论文部分内容阅读
摘要 本文介绍了一种在工业应用中使用的基于附加前馈补偿，也称复合控制系统的液压位置控制系统，分析了该控制系统的组成和工作机理，并与传统PID控制进行了对比，分析了其优缺点，最后用MATLAB中的Simulink对系统原理进行了仿真。
关键词 前馈补偿，复合控制，电液伺服，位置控制，仿真
1前 言
陶瓷压砖机顶出装置,主要由执行机构——顶出油缸、动力源——液压泵站及其伺服阀、伺服控制器、PLC及顶出油缸检测装置——直线位移传感器组成，是机械、电控和液压等控制技术的综合应用。通过顶出装置带动模具运动，为陶瓷压砖机装填待压制的粉料，并且在粉料被压制成形为砖坯后将其从模具内顶出，最后完成压制工序，是陶瓷压砖机重要的运动部件之一。由于采用电液伺服技术,使得顶出装置的定位精度、响应速度得到大幅度提高,到达目标位置所需的时间大大缩短，正由于这些特点,陶瓷生产过程中对提高砖坯精度和生产效率具有重要的现实意义。同时，由于采用电液伺服控制的顶出装置能够方便地改变目标位置，这样不仅可以做到在改变产品规格的情况下，方便地改变顶出的目标位置，而且可以在装填料过程中，方便地设定不同的顶出目标位置，可以改变同一模具内不同区域的粉料装填情况，从而达到控制砖坯厚度的目的。对比原来的机械定位式的顶出装置，新技术大大提高了产品的质量和生产效率。
电液伺服控制技术具有以下特点：
电液伺服控制技术作为连接现代微电子技术、计算机技术和液压技术的桥梁，已经成为现代控制技术的重要构成。由于它具有线性好、死区小、灵敏度高，动态性能好、响应快、精度高等显著优点，因而得到了广泛的应用。
对于液压伺服控制的以上特点，对控制策略提出了下述要求：
（1） 应尽量满足系统的静、动态精度要求，严格地优化设计，使系统做到快速而无超调；（2）对时变、外负载干扰和交联耦合以及非线性因素引起的不定性，控制系统应呈现较强的鲁棒性；（3）控制策略应具有较强的智能；（4）控制律、控制算法应力求简单可行、实时性强；（5）系统应有较高的效率。
2 液压位置控制系统的组成
液压伺服控制的基本原理就是液压流体动力的反馈控制，即利用反馈连接得到偏差信号，然后去控制液压能源输入到系统的能量,使系统向着减小偏差的方向变化,从而使系统的实际输出与希望值相符。在液压伺服控制系统中，输出量能够自动、快速而准确地复现输入量的变化规律，同时还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大器。
（1） 主控制器
系统采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC中的CPU314C-2PtP作为主控制器。PLC通过数字量输入输出点与伺服控制器通讯，指派顶出装置动作的开始时间，通过模拟量输出点将目标位置和到达目标位置的速度传送至伺服控制器，当伺服控制器到达目标位置后，返回一个开关信号给PLC，使压砖机进行下一动作。
（2） 伺服控制器和伺服阀
控制器采用MOOG公司的新型数字伺服控制器J124，阀采用高性能的MOOG系列D661伺服阀。
（3） 位置反馈测量元件
采用美国MTS公司的R-系列数字输出-SSI传感器。SSI的主要功能为同步数据交换，因为同步，所以应用在闭环控制系统上十分容易，更能与大多数控制器连接。其主要工作原理是磁致伸缩的原理：利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，便能换算出准确的位置。由于输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况。主要技术指标如下表所示。
（4） 控制原理框图（见图1）。
3液压伺服系统的建模
顶出装置采用的是如图2所示的非对称液压缸液压伺服系统。其流量q、压力p与输入信号U的关系可由下面的公式描述。基准状态下微小变化的拉氏变换后的阀特性方程为:
连续方程为:
设Ku1=Ku2=Ku，Kp1=Kp2=Kp，C1=C2=C，Csl1=Csl2=Csl，联立式(1)和式(2)，得：
CSp1=KuU-Kpp1-A1SX-Cslp1(3)
CSp2=-KuU-Kpp2-KA1SX-Cslp2 (4)
由式(3)得：
p1=(KuU-A1SX)/(CS+Kp+Csl)
由式(4)得：
p2=-(KuU+KA1SX)/(CS+Kp+Csl)
负载方程为：
F=A1(p1－Kp2)
=A1pf=[A1/(CS+Csl+Kp)][(1+K)KuU-A1(1+K2)SX]
=[A1/(CS+Kce)][(1+K)KuU-A1(1+K2)SX](5)
控制对象的力平衡方程为：
A1pf=(mS2+bS)X+FL(6)
C=V/β+(Lπd2/4)(1/β+d/hEy)
式中：
