摘要 本文介紹了一種在工業(yè)應(yīng)用中使用的基于附加前饋補償，也稱復(fù)合控制系統(tǒng)的液壓位置控制系統(tǒng)，分析了該控制系統(tǒng)的組成和工作機理，并與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行了對比，分析了其優(yōu)缺點，最后用MATLAB中的Simulink對系統(tǒng)原理進(jìn)行了仿真。

關(guān)鍵詞 前饋補償，復(fù)合控制，電液伺服，位置控制，仿真

1前 言

陶瓷壓磚機頂出裝置，主要由執(zhí)行機構(gòu)——頂出油缸、動力源——液壓泵站及其伺服閥、伺服控制器、PLC及頂出油缸檢測裝置——直線位移傳感器組成，是機械、電控和液壓等控制技術(shù)的綜合應(yīng)用。通過頂出裝置帶動模具運動，為陶瓷壓磚機裝填待壓制的粉料，并且在粉料被壓制成形為磚坯后將其從模具內(nèi)頂出，最后完成壓制工序，是陶瓷壓磚機重要的運動部件之一。由于采用電液伺服技術(shù)，使得頂出裝置的定位精度、響應(yīng)速度得到大幅度提高，到達(dá)目標(biāo)位置所需的時間大大縮短，正由于這些特點，陶瓷生產(chǎn)過程中對提高磚坯精度和生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實意義。同時，由于采用電液伺服控制的頂出裝置能夠方便地改變目標(biāo)位置，這樣不僅可以做到在改變產(chǎn)品規(guī)格的情況下，方便地改變頂出的目標(biāo)位置，而且可以在裝填料過程中，方便地設(shè)定不同的頂出目標(biāo)位置，可以改變同一模具內(nèi)不同區(qū)域的粉料裝填情況，從而達(dá)到控制磚坯厚度的目的。對比原來的機械定位式的頂出裝置，新技術(shù)大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

電液伺服控制技術(shù)具有以下特點：

電液伺服控制技術(shù)作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和液壓技術(shù)的橋梁，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制技術(shù)的重要構(gòu)成。由于它具有線性好、死區(qū)小、靈敏度高，動態(tài)性能好、響應(yīng)快、精度高等顯著優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

對于液壓伺服控制的以上特點，對控制策略提出了下述要求：

（1） 應(yīng)盡量滿足系統(tǒng)的靜、動態(tài)精度要求，嚴(yán)格地優(yōu)化設(shè)計，使系統(tǒng)做到快速而無超調(diào)；（2）對時變、外負(fù)載干擾和交聯(lián)耦合以及非線性因素引起的不定性，控制系統(tǒng)應(yīng)呈現(xiàn)較強的魯棒性；（3）控制策略應(yīng)具有較強的智能；（4）控制律、控制算法應(yīng)力求簡單可行、實時性強；（5）系統(tǒng)應(yīng)有較高的效率。

2液壓位置控制系統(tǒng)的組成

液壓伺服控制的基本原理就是液壓流體動力的反饋控制，即利用反饋連接得到偏差信號，然后去控制液壓能源輸入到系統(tǒng)的能量，使系統(tǒng)向著減小偏差的方向變化，從而使系統(tǒng)的實際輸出與希望值相符。在液壓伺服控制系統(tǒng)中，輸出量能夠自動、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律，同時還對輸入信號進(jìn)行功率放大，因此也是一個功率放大器。

（1） 主控制器

系統(tǒng)采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC中的CPU314C-2PtP作為主控制器。PLC通過數(shù)字量輸入輸出點與伺服控制器通訊，指派頂出裝置動作的開始時間，通過模擬量輸出點將目標(biāo)位置和到達(dá)目標(biāo)位置的速度傳送至伺服控制器，當(dāng)伺服控制器到達(dá)目標(biāo)位置后，返回一個開關(guān)信號給PLC，使壓磚機進(jìn)行下一動作。

（2） 伺服控制器和伺服閥

控制器采用MOOG公司的新型數(shù)字伺服控制器J124，閥采用高性能的MOOG系列D661伺服閥。

（3） 位置反饋測量元件

采用美國MTS公司的R-系列數(shù)字輸出-SSI傳感器。SSI的主要功能為同步數(shù)據(jù)交換，因為同步，所以應(yīng)用在閉環(huán)控制系統(tǒng)上十分容易，更能與大多數(shù)控制器連接。其主要工作原理是磁致伸縮的原理：利用兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號，然后計算這個信號被探測所需的時間周期，便能換算出準(zhǔn)確的位置。由于輸出信號是一個真正的絕對位置輸出，而不是比例的或需要再放大處理的信號，所以不存在信號漂移或變值的情況。主要技術(shù)指標(biāo)如下表所示。

（4） 控制原理框圖（見圖1）。

3液壓伺服系統(tǒng)的建模

頂出裝置采用的是如圖2所示的非對稱液壓缸液壓伺服系統(tǒng)。其流量q、壓力p與輸入信號U的關(guān)系可由下面的公式描述。基準(zhǔn)狀態(tài)下微小變化的拉氏變換后的閥特性方程為:

連續(xù)方程為:

設(shè)Ku1=Ku2=Ku，Kp1=Kp2=Kp，C1=C2=C，Csl1=Csl2=Csl，聯(lián)立式(1)和式(2)，得：

CSp1=KuU-Kpp1-A1SX-Cslp1(3)

