基于MATLAB與AMESim的電液伺服系統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)

于小慶

摘要：電液伺服系統(tǒng)在制造業(yè)、工程機(jī)械、機(jī)器人等眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用，是目前液壓驅(qū)動高精度運(yùn)動控制主要控制方式。在電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了能夠知曉系統(tǒng)的靜動態(tài)特性，可采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)的建立，控制算法的計(jì)算。AMESim提供了一套電液伺服仿真建模與分析的解決方案，可與MATLAB進(jìn)行連接，充分發(fā)揮MATLAB的算法運(yùn)算能力。建立電液伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型，控制算法模型為電液伺服控制提供理論基礎(chǔ)，建立一種變幅機(jī)構(gòu)的聯(lián)合仿真模型，采用PID控制方式，進(jìn)行機(jī)構(gòu)位置保持能力測試，結(jié)果表明建立的模型正確，達(dá)到了預(yù)期效果。

Abstract： The electro-hydraulic servo system is widely used in many fields， such as manufacturing industry， construction machinery， robot and so on. In the design of electro-hydraulic servo system， in order to know the static and dynamic characteristics of the system， computer simulation technology can be used to establish the electro-hydraulic servo system and calculate the control algorithm. AMESim provides a set of solution for modeling and analysis of electro-hydraulic servo simulation， which can be connected with MATLAB and give full play to the algorithm operation ability of MATLAB. The transfer function model of the electro-hydraulic servo system is established， and the control algorithm model provides the theoretical basis for the electro-hydraulic servo control. A joint simulation model of the luffing mechanism is established. The PID control method is used to test the position holding ability of the mechanism. The results show that the model is correct and achieves the expected effect.

關(guān)鍵詞：電液伺服系統(tǒng);仿真技術(shù);AMESim;MATLAB;PID控制

Key words： electro hydraulic servo system;simulation technology;AMESim;MATLAB;PID controler

中圖分類號：TH137.52;V249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）20-0055-02

0? 引言

機(jī)電液系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，適合需要大力矩工作的場合，如多種機(jī)床、航天器械、工程機(jī)械等[1，2]。在對運(yùn)動或動力精度要求較高的場合，往往需采用電液伺服控制系統(tǒng)[3]，一般都包含了比較元件、放大器、轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行元件、負(fù)載、傳感器等組件。AMESim提供了較為豐富的電液伺服控制系統(tǒng)解決方案，可進(jìn)行電液伺服的液壓系統(tǒng)建模。在控制算法方面，PID控制技術(shù)逐漸成熟，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字PID控制器得到了更多應(yīng)用。曹昌勇[4，5]等在汽車減振器性能檢測系統(tǒng)中，運(yùn)用模糊PID控制算法，采用MATLAB進(jìn)行程序的編制，結(jié)果表明系統(tǒng)工作平穩(wěn)，達(dá)到了較好的控制效果。付甜甜[6]等根據(jù)MATLAB和AMESim各種的優(yōu)勢，采用模糊PID控制器，完成了液壓系統(tǒng)模型的建立與控制器設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，結(jié)果表明模糊PID控制器在電液伺服控制方面具有更高的速度和精度。

1? 伺服系統(tǒng)與控制器軟件實(shí)現(xiàn)

1.1 伺服與控制算法模型

電液伺服系統(tǒng)主要建立伺服閥和伺服缸的數(shù)學(xué)模型。在多數(shù)系統(tǒng)中，可將伺服閥的傳遞函數(shù)簡化為一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)：

式中，K為伺服閥的流量增益;？棕sv為伺服閥的固有頻率;？孜sv為伺服閥阻尼比。

伺服缸傳遞函數(shù)為：

式中，Ap為活塞有效面積;？茁e為有效體積彈性模量;FL為活塞外負(fù)載力;K為負(fù)載彈性剛度;Kq為伺服閥流量增益;Bp為粘性阻尼系數(shù);mt為活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量;Kce為總流量-壓力系數(shù)。

