電液伺服控制系統(tǒng)在水壓試驗機中的應用研究

李鵬+劉崇銳

摘 要：水壓試驗機是用于單向密封類零件自動水壓測試的自動化檢驗設備，其中電液伺服控制系統(tǒng)是實現(xiàn)其功能的關鍵環(huán)節(jié)。對電液伺服控制系統(tǒng)工作原理、分類及控制方法進行了簡單的介紹，然后以水壓試驗機為例介紹了電液伺服控制系統(tǒng)的設計。

關鍵詞：電液伺服控制;控制方法;水壓試驗機;PID控制

中圖分類號：TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

電液伺服控制是在液壓傳動和自動控制理論基礎上建立起來的一種自動控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術的發(fā)展以及計算機控制的結合，使得電液伺服控制系統(tǒng)可以完成更加復雜的功能控制與高性能的動力控制。在一般工業(yè)的應用上，由于它具有反應快、功率重量比小、精度高、抗干擾能力強等特點，也受到了特別的重視。本文結合水壓試驗機研制對電液伺服控制系統(tǒng)進行了應用的研究。

1 ?電液伺服控制系統(tǒng)

1.1 ?電液伺服控制原理

電液伺服控制原理與一般伺服控制一樣，其工作原理都是按輸入信號與反饋信號的差值進行工作的，即按照偏差的控制原理。這種具有反饋的控制，我們稱為伺服控制，可以實現(xiàn)被控制量按控制信號給定規(guī)律變化的控制目的。電液伺服控制系統(tǒng)以液體作為動力傳輸和控制介質，利用電信號進行控制輸入和反饋。只要輸入某一規(guī)律的輸入信號，執(zhí)行元件就能啟動、快速并準確地復現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 ?電液伺服控制系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)通過傳感器（位移/力）形成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制器輸出信號與傳感器（位移/力）的反饋信號通過比較做差之后得到實際控制信號，即誤差信號，將此信號輸入到伺服閥，來控制伺服閥的開口和流量，從而控制了液壓缸的位移或力，然后通過傳感器（位移/力）反饋到輸入端，形成了整個的閉環(huán)控制回路。

1.2 ?電液伺服控制系統(tǒng)分類

電液伺服控制系統(tǒng)分類方法很多，可以從不同的角度分為不同的系統(tǒng)：

（1）控制對象不同

電液伺服控制系統(tǒng)分類按照控制對象的不同主要分為三類：位置伺服控制系統(tǒng)、力伺服控制系統(tǒng)和速度伺服系統(tǒng)，其中工程常見的主要是位置伺服控制系統(tǒng)和力伺服控制系統(tǒng)。

位置伺服控制系統(tǒng)是指控制系統(tǒng)的位移（液壓缸的位移），研究主要集中于位置精度研究和多缸同步精度研究。

力伺服控制系統(tǒng)是指控制系統(tǒng)的力（液壓缸輸出力），按加載的能動性常分為主動加載系統(tǒng)和被動加載系統(tǒng)（又稱為隨動加載系統(tǒng)），研究主要集中于加載力的精度研究。

（2）輸入信號形式不同

電液伺服控制系統(tǒng)分類按照輸入信號形式的不同主要分為兩類：模擬伺服系統(tǒng)和數(shù)字伺服系統(tǒng)。

模擬伺服系統(tǒng)重復精度高，但分辨能力較低（絕對精度低）。另外模擬伺服系統(tǒng)中微小信號容易受到噪聲和零漂的影響，因此當輸入信號接近或小于輸入端的噪聲和零漂時，就不能進行有效的控制了。

數(shù)字伺服系統(tǒng)分為數(shù)字伺服系統(tǒng)和數(shù)字-模擬伺服系統(tǒng)兩種。在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，動力元件必須能夠接收數(shù)字信號，可采用數(shù)字閥或電液步進馬達。數(shù)字模擬混合式伺服系統(tǒng)中，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖與反饋脈沖相比較后產生數(shù)字偏差，經數(shù)模轉化器把信號變?yōu)槟M偏差電壓，后面的動力部分不變，仍是模擬元件。系統(tǒng)輸出通過數(shù)字檢測器（即模數(shù)轉換器）變?yōu)榉答伱}沖信號。

（3）控制方式不同

電液伺服控制系統(tǒng)分類按照控制方式的不同主要分為兩類：泵控缸系統(tǒng)和閥控缸系統(tǒng)，其中工業(yè)中閥控缸系統(tǒng)應用較為廣泛。

1.3 ?電液伺服控制方法

電液伺服控制系統(tǒng)的控制方法主要分為兩類：經典控制方法和現(xiàn)代控制方法。

經典控制方法是采用基于工作點附近的增量線性化模型來對系統(tǒng)進行分析與綜合，設計過程主要在頻域中進行，控制器的形式有延后、超前網絡和PID控制等。目前電液伺服控制系統(tǒng)的經典控制理論已經基本成熟，對于一些頻寬要求不太高、參數(shù)變化和外界干擾不大的伺服系統(tǒng)，采用經典控制方法已經可以滿足工程需要。