CSp2=-KuU-Kpp2-KA1SX-Cslp2 (4)

由式(3)得：

p1=(KuU-A1SX)/(CS+Kp+Csl)

由式(4)得：

p2=-(KuU+KA1SX)/(CS+Kp+Csl)

負(fù)載方程為：

F=A1(p1－Kp2)

=A1pf=[A1/(CS+Csl+Kp)][(1+K)KuU-A1(1+K2)SX]

=[A1/(CS+Kce)][(1+K)KuU-A1(1+K2)SX](5)

控制對象的力平衡方程為：

A1pf=(mS2+bS)X+FL(6)

C=V/β+(Lπd2/4)(1/β+d/hEy)

式中：

Al、KAl——活塞面積 ，K為面積比

Ku——流量增益

Kp——壓力增益

V——包括配管的液壓缸容腔體積

β——油的體積彈性系數(shù)

l、d、h——配管的長度、內(nèi)徑、壁厚

E——配管材料彈性系數(shù)

C——壓縮系數(shù)

q1、q2——流量

Csl——泄漏系數(shù)

U——輸入信號

m——負(fù)載慣性項系數(shù)

b——負(fù)載粘性抵抗系數(shù)

FL——負(fù)載外力

由式(5)、式(6)可以推導(dǎo)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

由方程可得圖3所示數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的方框圖。

4基于復(fù)合控制的伺服控制器

為保證液壓伺服系統(tǒng)的控制精度，不僅要使系統(tǒng)具有足夠的頻寬和阻尼，而且要有理想的靜態(tài)、動態(tài)剛度，即較強的抗負(fù)載干擾能力。為了滿足控制要求，控制系統(tǒng)主要由開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合而形成復(fù)合控制，其結(jié)構(gòu)方框圖如圖4所示。

在圖4所示的復(fù)合控制系統(tǒng)中，按照偏差控制帶有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)起主要調(diào)節(jié)作用，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，而帶有前饋的開環(huán)控制則起輔助補償作用，這樣雙向控制可達(dá)到很高的控制精度。適當(dāng)?shù)剡x取補償環(huán)節(jié)B，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這正是復(fù)合控制的顯著特點：開環(huán)補償通道既提高了整個系統(tǒng)的控制精度，又不影響系統(tǒng)閉環(huán)的穩(wěn)定性。

5系統(tǒng)的仿真

通過MATLAB中的Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以解析控制系統(tǒng)的機理，為實際系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)試作分析。

就一般而言，自從計算機進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計算機模擬計算機調(diào)節(jié)器組成計算機控制系統(tǒng)，不僅可以用軟件實現(xiàn)PID控制算法，而且可以利用計算機的邏輯功能，使得PID控制更加靈活。數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，在機電、冶金、機械、化工等行業(yè)獲得廣泛的應(yīng)用。將偏差的比例（P）、積分（I）、和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。

簡單來說，PID控制各校正環(huán)節(jié)的作用如下：1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號error(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。3）微分環(huán)節(jié)：反應(yīng)偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。

根據(jù)圖4，利用Simulink進(jìn)行仿真，得出不同情況的仿真結(jié)果，結(jié)果如下：

1） 在階躍的輸入條件下不同情況的仿真：

由圖5、6、7可以看出，微分動作在反饋回路的PID控制器響應(yīng)的速度明顯低于正常PID控制策略的響應(yīng)速度，而超調(diào)量卻比正常PID控制的小。事實上，對這個系統(tǒng)采用這種結(jié)構(gòu)的PID控制器，其控制效果得到明顯改善。

2） 在正弦輸入情況下的仿真，其中曲線1為輸入信號、曲線2為輸出信號。

由圖8可以看出控制對象與系統(tǒng)輸出有明顯的滯后效應(yīng)。

由圖9可以看出，在伺服系統(tǒng)中增大前饋補償增益，能夠使控制對象很好地跟隨系統(tǒng)輸出，前饋控制提高系統(tǒng)的跟蹤性能，拓寬系統(tǒng)的頻帶。不過，在這種情況下，系統(tǒng)輸出超調(diào)比較嚴(yán)重，此時可通過調(diào)節(jié)速度環(huán)反饋來減少超調(diào)，通過仿真得出的結(jié)果在實際系統(tǒng)中得到很好地驗證。

圖10是實際系統(tǒng)中測量出的圖形，可以看出其主要性能指標(biāo)都比較好。其中，曲線1為系統(tǒng)輸出、曲線2為實際控制對象位置。

6結(jié) 語

實際上，傳統(tǒng)PID控制器具有簡單的控制結(jié)構(gòu)，在實際應(yīng)用中又較易于操作，因此它在工業(yè)過程控制中有著最廣泛的應(yīng)用。但是，由于其采用線性定常組合方案，難于協(xié)調(diào)快速性和穩(wěn)定性之間的矛盾；在具有參數(shù)變化和外干擾的情況下，其魯棒性也不夠好。當(dāng)系統(tǒng)性能要求比較高時，傳統(tǒng)PID控制往往不能滿足要求，需要對其進(jìn)行改造，像本文中介紹的增加前饋控制和對反饋控制進(jìn)行改造，形成復(fù)合控制系統(tǒng)就能滿足實際生產(chǎn)的要求。

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