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        濾波器對變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)恒壓控制性能的影響研究

        2018-10-21 11:27:53王平劉丹趙松
        今日自動化 2018年1期

        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)速液壓實驗平臺,通過MATLAB與LabVIEW軟件聯(lián)合編程方法設(shè)計了變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng),并通過實驗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。實驗結(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

        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)點來實現(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,重新送至LabVIEW程序中進(jìn)行實時顯示與控制。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?。划?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.實驗分析

        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(實驗測得液壓系統(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)。

        通過上面實驗分析可知,反饋通道加入零相位濾波器,實際壓力響應(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,并通過實驗驗證了提出方法的有效性。實驗結(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。

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