液压抢救机械手比例位置控制研究

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当前液压驱动机械手数量不多，结构也十分复杂，体积较大，精度不高，但是，液压式机械手却有着操作简单，具有很大的抓举能力并且结构紧凑、运动平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好等优点，可作为-种先进的抢救设备。液压机械手工作时，对其要求响应快速、控制精度高等，因此有必要在控制过程中加入必要的控制算法，在经典控制理论中，最常用的控制算法就是 PID调节。本文以比例位置控制系统为例，对液压缸进行闭环控制，使其响应速度快速，控制精度高。

2 液压抢救机械手系统建模液压抢救机械手系统由主从机械手、电液控制子系统、伺服控制子系统等部分构成。如图1所示。

图1 电液比例位置控制原理图①数字控制器环节：数字控制器环节即计算机数字控制，主要完成信号给定和控制算法的运算，将计算所得到的控制信号，通过 D/A输送给比例放大器。

②比例放大器：经过数字控制器处理的电压数字信号，通过 D/A转换器转换成模拟电压信号后，由比例放大器将其放大转变成电流信号并输到比例电磁铁上，其公式为：JKoU由于其转折频率比系统的频率高得多，故可近似为比例环节，Ka0.2A/V。

③位置传感器：反婪节采用的是位置传感器，收稿日期 ：2013-05-07作者简介：孙志杰(1966-)，女，吉林松原人，装甲兵技术学院机械工程系副教授，主要从事机械加工技术研究。

· 74· 吉 林 工 程 技 术 师 范 学 院 学报 2013年6月其反馈放大系数为 K ，它将液压缸活塞杆的位移信号转换成电压信号反馈，其公式为： Km 。

由于其转折频率比系统的频率高得多，故可近似为比例环节。其输入近似为-单位反婪节。

④比例阀环节：实际工程计算中将比例阀近似) gsv(，： ∞⑤液压缸环节：系统中液压缸是非对称阀控非对称液压缸的环节。其传递函数为：：- 1 5( )由此 口J得系统 的扦环传递函数为：由相关经验公式代人数据可得：Gc(s)-s(O-.O-00-1s2--0.-O1-2s-1 ) (0.-O0-01-4s2--0.-O0-2s～1)3 液压抢救机械手系统动态性能分析建立的PID系统仿真模型如图 2所示，通过编程绘图来校正 PID参数。

图2 输入阶跃信号的系统 PID仿真模型①Ki和Ka均为零即只有 K 时的系统 PID控制 阶跃响应如图3所示。

，、八/ 八 厂、f ，。 弋 / 、 。/ V ， 图3 只有 Kp系统 PID阶跃响应由图3可以看出，当K 2时，系统响应时间较短并且超调量较小，所以取 K 2。

②当K 2，Kd0时的系统PID控制阶跃响应。由于当 K 2，Ki0，K 0时系统的静差很小，所以Ki参数调节时系统的阶跃响应改善不明显，如图4所示 Ki0时，响应较快，所以取KiO。

③系统PID控制阶跃响应。当K 2，KiO，变化如图 5所示，当 K 0.02时，阶跃响应超调量较小，响应速度较快。

8 6 4 2 l 8 6 4 2 O l l l 1 0 O O 0 第29卷 第6期 孙志杰等：液压抢救机械手比例位置控制研究 ·75·图4 只有 Kp和 系统 PID阶跃响应、 皤.DI 、 ，tx - -1图5 PID控制系统阶跃响应所以PID控制中取K 2，Ki0，Ka0.02，图 转换后变成电压信号，在比例放大器内按输入电压5和图1相比，系统的响应速度有了很大的提高。 的大小成比例的输出控制电流，激励比例阀的比例4 液压机械手比例位置控制实验研究液压抢救机械手闭环控制模拟实验以工业控制计算机为核心部件，还包括研华 PCI1720(D/A)采集卡、比例放大器、比例阀、液压缸、位移传感器和研华PCI1713(A/D)采集卡，如图6所示。工控机按照控制要求，产生数字控制信号，经 D/A(研华PCI1720)电磁铁 ，使阀芯按-定位移移动，输出-定流量，从而控制液压缸按-定速度运动-定距离，液压缸的位移经过位置传感器采集，位移传感器输出-定的电压，经由 PCI1713采集卡采集，转化为相应的位移，与液压缸期望位移比较，从而完成闭环控制并使液压缸按设定的精度要求运动。

图6 闭环控制实验框图按照系统要求比例位置控制系统流程图如图7 示，系统的响应速度有了很大的提高，满足系统具有所示。在VC平台中编写程序，实验结果如图8所 快速响应性的要求。

4 2 l 8 6 4 2 O1 l O 0 O 0 · 76· 吉 林 工 程 技 术 师 范 学 院 学 报 2013年6月图7 闭环控制实验分段控制程序框图图8 比例位置控制实验曲线5 结语本文对液压抢救机械手进行了模型建立和仿真分析并在比例位置控制实验的基础上分析研究了控制策略，并编写程序，通过实验方法，对液压缸的比例位置控制进行了必要的改进，将普通 PID控制改进为分段 PID控制，其实这就是模糊 PID的控制思想。文中由于比例阀的死区存在，所以必须对比例阀的死区进行补偿。