04mm之内，有效提高了系统的动静态性能。然而传统的PID控制不能在线进行参数整定，且随着系统的复杂程度以及对精度要求的不断提高，速度分级控制也已不能满足要求，考虑到模糊控制具有推理判断能力[2-4]，故将模糊理论融入PID控制中，对液压缸的运动采用了分段模糊PID控制方法，实现了在线参数整定，对于180mm的位移量，可将误差控制在±0.02mm之内。尽管该方法使得精度得到了有效提高，但达到设定的180mm位移量所需的时间较长，当设最大流量为40L/min、最大压力为15MPa时，上述三种方法运动至目标位置的时长分别为3.22s，2.14s和3.09s，远不能满足市场要求。

为了提高系统的响应速度，在先前试验采用的分段模糊PID控制策略的基础上，不断增大流量模拟量或压力模拟量均可提高系统的响应速度，但更改流量模拟量时，速度提高效果较小，而更改压力模拟量时，速度提高效果较为明显。

1　电液伺服泵控系统结构分析

电液伺服系统融合了电控系统控制精确、操作方便以及液压系统承载能力大、传动平稳等特点[5]，在航空、船舶、汽车等诸多领域应用广泛。实验室搭建的试验台的结构组成如图1所示。

图1　电液伺服系统的结构组成

图中， 1和2分别为压力变送器和压力表，前者可将压力信号转变为模拟信号，用于反馈调节，后者用来显示压力值，便于试验者观察；为保证液压缸准确定位，采用如3所示的双液控单向阀[6-7]；由于试验台的液压缸是垂直放置的，为了减少自重的影响，采用阀4所示的叠加式抗衡阀；阀5则是用来控制油液流向的电磁换向阀；阀6为安全阀，在大的震动或压力冲击下可起到溢流作用,保证了整个系统的稳定性，避免了整体机械结构的变形或损坏[8]；试验台采用的超级单元(控制器+电机泵)为大金公司S-SUT00D8025型号，80表示最大流量为80L/min，25表示最大压力为25MPa，可通过阀7切换单泵最大流量40L/min、最大压力25MPa或者双泵最大流量80L/min、最大压力15MPa两种模式。

通过VisualStudio2008生成操作界面，利用CX-programmer编写系统控制程序，选用欧姆龙PLC CP1H型号，可调节流量模拟量或压力模拟量范围均为0到6000，PLC 自带模拟量输入输出插槽，可将输入压力模拟量和流量模拟量转化至0～10V的压力指令电压和流量指令电压，其对应关系如图2所示。

图2　流量压力模拟量与指令电压转化关系

最后经过RS232串口将上位机相应的流量指令电压和压力指令电压输送到控制柜，控制柜将压力指令电压和流量指令电压转化为相应的压力和流量，转化关系如图3所示，用以调节电机动作转速，控制液压缸运动。

图3　流量压力指令电压与压力流量指令转化关系

图中V MAX即为10V，P/Q MAX由选定的流量压力模式决定，试验时选用单泵最大流量40L/min、最大压力25MPa。

2　理论时间分析

为了提高系统的响应速度，试验时期望压力从0MPa升至最大值25MPa的时间越短越好，然后保持最大压力直到达到目标位移。超级单元的压力上升时间常数为80ms，压力下降时间常数为200ms；液压缸的直径为50mm，假如位移量为130mm，对于单泵流量40L/min而言，试验理论所需最短时间为：

(1)

受阀门打开时间，油液泄露的影响，实际时间应稍大于理论时间；与此同时，为使液压缸下降不超调，需在最后阶段切断流量和压力，使液压缸缓冲到达目标位移处；压力从最大值切换至0，易产生震动现象，损害液压系统[9]，故对整个行程采用分段处理，越接近目标位置，速度越小，而速度的减缓必然带来时间的增多。

3　试验参数确定

在试验过程中，研究对比不同流量压力模拟量下液压缸下降速度时，为防止产生撞缸现象，将位移量设定为130mm，初始的分段点保持不变，即使得行程分为0～125mm，125～129mm，129～129.7mm和129.7～130mm四段，第四段用于缓冲，前三段采用模糊PID控制，相关PID初始参数如表1所示。

表1　初始参数值

取误差e(k)的基本论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，由于仅研究液压缸下降及到达指定位置保压阶段速度情况，而液压缸在下降过程中，误差在不断减小， 误差变化率ec(k)取值应为负数，液压缸运行到指定目标位置进行保压时，ec(k)为0，故e(k)的基本论域简化为{-3，-2，-1，0}。e(k)的录属度函数采用三角形录属度函数表示，如图4所示。

