电液比例位置控制系统的研究

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Research on Electro.hydraulic Proportional Posifion Servo SystemDONG Jianyuan，CAO Xuyan，WEI Pei，SHI Yuyan(Xian University of Architecture and Technology，Xian Shaanxi 710055，China)Abstract：Electro-hydraulic proportional position senro system is a system with nonlinear and dead zone. Only using PID control-ler can not solve the contradiction between rapidity and stability.Basing on LabVIEW platform，aiming at the control problem of elec-tro-hydraulic proportional position sen o system with dead zone.a fuzzy controler was designed and compared with PID contro1. Ex-perimental result shows that the using fuzzy controler，the asymmetry of the hydraulic cylinder motion is basically eliminated by com·pensating dead zone. The efect of fuzzy control is better than PID in rapidity，accuracy and stab ility。

Keywords：Electro-hydraulic proportional position 8erv0 system；PID control；Fuzzy Control随着计算机技术和工业技术的普及，电液比例技术得 到迅速发展。与电液伺服控 制技术 的高成本、高维护、高能耗相比，电液比例技术是-种廉价、节能、维护方便、适应大功率控制及具有-定控制精度的控制技术，因而更适用于工程机械等工业诚。由于电液比例位置控制系统的变流量死区特性 ，线性 PID控制器难于协调快速性和稳定性 2之间的矛盾 。且 目前主要是基 于 MATLAB/Simulink对系统进行仿真，实验验证较少，在实际系统的应用中差异较大。

作者以LabVIEW为软件开发平台，将计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在-起，设计出带死区补偿的模糊控制器，并在实验室的QCS014AT液压试验台进行实验验证，使系统在结构、精度、动态品质等方面都具有较好的效果。

1 系统组成及数学模型1.1 系统组成电液比例位置控制系统的原理图和实物图分别如图1和2所示～原本由PLC控制的开环系统设计成带位置反馈的闭环控制系统。

图 1 电液比例位置控制系统原理图柱塞泵阀方 向阀缸传感器阀溢流 阀图2 电液比例位置控制系统试验台收稿日期 ：2012-03-28基金项目：陕西侍育厅专项科研计划项目 (1 1Jk0986)作者简介 ：董建园 (1971-)，男，博士，副教授，主要研究方向为机电控制及自动化。E-mail：yanyan8881###163.com。

第 7期 董建园 等 ：电液 比例位置控制系统的研究 ·4l·系统采用宁波华液公司生产的型号为 BFW-03-3C2-95-50的不带内置放大器的直动式三位四通比例方向阀，相配套的比例放大器为 H.AP-204-O.8双路比例放大器。液压缸采用摩擦较低的单活塞杆油缸，缸内径D40 mm，活塞杆直径 d20 mm，油缸最大行程为30 cm。

系统采用计算机控制，当输入给定位移后系统开始工作，此时，由KTC-200位移传感器检测出液压缸活塞杆的当前位置信号，并经 USB-6008数据采集卡进行 A/D转换后反馈到计算机中，与实际输入位移对应的电压信号进行比较，得出电压偏差控制量；通过数据采集卡进行 D/A转换，将采集到的电压差送给比例放大器，经线性放大后转换成为电流，用以驱动比例方向阀并调节节流口开度，比例方向阀以-定的开口大小给被控液压缸提供相应大小的流量来控制液压缸运动；再由位移传感器采回数据，根据误差的大小来调节控制器参数，反复进行，最终使控制系统的被控量 (位移)达到期望值，实现位置控制系统精度的提高。

1.2 系统的数学模型为了得到系统的传递函数，必须对闭环控制系统建立动态数学模型 ，这是闭环控制系统设计的关键。采用比例方向阀构成的闭环位置控制系统框图如图3所示。