現(xiàn)代控制方法主要來源于現(xiàn)代控制科學的發(fā)展，如魯棒控制、滑?？刂?、神經網絡控制、迭代學習控制和遺傳算法等，主要用于不確定的非線性系統(tǒng)。這類系統(tǒng)擾動大、工作范圍寬、參數(shù)變量多、難以精確建模，經典控制方法已經無法滿足系統(tǒng)的要求。但是現(xiàn)代控制方法的理論還不成熟，對控制器要求較高，實際應用中很難達到預期效果，還需要繼續(xù)完善理論。

2 ?水壓試驗機

水壓試驗機是用于單向密封類零件自動水壓測試的自動化檢驗設備，該設備通過計算機控制完成自動化測試全過程，測試試驗工具的性能是否合格。主要工作過程有自動化進料——升料——送入試壓腔——試壓——加持——退料過程，具體工作流程是將試件送進主機，浮動鉗抱緊試件定位、移動端頂住試件、在密封試壓結束后再將其送出主機。

水壓試驗機液壓系統(tǒng)采用的是閥控缸系統(tǒng)，由液壓泵站、伺服閥、電磁閥、油路集成塊和油缸組成，主要采用多個油缸和增壓缸來自動完成水壓試驗機的相關動作。

2.1 ?水壓試驗機控制系統(tǒng)

水壓試驗機控制系統(tǒng)采用的是分布式控制系統(tǒng)，由上位機和下位機組成。其中上位機以LabVIEW為設計平臺，用于顯示和記錄相關的位移、壓力等數(shù)據，并給下位機發(fā)送相關指令;下位機選擇PLC為平臺，對液壓執(zhí)行系統(tǒng)進行控制，通過采集傳感器數(shù)據和其他開關量，完成水壓試驗機既定的動作，其中試驗機的進料、升料、加持、退料等流程采用采用位置伺服控制，加壓過程采用力伺服控制。

水壓試驗控制系統(tǒng)組成如圖2所示，下位機PLC控制原理如圖3所示。

2.2 ?水壓試驗機控制方法

PID控制器（比例-積分-微分控制器）是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。本伺服系統(tǒng)頻寬要求不高，外界干擾一般，采用經典PID控制可以滿足工程需要。

圖2 ?水壓試驗控制系統(tǒng)組成圖

PID控制器的數(shù)學表達式如下式所示：

其中：Kp為控制器的比例系數(shù);Ti 為控制器的積分時間，也稱積分系數(shù);Td 為控制器的微分時間，也稱微分系數(shù)。

PID控制器各環(huán)節(jié)的作用如下：

（1）比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號e（t），偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用以減小偏差，但是不能消除偏差，為有差調節(jié);比例系數(shù)越大，控制作用越強，反應速度越快，偏差越小，但系數(shù)過大會引起系統(tǒng)震蕩。

（2）積分環(huán)節(jié)：會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應速度，增加系統(tǒng)的超調量。積分常數(shù)越大，積分的積累作用越弱，這時系統(tǒng)在過渡時不會產生振蕩;但是增大積分常數(shù)會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所需的時間也較長，但可以減少超調量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當積分系數(shù)較小時，則積分的作用較強，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產生振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。

（3）微分環(huán)節(jié)：阻止偏差的變化，根據偏差的變化趨勢（變化速度）進行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對高階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度;但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感。

3 ?測試和使用效果

經過系統(tǒng)調試對設備進行工件各種試驗壓力實際測試，設備可利用計算機控制完成上料、打壓、保壓、卸料，并記錄試驗數(shù)據自動完成設計要求的自動測試。水壓試驗機在工件有泄漏情況試驗過程中，壓力到達設定值10 MPa時自動保壓，自動補壓狀態(tài)下壓力達到設定下限9 MPa時自動補壓均可全自動完成，如圖4～圖6所示。

4 ?結 ?語

電液伺服控制系統(tǒng)在水壓試驗機中的配套應用，提高了設備的自動化程度，大大提高了工作效率，降低了勞動強度，取得了較好的效果，降低了檢驗成本，效益顯著。本文對電液伺服系統(tǒng)的原理組成、分類及控制方法進行了簡單介紹，并將其應用在水壓試驗機中，對電液伺服系統(tǒng)的工程實現(xiàn)具有一定的借鑒意義。

圖4 ?合格工件試驗壓力曲線

圖5 ?滲漏工件不自動補壓試驗壓力曲線

圖6 ?滲漏工件自動補壓試驗壓力曲線

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