數(shù)字濾波器對改善變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)恒壓控制性能的實(shí)驗(yàn)分析

王平　劉丹　趙松

摘要：針對變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)恒壓控制中存在的信號干擾影響控制性能的問題，本文提出先對系統(tǒng)反饋的壓力信號的時(shí)頻域特性進(jìn)行濾波處理，濾波后的信號再作為PID控制器的反饋輸入的方法。結(jié)合變轉(zhuǎn)速液壓實(shí)驗(yàn)平臺，通過MATLAB與LabVIEW軟件聯(lián)合編程方法設(shè)計(jì)了變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)對比分析了壓力反饋信號未加濾波器、加非零相位濾波器以及加零相位濾波器三種方式下的系統(tǒng)壓力控制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對壓力反饋信號進(jìn)行零相位濾波處理能夠在不降低系統(tǒng)響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低壓力波動，提高系統(tǒng)壓力控制精度，改善系統(tǒng)魯棒性。

關(guān)鍵詞：變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)；恒壓控制；聯(lián)合編程；零相位濾波器

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）10-0235-03

在實(shí)際測控系統(tǒng)中，由于環(huán)境等各種外界干擾，測量信號總會混雜多種干擾成分，如電磁干擾、高頻噪聲等，而直接將混有干擾的信號用于反饋控制，會影響系統(tǒng)的控制性能[1-2]。而工程中往往使用Butterworth等數(shù)字濾波器對控制信號進(jìn)行濾波處理，但普通的數(shù)字濾波器在濾波時(shí)有一定的相移，而且存在截?cái)噙吔缧盘柕募妓宫F(xiàn)象，不利于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制[3]，因此，本文提出采用零相位濾波器對反饋信號進(jìn)行濾波處理，改善液壓系統(tǒng)控制性能。

1 變轉(zhuǎn)速液壓測控平臺與控制原理設(shè)計(jì)

1.1變轉(zhuǎn)速液壓測控平臺

如圖1所示，變轉(zhuǎn)速液壓測控平臺由變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)和工控機(jī)測控系統(tǒng)兩部分組成[4-5]。

1油箱；2濾油器；3 12截止閥；4永磁伺服電機(jī)； 5齒輪泵； 6單向閥 ； 7先導(dǎo)式溢流閥

8壓力、流量、溫度組合傳感器；9電磁換向閥 ； 10柱塞馬達(dá)；11電比例溢流閥；13散熱器 ； 14放大板

如圖1所示，油液經(jīng)濾油器2、截止閥3，由伺服電機(jī)4驅(qū)動定量泵5，壓力油經(jīng)過單向閥6，通過電磁換向閥9驅(qū)動柱塞馬達(dá)10旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過電比例溢流閥11返回油箱。系統(tǒng)流量控制是通過伺服電機(jī)驅(qū)動定量泵來實(shí)現(xiàn)，伺服控制器控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，從而改變系統(tǒng)流量。電機(jī)轉(zhuǎn)速與伺服控制器輸入電壓大小成正比。系統(tǒng)通過電比例溢流閥11實(shí)現(xiàn)模擬加載，模擬負(fù)載大小與電比例溢流閥輸入電流大小成正比。

如圖2測控原理框圖所示，液壓系統(tǒng)的壓力、流量等信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡采集，在LabVIEW測控程序界面實(shí)時(shí)顯示與保存。同時(shí)，生成的控制信號通過數(shù)據(jù)采集卡D/A轉(zhuǎn)換后，用于控制伺服電機(jī)和電比例溢流閥，從而實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)流量和壓力。

反饋信號的零相位濾波是通過在LabVIEW測控程序中嵌入MATLAB Script節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集卡將壓力傳感器測得的壓力信號傳送給LabVIEW程序，再通過MATLAB Script節(jié)點(diǎn)送至MATLAB中進(jìn)行濾波處理，處理完成后的信號通過外部接口節(jié)點(diǎn)，重新送至LabVIEW程序中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與控制。非零相位濾波器直接從LabVIEW自帶的子vi中調(diào)用。

