李資，張海麗

(新疆工程學(xué)院 能源工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

傳統(tǒng)電液伺服控制系統(tǒng)主要采用電液伺服閥控制執(zhí)行元件獲得伺服動(dòng)作，液壓泵輸出的液壓能經(jīng)過電器、機(jī)械位移轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所達(dá)到的方向、位置和速度要求。但由于系統(tǒng)通常需要通過節(jié)流閥來控制執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度，存在節(jié)流功率損失，造成了很嚴(yán)重的能量損耗，效率一般只能達(dá)到20%～30%[1-2]。

伺服電機(jī)速度-壓力液壓系統(tǒng)回路將交流伺服電機(jī)加定量油泵組成的可控液壓源取代普通感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的不可控液壓源，與各種傳感器結(jié)合，通過電機(jī)控制、調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能性壓力、位置、速度控制。其能充分利用大功率交流伺服電機(jī)效率高、可控、可調(diào)、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化，提高系統(tǒng)性能，減少系統(tǒng)能量消耗，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)電液伺服控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)[3-4]。

但伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路在工作過程中相對輸入目標(biāo)控制信號存在一定的滯后和超調(diào)等問題。鑒于此，本文在對伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路工作原理分析的基礎(chǔ)上，利用AMESim-Matlab/Simulink 接口功能建立系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，提出伺服電機(jī)速度-壓力反饋PID閉環(huán)控制策略,并進(jìn)行聯(lián)合仿真試驗(yàn)對比分析。仿真結(jié)果表明,所提出的PID閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)了壓力優(yōu)先控制的同時(shí)能準(zhǔn)確控制回路壓力、流量，跟隨輸入目標(biāo)控制壓力、輸入目標(biāo)控制轉(zhuǎn)速變化，有效解決了回路壓力、流量超調(diào)及滯后的問題,所得結(jié)論對伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路閉環(huán)控制策略深入研究及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路工作原理及PID控制策略

1.1 伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路工作原理

如圖1所示，伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理為：壓力和速度傳感器提取系統(tǒng)中液壓回路的壓力及電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速信號并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，通過速度-壓力信號處理電路處理后，將其和系統(tǒng)的輸入信號進(jìn)行比較。比較后的偏差信號由主控制器控制送入D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過速度-壓力反饋PID閉環(huán)控制器進(jìn)行糾偏控制調(diào)節(jié)后通過一個(gè)比較環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)壓力優(yōu)先控制，進(jìn)而對伺服控制器進(jìn)行控制，達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的目的。最終實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)控制定量泵轉(zhuǎn)動(dòng)從而推動(dòng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，帶動(dòng)負(fù)載工作，形成閉環(huán)的反饋控制。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 速度-壓力反饋PID控制策略原理

P1D控制器是將設(shè)定值與實(shí)際值的偏差e進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后，乘以相應(yīng)的系數(shù)疊加構(gòu)成控制量的。它的3個(gè)參數(shù)即比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)是影響其控制效果的重要參數(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PID控制結(jié)構(gòu)圖

1)比例：用來對系統(tǒng)的偏差進(jìn)行反應(yīng)，所以只要存在偏差，比例就會(huì)起作用。

2)積分：用來消除靜差。所謂靜差就是指系統(tǒng)穩(wěn)定后輸入、輸出之間依然存在的差值，而積分就是通過偏差的累計(jì)來抵消系統(tǒng)的靜差。

3)微分：對偏差的變化趨勢做出反應(yīng)，根據(jù)偏差的變化趨勢實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，提高反應(yīng)速度。其中控制率為

(1)

2 AMESim建模及仿真分析

2.1 模型建立

根據(jù)伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路工作原理，利用AMEsim軟件[5-6]建立AMESim-Matlab/Simulink回路仿真模型如圖3所示。

圖3 伺服電機(jī)仿真模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路工作原理，設(shè)定AMESim各主要模塊的參數(shù)如表1所示，其他參數(shù)保持默認(rèn)。

