李艷杰，崔天宇，王 海，馬 鶴，苗鑫超

(沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

電液比例閥是以傳統(tǒng)的工業(yè)用液壓控制閥為基礎(chǔ)，采用可靠、廉價(jià)的模擬式電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置(比例電磁鐵等)將電信號轉(zhuǎn)換為位移信號，連續(xù)地控制液壓系統(tǒng)中工作介質(zhì)的壓力、方向或流量的一種液壓元件［1］。此種閥工作時(shí)，閥內(nèi)電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置根據(jù)輸入的電壓信號產(chǎn)生相應(yīng)動作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變，以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量輸出。電液比例閥的應(yīng)用簡化了液壓系統(tǒng)，并能防止壓力或速度變換時(shí)的沖擊現(xiàn)象，同時(shí)克服了伺服閥液壓控制系統(tǒng)中存在的功率損失大、制造和維護(hù)成本高、對油液過濾要求較苛刻等問題。目前比例閥控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于電梯、注塑機(jī)、鍛壓機(jī)、工程機(jī)械等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域［2］。和伺服控制系統(tǒng)不同的是，比例控制系統(tǒng)本身是開環(huán)控制系統(tǒng)，其控制精度與伺服控制系統(tǒng)相比相差較大。為使比例控制系統(tǒng)在保持原有優(yōu)勢的同時(shí)，提高系統(tǒng)控制精度，更好地滿足工業(yè)需求，可采用計(jì)算機(jī)控制的方法通過軟件編程在比例控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)位置、速度等參量的閉環(huán)控制。本文提出一種利用PLC控制器實(shí)現(xiàn)比例閥控液壓缸的位置PID閉環(huán)控制的軟件實(shí)現(xiàn)策略，該策略在Festo TP701比例控制實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，該方法簡單可靠、能實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制、控制精度較高，可滿足工業(yè)需求。

1 比例閥控制技術(shù)

比例閥介于常規(guī)開關(guān)閥和閉環(huán)伺服閥之間，已成為現(xiàn)今液壓系統(tǒng)的常用組件，為開環(huán)控制系統(tǒng)。該類系統(tǒng)的基本信號流程圖如圖1所示。

圖1 比例閥控制系統(tǒng)信號流程圖

比例放大器將輸入電壓信號(一般為0～±10V)成比例地轉(zhuǎn)化為電流，即輸出變量，其額定輸出電流一般在0～3A之間，可根據(jù)比例電磁鐵的驅(qū)動電流需求選擇滿足要求的電流放大器。比例電磁鐵產(chǎn)生一個(gè)與輸入變量成比例的力或位移輸出。液壓閥以這些輸出變量(力或位移)作為輸入信號按比例輸出流量或壓力，使液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可進(jìn)行方向控制，同時(shí)可進(jìn)行速度和壓力的無級調(diào)控。

從圖1可以看出，比例閥控制系統(tǒng)本身是開環(huán)控制系統(tǒng)，比例放大器根據(jù)調(diào)定的設(shè)定值控制比例方向閥，比例方向閥閥口打開，調(diào)定某一流量，液壓缸的活塞桿開始運(yùn)動。但如要求液壓缸的活塞停在預(yù)定位置，由于開環(huán)系統(tǒng)的干擾因素較多，難以控制。這些干擾因素包括:比例閥的切換性能隨油的粘性而變化;由于壓差不同，通過閥的流量不同，得到液壓缸的不同位置;液壓缸活塞的制動距離隨運(yùn)動質(zhì)量和調(diào)節(jié)速度的不同而發(fā)生變化等［3-5］。

2 基于PLC的比例閥位置閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)

2.1 基于PLC的比例閥位置閉環(huán)控制原理

增加適當(dāng)傳感器，可利用計(jì)算機(jī)控制的方法，通過控制算法在比例閥控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。圖2為利用西門子S7-200通過軟件編程實(shí)現(xiàn)比例閥控液壓缸位置閉環(huán)控制的系統(tǒng)構(gòu)成原理示意圖。系統(tǒng)中液壓缸帶有位移傳感器。S7-200CPU采集傳感器信息，與指令信號進(jìn)行比較，將經(jīng)控制算法運(yùn)算后的控制量發(fā)送給比例閥的比例電磁鐵，實(shí)現(xiàn)液壓缸的位置閉環(huán)控制。

圖2 比例控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

系統(tǒng)液壓部分的主要部件有泵源、三位四通比例方向閥和帶位移傳感器的液壓缸。電氣控制部分則主要由S7-200系列CPU、模擬量輸入/輸出模塊及電流放大器等組成。位置閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制框圖如圖3所示。

圖3 比例控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制的軟件算法框圖

2.2 S7-200PLC中的PID功能實(shí)現(xiàn)

PID控制器根據(jù)PID控制原理對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行偏差調(diào)節(jié)，使被控變量的實(shí)際值與工藝要求的給定值一致。

PID 調(diào)節(jié)器的方程如下［6］:

式中:u為控制器的輸出信號;e為給定值和實(shí)際值之間的偏差信號;kp為比例增益;kI為積分增益;kD為微分增益。

PID控制器具有以下優(yōu)點(diǎn):1)不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型;2)結(jié)構(gòu)簡單，計(jì)算量小，需要整定的參數(shù)少，參數(shù)調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)多回路控制;3)有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性;4)使用方便。

STEP7是用于西門子組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，S7-200系列PLC使用STEP7-Micro/Win。在S7-200系列中PID功能通過PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)，按照采樣時(shí)間定時(shí)執(zhí)行PID功能塊，依據(jù)PID運(yùn)算規(guī)律，計(jì)算出控制量。式(2)為式(1)離散化后控制量的計(jì)算公式。