Al、KAl——活塞面积 ，K为面积比
Ku——流量增益
Kp——压力增益
V——包括配管的液压缸容腔体积
β——油的体积弹性系数
l、d、h——配管的长度、内径、壁厚
E——配管材料弹性系数
C——压缩系数
q1、q2——流量
Csl——泄漏系数
U——输入信号
m——负载惯性项系数
b——负载粘性抵抗系数
FL——负载外力
由式(5)、式(6)可以推导出系统的传递函数：
由方程可得图3所示数学模型系统的方框图。
4基于复合控制的伺服控制器
为保证液压伺服系统的控制精度，不仅要使系统具有足够的频宽和阻尼，而且要有理想的静态、动态刚度，即较强的抗负载干扰能力。为了满足控制要求，控制系统主要由开环控制和闭环控制相结合而形成复合控制，其结构方框图如图4所示。
在图4所示的复合控制系统中，按照偏差控制带有负反馈的闭环系统起主要调节作用，改善系统的动态特性，而带有前馈的开环控制则起辅助补偿作用，这样双向控制可达到很高的控制精度。适当地选取补偿环节B，不影响系统的稳定性。这正是复合控制的显著特点：开环补偿通道既提高了整个系统的控制精度，又不影响系统闭环的稳定性。
5 系统的仿真
通过MATLAB中的Simulink对系统进行仿真，以解析控制系统的机理，为实际系统的参数调试作分析。
就一般而言，自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使得PID控制更加灵活。数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在机电、冶金、机械、化工等行业获得广泛的应用。将偏差的比例（P）、积分（I）、和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。
简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：1）比例环节：成比例地反应控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。3）微分环节：反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
根据图4，利用Simulink进行仿真，得出不同情况的仿真结果，结果如下：
1） 在阶跃的输入条件下不同情况的仿真：
由图5、6、7可以看出，微分动作在反馈回路的PID控制器响应的速度明显低于正常PID控制策略的响应速度，而超调量却比正常PID控制的小。事实上，对这个系统采用这种结构的PID控制器，其控制效果得到明显改善。
2） 在正弦输入情况下的仿真,其中曲线1为输入信号、曲线2为输出信号。
由图8可以看出控制对象与系统输出有明显的滞后效应。
由图9可以看出，在伺服系统中增大前馈补偿增益，能够使控制对象很好地跟随系统输出，前馈控制提高系统的跟踪性能，拓宽系统的频带。不过，在这种情况下，系统输出超调比较严重，此时可通过调节速度环反馈来减少超调，通过仿真得出的结果在实际系统中得到很好地验证。
图10是实际系统中测量出的图形，可以看出其主要性能指标都比较好。其中，曲线1为系统输出、曲线2为实际控制对象位置。
6结 语
实际上，传统PID控制器具有简单的控制结构，在实际应用中又较易于操作，因此它在工业过程控制中有着最广泛的应用。但是，由于其采用线性定常组合方案，难于协调快速性和稳定性之间的矛盾；在具有参数变化和外干扰的情况下，其鲁棒性也不够好。当系统性能要求比较高时，传统PID控制往往不能满足要求，需要对其进行改造，像本文中介绍的增加前馈控制和对反馈控制进行改造，形成复合控制系统就能满足实际生产的要求。
参考文献
1 王占林.近代电气液压伺服控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005,2
2 张静等编著.MATLAB在控制系统中的应用[M].电子工业出版社，2007,5
3 “电液比例控制技术及新发展”[C].《机床与液压》第二届技术研讨会，2007,5
4 刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].电子工业出版社,2002
5 潘 策,陈晓南,杨培林.时变滞后系统的模糊预估控制[D].西安交通大学机械工程学院,2002
6 钟庆昌,谢剑英.纯滞后对象的直接补偿外模控制器[J].湖南大学学报，1999,26
7 罗艳蕾.基于MATLAB的液压位置模糊控制系统的仿真模型[J].现代机械，2003
8 孙广会.基于PLC的减摇鳍随动系统模糊-PI控制研究[D].哈尔滨工程大学,2007,3
9 黄 静.基于内模控制的PID控制系统的研究与应用[D].北京化工大学,2006,6