1.2 控制原理

變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)壓力反饋信號濾波的恒壓控制原理框圖如圖3所示。壓力反饋信號[Pf]與目標(biāo)壓力[Pi]的偏差經(jīng)過PID控制器校正及電比例溢流閥放大板放大后作為控制信號，控制電比例溢流閥閥芯的開度，從而改變系統(tǒng)壓力。當(dāng)反饋信號大于輸入信號時(shí)，閥芯開度增大，系統(tǒng)壓力減小；當(dāng)反饋信號小于輸入信號時(shí)，閥芯開度減小，系統(tǒng)壓力增大；直至反饋信號與輸入信號的偏差為0，達(dá)到目標(biāo)壓力值。

信號采集過程中，反饋通道存在干擾[Ni]，設(shè)壓力輸入信號[Pi]與干擾信號[Ni]的拉普拉斯變換式分別為[Pis]和[Nis]，壓力輸入與輸出的誤差傳遞函數(shù)為[ΦPis]，干擾與輸出壓力的誤差傳遞函數(shù)為[ΦNis]，則可得誤差信號的拉普拉斯變換式為：

[E（s）=ΦPi（s）Pi（s）+ΦNi（s）Ni（s）] （1）

由式（1）可知，系統(tǒng)的壓力誤差受干擾信號的影響。因此，濾除壓力反饋信號中干擾成分，能減小或消除干擾對系統(tǒng)輸出的影響，提高系統(tǒng)壓力控制精度。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 壓力動態(tài)響應(yīng)性能分析

設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速700r/min，系統(tǒng)目標(biāo)壓力4MPa-6MPa-4MPa階躍變化，PID控制器設(shè)置參數(shù)為[Kp=0.25]，[Ki=0.01]，[Kd=0]，對比分析壓力反饋信號未濾波、非零相位濾波及零相位濾波三種情況下，系統(tǒng)壓力的動態(tài)響應(yīng)性能。非零相位濾波器使用Butterworth 3階濾波器，濾波器低通截止頻率設(shè)置為3Hz（實(shí)驗(yàn)測得液壓系統(tǒng)壓力、流量信號最高響應(yīng)頻率為1Hz左右）。零相位濾波器低通截止頻率同樣設(shè)為3Hz。圖4、圖5和圖6分別為未加濾波器、加非零相位濾波器、加零相位濾波器的壓力響應(yīng)曲線。

如圖4所示，當(dāng)壓力反饋信號未經(jīng)濾波處理時(shí)，實(shí)際壓力響應(yīng)均值以3.85MPa-5.86MPa-3.85MPa階躍變化，存在穩(wěn)態(tài)誤差，且實(shí)際壓力在均值上下存在較大波動，約為0.3MPa。如圖5所示，加非零相位濾波器時(shí)，實(shí)際壓力響應(yīng)以3.68MPa-5.58MPa-3.69MPa階躍變化，雖然波動減小，但達(dá)不到目標(biāo)壓力值，這是由于非零相位濾波器相位偏移產(chǎn)生的截?cái)嘈盘栠吔绲募妓宫F(xiàn)象引起的。圖7是經(jīng)非零相位濾波器濾波后的壓力信號，可知經(jīng)過非零相位濾波器濾波后，信號成份發(fā)生相移，信號一端會移出邊界而消失，另一端則從0值開始，導(dǎo)致了信號失真，使實(shí)際壓力達(dá)不到目標(biāo)值。圖6是加零相位濾波器的壓力響應(yīng)曲線，由圖可以看出實(shí)際壓力響應(yīng)達(dá)到目標(biāo)值，且波動很小，控制精度高。

通過上面分析可知，對壓力反饋信號零相位濾波，能有效濾除干擾成分，減小壓力波動，且改善了系統(tǒng)控制精度和魯棒性。在LabVIEW測控程序中嵌入MATLAB編程，不會影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。

