濾波器對(duì)變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)恒壓控制性能的影響研究

王平 劉丹 趙松

摘要：針對(duì)變轉(zhuǎn)速液壓系統(tǒng)恒壓控制中存在的信號(hào)干擾影響控制性能的問(wèn)題，文中提出了對(duì)壓力反饋信號(hào)進(jìn)行濾波處理的方法。結(jié)合變轉(zhuǎn)速液壓實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了壓力反饋信號(hào)未加濾波器、加非零相位濾波器以及加零相位濾波器3種方式下的系統(tǒng)壓力控制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)壓力反饋信號(hào)進(jìn)行濾波處理可以明顯提高系統(tǒng)的壓力控制性能，且相比于非零相位濾波器，零相位濾波器能夠在不降低系統(tǒng)響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低壓力波動(dòng)，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)；聯(lián)合編程；零相位濾波器；恒壓控制

中圖分類號(hào)：TP271. 31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487 （2018） 01-0003-04

在實(shí)際測(cè)控系統(tǒng)中，由于環(huán)境等各種外界干擾，測(cè)量信號(hào)總會(huì)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(hào)用于反饋控制，會(huì)影響系統(tǒng)的控制性能[1-2]。因此，工程中往往使用Butterworth等數(shù)字濾波器對(duì)控制信號(hào)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?hào)的吉布斯現(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(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提高液壓系統(tǒng)控制性能。

1.變轉(zhuǎn)速液壓測(cè)控平臺(tái)與控制原理設(shè)計(jì)

1.1變轉(zhuǎn)速液壓測(cè)控平臺(tái)

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

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(dòng)定量泵5，壓力油經(jīng)過(guò)單向閥6，通過(guò)電磁換向閥9驅(qū)動(dòng)柱塞馬達(dá)10旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過(guò)電比例溢流閥11返回油箱。系統(tǒng)流量控制是通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵來(lái)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(guò)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(cè)控原理框圖所示，液壓系統(tǒng)的壓力、流量等信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集，在LabVIEW測(cè)控程序界面實(shí)時(shí)顯示與保存。同時(shí)，生成的控制信號(hào)通過(guò)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(hào)的零相位濾波是通過(guò)在LabVIEW測(cè)控程序中嵌入MATLAB Script節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集卡將壓力傳感器測(cè)得的壓力信號(hào)傳送給LabVIEW程序，再通過(guò)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(hào)通過(guò)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Vl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(hào)濾波的恒壓控制原理框圖如圖3所示。壓力反饋信號(hào)Pf與目標(biāo)壓力P.的偏差經(jīng)過(guò)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(hào)，控制電比例溢流閥閥芯的開(kāi)度，從而改變系統(tǒng)壓力。當(dāng)反饋信號(hào)大于輸入信號(hào)時(shí)，閥芯開(kāi)度增大，系統(tǒng)壓力減小；當(dāng)反饋信號(hào)小于輸入信號(hào)時(shí)，閥芯開(kāi)度減小，系統(tǒng)壓力增大；直至反饋信號(hào)與輸入信號(hào)的偏差為0，達(dá)到目標(biāo)壓力值。

信號(hào)采集過(guò)程中，反饋通道存在干擾Ⅳ，，設(shè)壓力輸入信號(hào)P1與干擾信號(hào)Ni的拉普拉斯變換式分別為P1（s）和Ni（s），壓力輸入與輸出的誤差傳遞函數(shù)為Φpi（s），干擾與輸出壓力的誤差傳遞函數(shù)為Φni（s），則可得誤差信號(hào)的拉普拉斯變換式為：

由式（1）可知，系統(tǒng)的壓力誤差受干擾信號(hào)的影響。因此，濾除壓力反饋信號(hào)中干擾成份，能減小或消除干擾對(duì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)性能分析

設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速700 r/min，系統(tǒng)目標(biāo)壓力4 MPa-6 MPa-4 MPa階躍變化，PID控制器設(shè)置參數(shù)為Kp=0.25，Ki-0.01，Kd=0，對(duì)比分析壓力反饋信號(hào)未加濾波器、加非零相位濾波器及加零相位濾波器3種情況下，系統(tǒng)壓力的動(dòng)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(cè)得液壓系統(tǒng)壓力、流量信號(hào)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為未加濾波器的壓力響應(yīng)曲線，圖5為加非零相位濾波器。

如圖4所示，當(dāng)壓力反饋信號(hào)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，且存在較大波動(dòng)，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(dòng)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?hào)邊界的吉布斯現(xiàn)象引起的。圖6是經(jīng)非零相位濾波器濾波后的壓力信號(hào)，可知經(jīng)過(guò)非零相位濾波器濾波后，信號(hào)成份發(fā)生相移，信號(hào)一端會(huì)移出邊界而消失，另一端則從0值開(kāi)始，導(dǎo)致了信號(hào)失真，使實(shí)際壓力達(dá)不到目標(biāo)值。圖7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(dòng)很小，控制精度高。

通過(guò)上面分析可知，在反饋通道加入零相位濾波器，有效濾除了干擾成份，不僅能減小壓力波動(dòng)，而且經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整能減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。在LabVIEW測(cè)控程序中嵌入MATLAB編程，不會(huì)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5 MPa恒定，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速700 r/min-1000 r/min-700 r/min階躍變化，則流量以0.4rri3/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(huì)對(duì)壓力產(chǎn)生擾動(dòng)。PID控制器設(shè)置參數(shù)為Kp=0.25，Ki=0.01，Ka=0，對(duì)比分析壓力反饋信號(hào)未加濾波器、加非零相位濾波器及加零相位濾波器3種情況下，系統(tǒng)壓力的魯棒性。

圖8是反饋信號(hào)未加濾波器處理時(shí)的壓力擾動(dòng)響應(yīng)曲線，實(shí)際壓力達(dá)不到設(shè)定目標(biāo)值，當(dāng)流量階躍上升時(shí)，系統(tǒng)壓力瞬時(shí)達(dá)到7.079 MPa，經(jīng)過(guò)閉環(huán)PID控制，重新回到穩(wěn)態(tài)值4.8 MPa，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2.701 MPa，經(jīng)7. 42 s調(diào)整后重新回到穩(wěn)態(tài)。如圖9加非零相位濾波器的壓力擾動(dòng)響應(yīng)曲線所示，實(shí)際壓力在4. 88 MPa左右，且波動(dòng)較大。當(dāng)流量階躍上升時(shí)，壓力瞬時(shí)達(dá)到6.189 MPa，流量階躍下降時(shí)，壓力瞬時(shí)下降至3.753 MPa，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調(diào)整，回到目標(biāo)壓力附近。圖10是加零相位濾波器的壓力擾動(dòng)響應(yīng)曲線，當(dāng)流量階躍上升時(shí)，壓力瞬間達(dá)到6.208 MPa，經(jīng)過(guò)5.5s的調(diào)整，回到穩(wěn)態(tài)5MPa；當(dāng)流量階躍下降時(shí)，壓力瞬間達(dá)到3.867MPa，經(jīng)過(guò)4.98s調(diào)整回到穩(wěn)態(tài)。

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

3.結(jié)論

本文針對(duì)液壓系統(tǒng)恒壓控制中的反饋信號(hào)存在干擾的問(wèn)題，提出了對(duì)壓力反饋信號(hào)進(jìn)行濾波的方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，作為反饋信號(hào)的壓力信號(hào)的純凈度會(huì)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(hào)由于存在吉布斯現(xiàn)象，雖然可以減小系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，但會(huì)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，而且能提高系統(tǒng)魯棒性。

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