王平 劉丹 趙松

摘要：針對變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)恒壓控制中存在的信號干擾影響控制性能的問題，文中提出了對壓力反饋信號進(jìn)行濾波處理的方法。結(jié)合變轉(zhuǎn)速液壓實(shí)驗(yàn)平臺，通過MATLAB與LabVIEW軟件聯(lián)合編程方法設(shè)計(jì)了變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)對比分析了壓力反饋信號未加濾波器、加非零相位濾波器以及加零相位濾波器3種方式下的系統(tǒng)壓力控制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對壓力反饋信號進(jìn)行濾波處理可以明顯提高系統(tǒng)的壓力控制性能，且相比于非零相位濾波器，零相位濾波器能夠在不降低系統(tǒng)響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低壓力波動，提高系統(tǒng)壓力控制精度，改善系統(tǒng)魯棒性。

關(guān)鍵詞：變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)；聯(lián)合編程；零相位濾波器；恒壓控制

中圖分類號：TP271. 31

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-6487 （2018） 01-0003-04

在實(shí)際測控系統(tǒng)中，由于環(huán)境等各種外界干擾，測量信號總會混雜多種干擾成分，如電磁干擾、高頻噪聲等，而直接將混有干擾的信號用于反饋控制，會影響系統(tǒng)的控制性能[1-2]。因此，工程中往往使用Butterworth等數(shù)字濾波器對控制信號進(jìn)行濾波處理，但普通的數(shù)字濾波器在濾波時有一定的相移，而且存在截斷邊界信號的吉布斯現(xiàn)象，不利于系統(tǒng)的實(shí)時控制[3]，因此，本文提出采用零相位濾波器對反饋信號進(jìn)行濾波處理，提高液壓系統(tǒng)控制性能。

1.變轉(zhuǎn)速液壓測控平臺與控制原理設(shè)計(jì)

1.1變轉(zhuǎn)速液壓測控平臺

如圖1所示，變轉(zhuǎn)速液壓測控平臺由變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)和工控機(jī)測控系統(tǒng)兩部分組成[4-5]。

如圖1所示，油液經(jīng)濾油器2、截止閥3，由伺服電機(jī)4驅(qū)動定量泵5，壓力油經(jīng)過單向閥6，通過電磁換向閥9驅(qū)動柱塞馬達(dá)10旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過電比例溢流閥11返回油箱。系統(tǒng)流量控制是通過伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵來實(shí)現(xiàn)，伺服控制器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，從而改變系統(tǒng)流量。電機(jī)轉(zhuǎn)速與伺服控制器輸入電壓大小成正比。系統(tǒng)通過電比例溢流閥11實(shí)現(xiàn)模擬加載，模擬負(fù)載大小與電比例溢流閥輸入電流大小成正比。

如圖2測控原理框圖所示，液壓系統(tǒng)的壓力、流量等信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集，在LabVIEW測控程序界面實(shí)時顯示與保存。同時，生成的控制信號通過數(shù)據(jù)采集卡D/A轉(zhuǎn)換后，用于控制伺服電機(jī)和電比例溢流閥，從而實(shí)時控制系統(tǒng)流量和壓力。

反饋信號的零相位濾波是通過在LabVIEW測控程序中嵌入MATLAB Script節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集卡將壓力傳感器測得的壓力信號傳送給LabVIEW程序，再通過MATLAB Script節(jié)點(diǎn)送至MATLAB中進(jìn)行濾波處理，處理完成后的信號通過外部接口節(jié)點(diǎn)，重新送至LabVIEW程序中進(jìn)行實(shí)時顯示與控制。非零相位濾波器直接從LabVIEW自帶的子Vl中調(diào)用。

1.2控制原理

變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)壓力反饋信號濾波的恒壓控制原理框圖如圖3所示。壓力反饋信號Pf與目標(biāo)壓力P.的偏差經(jīng)過PID控制器校正及電比例溢流閥放大板放大后作為控制信號，控制電比例溢流閥閥芯的開度，從而改變系統(tǒng)壓力。當(dāng)反饋信號大于輸入信號時，閥芯開度增大，系統(tǒng)壓力減??；當(dāng)反饋信號小于輸入信號時，閥芯開度減小，系統(tǒng)壓力增大；直至反饋信號與輸入信號的偏差為0，達(dá)到目標(biāo)壓力值。

信號采集過程中，反饋通道存在干擾Ⅳ，，設(shè)壓力輸入信號P1與干擾信號Ni的拉普拉斯變換式分別為P1（s）和Ni（s），壓力輸入與輸出的誤差傳遞函數(shù)為Φpi（s），干擾與輸出壓力的誤差傳遞函數(shù)為Φni（s），則可得誤差信號的拉普拉斯變換式為：

由式（1）可知，系統(tǒng)的壓力誤差受干擾信號的影響。因此，濾除壓力反饋信號中干擾成份，能減小或消除干擾對系統(tǒng)輸出的影響，提高系統(tǒng)壓力控制精度。

2.實(shí)驗(yàn)分析

2.1 壓力動態(tài)響應(yīng)性能分析

設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速700 r/min，系統(tǒng)目標(biāo)壓力4 MPa-6 MPa-4 MPa階躍變化，PID控制器設(shè)置參數(shù)為Kp=0.25，Ki-0.01，Kd=0，對比分析壓力反饋信號未加濾波器、加非零相位濾波器及加零相位濾波器3種情況下，系統(tǒng)壓力的動態(tài)響應(yīng)性能。非零相位濾波器使用Butterworth 3階濾波器，濾波器低通截止頻率設(shè)置為3Hz（實(shí)驗(yàn)測得液壓系統(tǒng)壓力、流量信號最高響應(yīng)頻率為1Hz左右）。零相位濾波器低通截止頻率同樣設(shè)為3Hz。圖4為未加濾波器的壓力響應(yīng)曲線，圖5為加非零相位濾波器。