2.2 魯棒性分析

設(shè)定系統(tǒng)目標(biāo)壓力為5MPa恒定，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速700r/min-1000r/min-700r/min階躍變化，則流量以0.4m3/h-0.61m3/h-0.4m3/h階躍變化。由于液壓系統(tǒng)壓力與流量的耦合關(guān)系，流量的變化會對壓力產(chǎn)生擾動。PID控制器設(shè)置參數(shù)為[Kp=0.25]，[Ki=0.01]，[Kd=0]，對比分析壓力反饋信號未加濾波器、加非零相位濾波器及加零相位濾波器三種情況下，系統(tǒng)壓力的魯棒性。

圖8是反饋信號未加濾波器處理時(shí)的流量擾動響應(yīng)曲線，實(shí)際壓力為4.82MPa左右，達(dá)不到設(shè)定目標(biāo)值，且波動很大。當(dāng)流量階躍上升時(shí)，系統(tǒng)壓力瞬時(shí)達(dá)到7.08MPa，經(jīng)過閉環(huán)PID控制，重新回到穩(wěn)態(tài)值，調(diào)整時(shí)間為7.35s；當(dāng)流量階躍下降時(shí)，系統(tǒng)壓力瞬間下降至2.70MPa，經(jīng)7.42s調(diào)整后重新回到穩(wěn)態(tài)。如圖9加非零相位濾波器的流量擾動響應(yīng)曲線所示，實(shí)際壓力在4.71MPa左右，達(dá)不到目標(biāo)壓力值，波動減小。當(dāng)流量階躍上升時(shí)，壓力瞬時(shí)達(dá)到5.89MPa，流量階躍下降時(shí)，壓力瞬時(shí)下降至3.45MPa，經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)整，回到穩(wěn)態(tài)。圖10是加零相位濾波器的流量擾動響應(yīng)曲線，當(dāng)流量階躍上升時(shí)，壓力瞬間達(dá)到6.21MPa，經(jīng)過5.5s的調(diào)整，回到穩(wěn)態(tài)5MPa；當(dāng)流量階躍下降時(shí)，壓力瞬間下降至3.87MPa，經(jīng)過4.98s調(diào)整回到穩(wěn)態(tài)。

通過上面實(shí)驗(yàn)分析可知，反饋通道加入零相位濾波器，實(shí)際壓力不僅能達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值，波動也小，而且在受到流量突變擾動時(shí)，能減小瞬變值和縮短調(diào)整時(shí)間，使系統(tǒng)能夠更快的校正擾動所產(chǎn)生的誤差。

3 結(jié)論

本文針對液壓系統(tǒng)恒壓控制中的反饋信號存在干擾會影響系統(tǒng)控制性能的問題，提出了先對壓力反饋信號進(jìn)行濾波，濾波后的信號再輸入PID控制器的方法，并通過實(shí)驗(yàn)證了提出方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，作為反饋信號的壓力信號的純凈度會影響系統(tǒng)的控制性能，經(jīng)非零相位濾波器處理的壓力信號由于存在吉布斯現(xiàn)象，雖然可以減小系統(tǒng)的壓力波動，但會影響系統(tǒng)的控制精度，而使用零相位濾波器不僅能減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，而且能改善系統(tǒng)魯棒性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 龐新維，諶炎輝.基于小波理論的電機(jī)電流信號消噪研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（10）：200-201.

[2] 朱春明，黃道平.小波分析在控制中的應(yīng)用概況[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2003，11（10）：754-756，760.

[3] 紀(jì)躍波，秦樹人，柏林，等.有限區(qū)間信號邊界效應(yīng)問題的研究[J].振動與沖擊，2002，21（4）：108-111.

[4] 賈永峰，谷立臣.永磁同步電機(jī)驅(qū)動的液壓動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析[J].中國機(jī)械工程，2012，23（3）：286-290.

[5] 鄭德帥，谷立臣，賈永峰，等.基于AMEsim的電液負(fù)載模擬系統(tǒng)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29（2）：97-100.