10 游浩.由内模控制和IMC一PID控制及其应用[D].北京化工大学,2000,5
11 钱积新.预测控制[M].化学工业出版社，2007,9
关键词 前馈补偿，复合控制，电液伺服，位置控制，仿真
1前 言
陶瓷压砖机顶出装置,主要由执行机构——顶出油缸、动力源——液压泵站及其伺服阀、伺服控制器、PLC及顶出油缸检测装置——直线位移传感器组成，是机械、电控和液压等控制技术的综合应用。通过顶出装置带动模具运动，为陶瓷压砖机装填待压制的粉料，并且在粉料被压制成形为砖坯后将其从模具内顶出，最后完成压制工序，是陶瓷压砖机重要的运动部件之一。由于采用电液伺服技术,使得顶出装置的定位精度、响应速度得到大幅度提高,到达目标位置所需的时间大大缩短，正由于这些特点,陶瓷生产过程中对提高砖坯精度和生产效率具有重要的现实意义。同时，由于采用电液伺服控制的顶出装置能够方便地改变目标位置，这样不仅可以做到在改变产品规格的情况下，方便地改变顶出的目标位置，而且可以在装填料过程中，方便地设定不同的顶出目标位置，可以改变同一模具内不同区域的粉料装填情况，从而达到控制砖坯厚度的目的。对比原来的机械定位式的顶出装置，新技术大大提高了产品的质量和生产效率。
电液伺服控制技术具有以下特点：
电液伺服控制技术作为连接现代微电子技术、计算机技术和液压技术的桥梁，已经成为现代控制技术的重要构成。由于它具有线性好、死区小、灵敏度高，动态性能好、响应快、精度高等显著优点，因而得到了广泛的应用。
对于液压伺服控制的以上特点，对控制策略提出了下述要求：
（1） 应尽量满足系统的静、动态精度要求，严格地优化设计，使系统做到快速而无超调；（2）对时变、外负载干扰和交联耦合以及非线性因素引起的不定性，控制系统应呈现较强的鲁棒性；（3）控制策略应具有较强的智能；（4）控制律、控制算法应力求简单可行、实时性强；（5）系统应有较高的效率。
2 液压位置控制系统的组成
液压伺服控制的基本原理就是液压流体动力的反馈控制，即利用反馈连接得到偏差信号，然后去控制液压能源输入到系统的能量,使系统向着减小偏差的方向变化,从而使系统的实际输出与希望值相符。在液压伺服控制系统中，输出量能够自动、快速而准确地复现输入量的变化规律，同时还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大器。
（1） 主控制器
系统采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC中的CPU314C-2PtP作为主控制器。PLC通过数字量输入输出点与伺服控制器通讯，指派顶出装置动作的开始时间，通过模拟量输出点将目标位置和到达目标位置的速度传送至伺服控制器，当伺服控制器到达目标位置后，返回一个开关信号给PLC，使压砖机进行下一动作。
（2） 伺服控制器和伺服阀
控制器采用MOOG公司的新型数字伺服控制器J124，阀采用高性能的MOOG系列D661伺服阀。
（3） 位置反馈测量元件
采用美国MTS公司的R-系列数字输出-SSI传感器。SSI的主要功能为同步数据交换，因为同步，所以应用在闭环控制系统上十分容易，更能与大多数控制器连接。其主要工作原理是磁致伸缩的原理：利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，便能换算出准确的位置。由于输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况。主要技术指标如下表所示。
（4） 控制原理框图（见图1）。
3液压伺服系统的建模
顶出装置采用的是如图2所示的非对称液压缸液压伺服系统。其流量q、压力p与输入信号U的关系可由下面的公式描述。基准状态下微小变化的拉氏变换后的阀特性方程为:
连续方程为:
设Ku1=Ku2=Ku，Kp1=Kp2=Kp，C1=C2=C，Csl1=Csl2=Csl，联立式(1)和式(2)，得：
CSp1=KuU-Kpp1-A1SX-Cslp1(3)
CSp2=-KuU-Kpp2-KA1SX-Cslp2 (4)
由式(3)得：
p1=(KuU-A1SX)/(CS+Kp+Csl)
由式(4)得：
p2=-(KuU+KA1SX)/(CS+Kp+Csl)
负载方程为：
F=A1(p1－Kp2)
=A1pf=[A1/(CS+Csl+Kp)][(1+K)KuU-A1(1+K2)SX]
=[A1/(CS+Kce)][(1+K)KuU-A1(1+K2)SX](5)
控制对象的力平衡方程为：
A1pf=(mS2+bS)X+FL(6)
C=V/β+(Lπd2/4)(1/β+d/hEy)
式中：
Al、KAl——活塞面积 ，K为面积比
Ku——流量增益
Kp——压力增益
V——包括配管的液压缸容腔体积
β——油的体积弹性系数