图4　三角录属度函数

根据误差e(k)和误差变化率ec(k)查找模糊规则表，获得相应模糊值Kp′、Ki′、Kd′[10-11]。模糊规则表相应数据存储在PLC内存中，可通过变址寄存器IR间接寻址方式查询得到。模糊规则表根据专家经验获得，具体数值如表2所示。

表2　模糊规则表

设定的Kp、Ki、Kd比例因子如表3所示。

表3　比例因子

将模糊值与比例因子相乘即可获得PID参数修正值ΔKp、ΔKi、ΔKd。为减少过大流量压力对液压缸超调的影响，仅调节前100mm的流量模拟量或压力模拟量，其他保持初始值不变，即前三段压力模拟量为1000，第四段为0，流量为采样输出值u(k)，其可通过式(2)获得：式中，若u>6000，则使得u=6000。

(2)

4　结果与分析

4.1流量对液压缸速度的影响分析

为研究流量的变化对液压缸速度的影响，先将流量模拟量和压力模拟量都保持初始状态不变，再更改流量模拟量分别为1500、3000、4500和6000，分别进行50次试验，取平均值后将时间与位移的关系整理如图5所示。由图可以看出，除流量模拟量为1500时，液压缸走完前100mm快速运动阶段的时间为1.49s较大外，其余时间差异较小，时间缩短不明显。

图5　压力值变化时液压缸位移特性曲线

4.2压力对液压缸速度的影响分析

为研究压力的变化对液压缸速度的影响，先设定流量模拟量为 6000，将100mm内的压力模拟量保持为初始值1000进行50次试验，取平均值后将时间与位移的关系整理如图6所示。

图6　压力值为1000时液压缸位移特性曲线

由上图可以看出，前100mm快速运动阶段的时间约为1.45s，系统迟滞时间约为0.28s。

然后对于同样流量模拟量，将前100mm的压力模拟量分别改为1500、2000和2200，同样针对每个压力模拟量进行50次试验，取平均值后将时间与位移的关系整理如图7所示。

图7　压力值分别为1500、2000和2200时液压缸位移特性曲线

由上图可以明显看出，随着压力值的不断增大，液压缸响应时间不断缩短，响应速度得以提升。当压力值由1500增至2200时，前100mm快速运动阶段的时间由1.06s缩短至0.78s，系统迟滞时间也从0.21s降至0.16s，速度提升效果明显。

5　总结与展望

在提高电液伺服泵控系统控制精度的同时，应尽量减少系统的响应时间。通过增大流量或压力可以提高系统响应速度，但流量对速度提高的作用效果较小，而压力的增加对速度提高的作用效果较为明显，具体表现在：

(1) 流量模拟量为1500时，前100mm快速运动阶段的时间为1.49s较长，而当流量模拟量从3000提高至6000时，时间都在1.42s左右，速度变化不明显；

(2) 压力模拟量从1000提高至2200时，前100mm快速运动阶段的时间由1.45s逐渐缩短至0.78s；系统迟滞时间也从0.28s降至0.16s，液压缸速度提高效果明显。

压力模拟量最大可设为6000，而针对以上参数，当压力模拟量设为2500时，液压缸就不受控制，发生撞缸现象，考虑后续实验中，在液压缸下方添加负载，用来缓冲压力。液压缸的精度受压力变化的影响不大，但整体误差也不够理想，运行130mm，误差控制在±0.15mm之内，后续将重新调整参数，同时考虑各参数的变化对时间和精度的影响。

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(编辑李秀敏)

Study on Speed Control of Electro Hydraulic Servo Pump Control System

In improving the position control accuracy of electro hydraulic servo system, the response speed of the system cannot be ignored.The electro-hydraulic servo pump control system used in the experimental station is analyzed.The target displacement is 130mm and the shortest theoretical time needed for the hydraulic cylinder to the target position is estimated.Piecewise fuzzy PID control strategy is adopted and the optimal PID parameters are obtained.First 100mm is set as fast moving phase，the flow and pressure in this stage are adjusted.From the experimental results, it is found that when the flow analog value increases from 3000 to 6000, the variety of the time needed for moving to 100mm is not obvious, but when the pressure analog value increases from 1000 to 2200, the time needed for moving to 100mm can be shortened from1.41s to 0.78s, the system lag time also drops from 0.21s to 0.16s.Thus it can be seen that the effect of hydraulic cylinder speed improvement is small by increasing flow analog value but obvious by increasing pressure analog value.

electro hydraulic servo system; speed control; piecewise fuzzy PID control; pressure control

1001-2265(2016)09-0061-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.017

2015-09-25

吴楝华(1991—)，女，江苏南通人，南通大学硕士研究生，研究方向为新能源与节能技术，(E-mail)18761720070@163.com。

TH137.9;TG659

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