如圖4所示，當(dāng)壓力反饋信號未經(jīng)濾波處理時，實(shí)際壓力響應(yīng)均值以3.85MPa-5.86MPa-3.85MPa階躍變化，存在穩(wěn)態(tài)誤差，且存在較大波動，約為0.3MPa。如圖5所示，加非零相位濾波器時，實(shí)際壓力響應(yīng)以3.68MPa-5.58MPa-3.69MPa階躍變化，雖然波動減小，但達(dá)不到目標(biāo)壓力值，這是由于非零相位濾波器相位偏移產(chǎn)生的截斷信號邊界的吉布斯現(xiàn)象引起的。圖6是經(jīng)非零相位濾波器濾波后的壓力信號，可知經(jīng)過非零相位濾波器濾波后，信號成份發(fā)生相移，信號一端會移出邊界而消失，另一端則從0值開始，導(dǎo)致了信號失真，使實(shí)際壓力達(dá)不到目標(biāo)值。圖7是加零相位濾波器的壓力響應(yīng)曲線，由圖可以看出實(shí)際壓力響應(yīng)達(dá)到目標(biāo)值，且波動很小，控制精度高。

通過上面分析可知，在反饋通道加入零相位濾波器，有效濾除了干擾成份，不僅能減小壓力波動，而且經(jīng)過動態(tài)調(diào)整能減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。在LabVIEW測控程序中嵌入MATLAB編程，不會影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。

2.2魯棒性分析

設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)壓力為5 MPa恒定，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速700 r/min-1000 r/min-700 r/min階躍變化，則流量以0.4rri3/h-0.61m3/h-0.4m3/h階躍變化。由于液壓系統(tǒng)壓力與流量的耦合關(guān)系，流量的變化會對壓力產(chǎn)生擾動。PID控制器設(shè)置參數(shù)為Kp=0.25，Ki=0.01，Ka=0，對比分析壓力反饋信號未加濾波器、加非零相位濾波器及加零相位濾波器3種情況下，系統(tǒng)壓力的魯棒性。

圖8是反饋信號未加濾波器處理時的壓力擾動響應(yīng)曲線，實(shí)際壓力達(dá)不到設(shè)定目標(biāo)值，當(dāng)流量階躍上升時，系統(tǒng)壓力瞬時達(dá)到7.079 MPa，經(jīng)過閉環(huán)PID控制，重新回到穩(wěn)態(tài)值4.8 MPa，調(diào)整時間為7.35s；當(dāng)流量階躍下降時，系統(tǒng)壓力瞬間下降至2.701 MPa，經(jīng)7. 42 s調(diào)整后重新回到穩(wěn)態(tài)。如圖9加非零相位濾波器的壓力擾動響應(yīng)曲線所示，實(shí)際壓力在4. 88 MPa左右，且波動較大。當(dāng)流量階躍上升時，壓力瞬時達(dá)到6.189 MPa，流量階躍下降時，壓力瞬時下降至3.753 MPa，經(jīng)過一段時間調(diào)整，回到目標(biāo)壓力附近。圖10是加零相位濾波器的壓力擾動響應(yīng)曲線，當(dāng)流量階躍上升時，壓力瞬間達(dá)到6.208 MPa，經(jīng)過5.5s的調(diào)整，回到穩(wěn)態(tài)5MPa；當(dāng)流量階躍下降時，壓力瞬間達(dá)到3.867MPa，經(jīng)過4.98s調(diào)整回到穩(wěn)態(tài)。

通過上面實(shí)驗(yàn)分析可知，反饋通道加入零相位濾波器，實(shí)際壓力響應(yīng)曲線不僅能達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值，波動也小，而且在受到流量突變擾動時，能減小瞬變值和縮短調(diào)整時間，使系統(tǒng)能夠更快地校正擾動所產(chǎn)生的誤差。

3.結(jié)論

本文針對液壓系統(tǒng)恒壓控制中的反饋信號存在干擾的問題，提出了對壓力反饋信號進(jìn)行濾波的方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，作為反饋信號的壓力信號的純凈度會影響系統(tǒng)的控制性能，經(jīng)非零相位濾波器處理的壓力信號由于存在吉布斯現(xiàn)象，雖然可以減小系統(tǒng)的壓力波動，但會影響系統(tǒng)的控制精度，而使用零相位濾波器不僅能減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，而且能提高系統(tǒng)魯棒性。

參考文獻(xiàn)

[1] 龐新維，諶炎輝.基于小波理論的電機(jī)電流信號消噪研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（10）：200 201.

[2] 朱春明，黃道平.小波分析在控制中的應(yīng)用概況[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2003，11 （10）：754-756+760.

[3] 紀(jì)躍波，秦樹人，柏林，等.有限區(qū)間信號邊界效應(yīng)問題的研究[J].振動與沖擊，2002，21 （4）：108 -111.

[4] 賈永峰，谷立臣.永磁同步電機(jī)驅(qū)動的液壓動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析[J].中國機(jī)械工程，2012，23 （3）：286-290

[5] 鄭德帥，谷立臣，賈永峰，等，基于AMEsim的電液負(fù)載模擬系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29 （2）：97 100.