图 3 位置控制系统基本组成框图图中各个环节的传递函数按下面的方法求出：(1)比例放大器。由于其转折频率比系统的频宽高得多，所以可以近似称为比例环节，用 表示。

(2)比例方向阀。工程上将比例方向阀视为-个二阶环节。传递函数为：(5)十 - - 十 1： ∞v(3)位移传感器。其频宽也比系统的频宽高得多，也可以近似成比例环节，用 表示。

(4)阀控液压缸。电液比例位置控制系统的主要元件是比例阀和液压缸，系统的动态特性撒于阀和液压缸的特性并和负载有关。若忽略干扰量 FL的输入，油缸负载是惯性负载和弹性负载的组合，黏性负载很小，可以忽略。因此得液压缸负载传递函数为：) 硒Ap/KLK，从以上分析可得到闭环位置控制系统的传递函数方框图，即为采用比例方向阀的闭环位置控制系统的数学模型，如图4所示。

图4 比例方向阀的闭环位置控制系统的数学模型由图4可以求得系统的开环传递函数为， 、 Ap/ 。

丽 该系统的特点如下：(1)系统为 0型系统。这类系统由1个比例环节、1个惯性环节和 2个二阶环节组成。

(2)需 PI或 PID校正。0型系统-般在稳定性、稳态精度和快速性之间存在矛盾。因此，这种系统-般都要用PI或 PID装置对系统进行校正或补偿，使其在动态性能上达到要求。

若考虑干扰量 FL的输入，系统的传递函数方框图如图5所示。

图5 有扰动输入的闭环系统数学模型闭环控制系统能够 自动克服干扰，当干扰出现 2 系统特性时，改变控制量，使得本来稳定的系统偏离平衡值， 流量死区特性为比例阀的固有特性，是因比例阀但闭环系统能够自动调节过来，使系统恢复平衡，保 阀芯的正遮盖量和库仑摩擦形成的。通过空载条件下持正常的工作。 阀芯位移死区测量试验来确定死区的大校阀芯位移第7期 张思平 等：活性氧化铝在高压下的露点实验研究 ·47·极限露点的数据。

实验测得的数据中，前 10 min系统需要升压至所需压力值，同时露点仪采样管路中存有残余空气，露点仪检测到的数据值误差较大，所以该数据不作为数据处理用。

从图3中不同压力下的 露点曲线可以看出：活性氧 -40化铝在5 MPa时的露点平均蘧：；值约为-41℃，露点最高 谨。：!为 -40.5℃，露点最低值 .65为 -42℃；在 20 MPa时露点平均值为 -45℃，露点最高为 -41.7℃，露点最 图3 不同压力下低值为-48℃；35 MPa下， 的露点曲线40 min时露点达到 -57.5℃，40 MPa下露点可达到 -60℃。从而可以得出，随着压缩空气的压力提高，活性氧化铝处理后的压缩空气露点降低；同时，3种不同压力下的露点值均随着吸附时间的增长，露点值趋向降低。

从以上数据分析中可以看出：在不同压力下 ，随着吸附时间的增长，露点值有略微降低的趋势。该结论与随着吸附时间周期的增长露点值升高相矛盾。致使该结果的原因可能是由于每隔 10 min系统 中的过滤器需要排污，导致系统压力降低，系统升压后露点仪检测到的数据伴有延迟，导致露点仪波动产生误差；另-个原因则可能是减压管路中的压缩气压力巨大，露点仪检测的是减压后的空气，管路中的压缩气全部更新替换-次需要较长的时间，所以随着时间的延长检测到的露点值降低。

3 结论作者主要通过实验对高压下的活性氧化铝的极限露点进行了测定 ，得出了以下结论：(1)活性氧化铝在 5 MPa的工作压力下，其露点值可以达到 -40℃以下 ；(2)随着压力的增大，活性氧化铝的干燥性能越显突出，在35 MPa以上时，其处理气常压露点可达 -55℃以下 ，40 MPa可以达到 -60 cI；(3)在高压干燥设备中采用在线露点检测时，该数据与实际露点值存在较大的延时。