式中:Mn為第n采樣時(shí)刻PID回路計(jì)算的輸出值;kc為PID回路增益;spn為第n采樣時(shí)刻的給定值;pVn為第n采樣時(shí)刻的過程變量值;pVn-1為第n-1采樣時(shí)刻的過程變量值;Ts為采樣時(shí)間間隔;TI為積分時(shí)間;TD為微分時(shí)間;Mx為第n-1采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)。

S7-200中PID指令的功能是利用回路表中的輸入信息，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。指令格式為:PID TBL，LOOP。TBL是回路表的起始地址，是由VB指定的字節(jié)型數(shù)據(jù)。LOOP為回路號，范圍0～7，用戶程序中最多可以有8條PID回路，不同的回路不能用相同的回路號。

執(zhí)行PID調(diào)節(jié)前必須先對回路表進(jìn)行設(shè)置，回路表的主要參數(shù)及格式見表1。

由于實(shí)際控制系統(tǒng)中采集的數(shù)據(jù)都為工程中的實(shí)際數(shù)據(jù)，必須將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)形式，才能被PLC中的PID指令接收。在程序執(zhí)行完畢后，需將輸出的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成工程中的實(shí)際值。S7-200中PID功能塊只接受0.0～1.0之間的實(shí)數(shù)作為反饋、給定與控制輸出的有效數(shù)值。因此必須把外圍實(shí)際物理量與PID功能塊的輸入/輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入/輸出轉(zhuǎn)換與標(biāo)準(zhǔn)化處理。圖4、圖5為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)變換的梯形圖程序。

表1 S7-200 PID指令回路表主要參數(shù)

圖4 模擬量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的過程變量的梯形圖程序

2.3 比例閥控缸位置閉環(huán)控制的軟件實(shí)現(xiàn)

三位四通比例方向閥有兩個(gè)比例電磁鐵，不能同時(shí)得電，利用軟件實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)時(shí)，需判斷誤差方向，分別給相應(yīng)的電磁鐵發(fā)送控制電壓。

利用STEP7編程實(shí)現(xiàn)比例閥控液壓缸位置閉環(huán)控制的程序流程圖如圖6所示。

流程圖中穩(wěn)定區(qū)域依據(jù)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)的實(shí)際控制精度要求設(shè)定。考慮到7-200系列CPU的循環(huán)掃描時(shí)間及比例電磁鐵的響應(yīng)時(shí)間，程序的采樣時(shí)間設(shè)置為100 ms。

圖5 PID運(yùn)算后輸出變量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出的梯形圖程序

3 實(shí)驗(yàn)研究

Festo TP701試驗(yàn)臺為德國費(fèi)斯托公司生產(chǎn)的比例控制技術(shù)試驗(yàn)臺，系統(tǒng)中泵源的額定壓力范圍為0.5～6MPa，額定流量:6 L/min。液壓缸活塞直徑為16mm?；钊麠U直徑為10mm，最大工作壓力為6MPa，最大行程為200mm。位移傳感器精度可達(dá)0.01mm。實(shí)驗(yàn)回路的液壓系統(tǒng)原理如見圖2所示。

圖6 比例閥控液壓缸位置PID閉環(huán)控制流程圖

圖7 不同控制參數(shù)下液壓缸位置響應(yīng)曲線

本文利用西門子S7-200系列PLC對 FestoTP701試驗(yàn)臺進(jìn)行控制系統(tǒng)的改造與開發(fā)，并進(jìn)行比例閥系統(tǒng)液壓缸位置閉環(huán)控制的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中選用西門子CPU224，A/D和D/A模塊則分別選用具有4路模擬量輸入的EM231模塊和具有2路模擬量輸出的EM232模塊。系統(tǒng)中的電流放大器實(shí)現(xiàn)電壓信號轉(zhuǎn)換電流信號并按比例放大，用于驅(qū)動比例電磁鐵。

實(shí)驗(yàn)中通過給定不同的PID控制器參數(shù)可得到不同的控制特性。圖7為不同控制參數(shù)設(shè)定下液壓缸的位置響應(yīng)曲線示例，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定給定位置為120mm。

從圖7可以看出，利用PLC中的PID指令可很好地實(shí)現(xiàn)比例閥控液壓缸的位置閉環(huán)控制，控制精度和響應(yīng)速度等能滿足一般的工業(yè)需求。

4 結(jié)論

比例閥液壓控制系統(tǒng)是開環(huán)系統(tǒng)，和普通液壓控制系統(tǒng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、復(fù)合控制功能強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)。本文利用西門子S7-200PLC使用軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)了比例閥控制系統(tǒng)中液壓缸位置PID閉環(huán)控制，并在Festo TP701比例液壓試驗(yàn)臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究表明，開環(huán)比例控制系統(tǒng)中，利用軟件的方法可以實(shí)現(xiàn)位置等物理量的閉環(huán)控制，雖然控制精度和抗干擾能力等性能不如伺服閥控制系統(tǒng)，但能滿足一般工業(yè)應(yīng)用的需求，該方法擴(kuò)大了比例液壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

［1］路甬祥，胡大纮.電液比例控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］吳根茂，邱敏秀，王慶豐，等.新編實(shí)用電液比例技術(shù)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2006.

［3］吳軍強(qiáng).基于電液比例的液壓機(jī)壓力閉環(huán)控制研究［D］.成都:西華大學(xué)，2011.

［4］李勇，于韶輝.電液比例閥的雙閉環(huán)控制技術(shù)［J］.微特電機(jī)，2005(6):35-36.

［5］張利平.液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［6］李艷杰，于艷秋，王衛(wèi)紅，等.S7-200PLC原理與實(shí)用開發(fā)指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.