表1 參數(shù)設(shè)置

2.3 仿真分析

1)模型驗(yàn)證仿真分析

圖4(a)為控制器輸入目標(biāo)壓力信號曲線，輸入信號在仿真時(shí)間0～10 s信號為200；圖4(b)為控制器輸入的目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號曲線，輸入轉(zhuǎn)速信號在仿真時(shí)間0～10 s信號為1 000。

圖4 回路輸入目標(biāo)壓力、目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號曲線

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[7-8]設(shè)定PID控制中控制器參數(shù)Kp=500，Ki=1，Kd=0，仿真時(shí)間為10 s，進(jìn)行仿真。

圖5為仿真得到系統(tǒng)液壓泵出口壓力、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線。系統(tǒng)液壓缸出口壓力為20.165 MPa，控制器輸入目標(biāo)壓力值為20 MPa；系統(tǒng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為998.02 r/min，控制器目標(biāo)轉(zhuǎn)速值為1 000 r/min。

圖5 回路輸入目標(biāo)壓力、目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號及液壓缸位移曲線

仿真開始后，仿真時(shí)間4.8 s以前，液壓缸沒有運(yùn)動(dòng)到行程終點(diǎn)，此時(shí)屬于速度控制，液壓泵轉(zhuǎn)速跟隨控制器輸入目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化；4.8 s以后，液壓缸運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)之后，此時(shí)屬于壓力優(yōu)先控制，液壓泵出口壓力跟隨控制器輸入目標(biāo)壓力變化。仿真所得結(jié)果與伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路實(shí)際控制過程一致，證明了所建立模型的正確性及精確性。

2)PID控制參數(shù)優(yōu)化仿真研究

研究表明，PID控制器控制參數(shù)中比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki對改善系統(tǒng)壓力和速度超調(diào)及滯后影響較大，本文利用AMESim批處理功能設(shè)定不同的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki值并進(jìn)行對比分析，用以獲得本工況下較優(yōu)的PID控制參數(shù)值。

利用AMESim批處理功能設(shè)定Kp值分別為500、1 500、2 500、3 500。保持Ki=1，Kd=0不變，進(jìn)行仿真，得到液壓泵出口壓力曲線如圖6所示(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。

由圖6可知，隨著Kp參數(shù)的增加，液壓泵出口壓力值逐漸減小，壓力超調(diào)量逐漸降低到0.023 MPa。

圖6 不同比例系數(shù)下液壓泵出口壓力曲線

利用AMESim批處理功能設(shè)定Ki值分別為0.2、0.6、1、1.4、1.8。保持Kp=500,Kd=0不變,進(jìn)行仿真，得到液壓泵出口壓力曲線如圖7所示。

由圖7可知，隨著Ki參數(shù)的增加，液壓泵出口壓力值逐漸減小，壓力超調(diào)量逐漸降低到0.03 MPa。

圖7 不同積分系數(shù)下液壓泵出口壓力曲線

3 結(jié)語

本文在對伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路工作原理分析基礎(chǔ)上，利用AMESim-Matlab/Simulink 接口功能建立系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，提出伺服電機(jī)速度-壓力反饋PID閉環(huán)控制策略,并進(jìn)行聯(lián)合仿真試驗(yàn)對比分析。仿真結(jié)果表明：所提出的PID閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)了壓力優(yōu)先控制的同時(shí)能準(zhǔn)確控制回路壓力、流量跟隨輸入目標(biāo)控制壓力、輸入目標(biāo)控制轉(zhuǎn)速變化,有效解決了回路壓力、流量超調(diào)及滯后的問題,并且通過對比仿真分析得到了本文工況下較優(yōu)的PID控制參數(shù)為Kp=3 500，Ki=0.2，Kd=0。

所得結(jié)論為伺服電機(jī)速度-壓力液壓回路閉環(huán)控制策略研究及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。