l、d、h——配管的长度、内径、壁厚
E——配管材料弹性系数
C——压缩系数
q1、q2——流量
Csl——泄漏系数
U——输入信号
m——负载惯性项系数
b——负载粘性抵抗系数
FL——负载外力
由式(5)、式(6)可以推导出系统的传递函数：
由方程可得图3所示数学模型系统的方框图。
4基于复合控制的伺服控制器
为保证液压伺服系统的控制精度，不仅要使系统具有足够的频宽和阻尼，而且要有理想的静态、动态刚度，即较强的抗负载干扰能力。为了满足控制要求，控制系统主要由开环控制和闭环控制相结合而形成复合控制，其结构方框图如图4所示。
在图4所示的复合控制系统中，按照偏差控制带有负反馈的闭环系统起主要调节作用，改善系统的动态特性，而带有前馈的开环控制则起辅助补偿作用，这样双向控制可达到很高的控制精度。适当地选取补偿环节B，不影响系统的稳定性。这正是复合控制的显著特点：开环补偿通道既提高了整个系统的控制精度，又不影响系统闭环的稳定性。
5 系统的仿真
通过MATLAB中的Simulink对系统进行仿真，以解析控制系统的机理，为实际系统的参数调试作分析。
就一般而言，自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使得PID控制更加灵活。数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在机电、冶金、机械、化工等行业获得广泛的应用。将偏差的比例（P）、积分（I）、和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。
简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：1）比例环节：成比例地反应控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。3）微分环节：反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
根据图4，利用Simulink进行仿真，得出不同情况的仿真结果，结果如下：
1） 在阶跃的输入条件下不同情况的仿真：
由图5、6、7可以看出，微分动作在反馈回路的PID控制器响应的速度明显低于正常PID控制策略的响应速度，而超调量却比正常PID控制的小。事实上，对这个系统采用这种结构的PID控制器，其控制效果得到明显改善。
2） 在正弦输入情况下的仿真,其中曲线1为输入信号、曲线2为输出信号。
由图8可以看出控制对象与系统输出有明显的滞后效应。
由图9可以看出，在伺服系统中增大前馈补偿增益，能够使控制对象很好地跟随系统输出，前馈控制提高系统的跟踪性能，拓宽系统的频带。不过，在这种情况下，系统输出超调比较严重，此时可通过调节速度环反馈来减少超调，通过仿真得出的结果在实际系统中得到很好地验证。
图10是实际系统中测量出的图形，可以看出其主要性能指标都比较好。其中，曲线1为系统输出、曲线2为实际控制对象位置。
6结 语
实际上，传统PID控制器具有简单的控制结构，在实际应用中又较易于操作，因此它在工业过程控制中有着最广泛的应用。但是，由于其采用线性定常组合方案，难于协调快速性和稳定性之间的矛盾；在具有参数变化和外干扰的情况下，其鲁棒性也不够好。当系统性能要求比较高时，传统PID控制往往不能满足要求，需要对其进行改造，像本文中介绍的增加前馈控制和对反馈控制进行改造，形成复合控制系统就能满足实际生产的要求。
参考文献
1 王占林.近代电气液压伺服控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005,2
2 张静等编著.MATLAB在控制系统中的应用[M].电子工业出版社，2007,5
3 “电液比例控制技术及新发展”[C].《机床与液压》第二届技术研讨会，2007,5
4 刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].电子工业出版社,2002
5 潘 策,陈晓南,杨培林.时变滞后系统的模糊预估控制[D].西安交通大学机械工程学院,2002
6 钟庆昌,谢剑英.纯滞后对象的直接补偿外模控制器[J].湖南大学学报，1999,26
7 罗艳蕾.基于MATLAB的液压位置模糊控制系统的仿真模型[J].现代机械，2003
8 孙广会.基于PLC的减摇鳍随动系统模糊-PI控制研究[D].哈尔滨工程大学,2007,3
9 黄 静.基于内模控制的PID控制系统的研究与应用[D].北京化工大学,2006,6
10 游浩.由内模控制和IMC一PID控制及其应用[D].北京化工大学,2000,5
11 钱积新.预测控制[M].化学工业出版社，2007,9