PID控制器主要包括比例、微分和積分項(xiàng)，其控制規(guī)律為[7]：

式中，u為控制器的輸出;e信號偏差;kp為比例系數(shù);TI為積分時(shí)間常數(shù);TD為微分時(shí)間常數(shù)。

1.2 AMESim液壓系統(tǒng)仿真

AMESim主要包括流體系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、熱系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和信號系統(tǒng)，已在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，通過圖形化界面調(diào)取元件。其中流體系統(tǒng)中包括了多種流體單元，包括流體設(shè)置單元、管道、過濾器、蓄能器、液壓缸、液壓泵、恒壓泵、液壓閥等。液壓缸包括單作用液壓缸、雙作用液壓缸、帶負(fù)載的單作用液壓缸、有彈簧輔助的單作用液壓缸等。液壓泵包括定量泵、變量泵等，可與液壓閥進(jìn)行組合連接形成變量柱塞泵等。液壓閥模塊包括單向閥、兩位三通閥、三位四通閥、減壓閥、調(diào)速閥、梭閥、三位四通電液伺服閥等。

機(jī)械系統(tǒng)模塊包括機(jī)架、電動機(jī)齒輪等多種常見機(jī)械設(shè)備。其中的3D機(jī)械模型庫將平面機(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為三維機(jī)械結(jié)構(gòu)模型，可更加真實(shí)地模擬物理系統(tǒng)。信號系統(tǒng)模塊包括信號發(fā)生器、傳遞函數(shù)塊、函數(shù)塊、濾波器等。其中傳遞函數(shù)塊基于模型的傳遞函數(shù);函數(shù)塊可設(shè)置一個(gè)函數(shù)模型;濾波器可設(shè)置為低通、高通或帶通濾波器等。AMESim用較少的要素完成復(fù)雜的系統(tǒng)模型，通過圖形界面實(shí)現(xiàn)對仿真模型的擴(kuò)充以及改變，擺脫了復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模，注重系統(tǒng)本身的物理模型。

1.3 MATLAB Simulink控制器設(shè)計(jì)

70年代中期，Cleve Moler博土及其同事開發(fā)了基于FORTRAN語言的LINPACK和EISPACK子程序庫，其名稱是由MATrix和LABoratory兩個(gè)單詞的前三個(gè)字母所合成。MATLAB經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，其形成了以高性能的數(shù)組運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了眾多高效運(yùn)行的函數(shù)，且提供了非常高效的編程語言與二次開發(fā)環(huán)境，已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、數(shù)值計(jì)算、系統(tǒng)建模與仿真等。MATLAB Simulink是窗口圖形方式的、專門用于連續(xù)或離散時(shí)間的系統(tǒng)建模仿真，同時(shí)提供了與AMESim聯(lián)合的接口。

在MATLAB Simulink環(huán)境下可建立電液伺服控制系統(tǒng)的控制算法運(yùn)算模型，在Simulink中可調(diào)用與AMESim連接的接口，通過編譯AMESim中的MATLAB接口塊可生成接口文件，將接口文件導(dǎo)入Simulink的接口塊即可完成連接。

2? 變幅機(jī)構(gòu)模型建立

如圖 1所示，某變幅機(jī)構(gòu)的AMESim液壓系統(tǒng)模型，采用帶負(fù)載的單作用液壓缸模型，三位四通電液伺服閥模型，定量泵模型，采用一個(gè)唯一傳感器進(jìn)行活塞桿位移的測量，測量輸出經(jīng)過一個(gè)比例增益環(huán)節(jié)，通過設(shè)置比例系數(shù)實(shí)現(xiàn)不同單位量級之間的轉(zhuǎn)換。MATLAB接口的輸入為液壓缸活塞桿運(yùn)動位移，輸出為經(jīng)過PID控制算法運(yùn)算后的輸出，輸出到伺服閥，從而控制伺服閥的動作。

設(shè)置活塞桿運(yùn)動情況為從初始位置運(yùn)動到55.5cm處，并保持該位置一段時(shí)間。從MATLAB啟動仿真運(yùn)行，仿真結(jié)果如圖 2所示。由圖2可知，活塞桿從初始0cm位置逐漸過渡到期望的55.5cm位置，穩(wěn)態(tài)階段之前有一小段的振蕩產(chǎn)生，但振蕩幅值較小，在穩(wěn)態(tài)階段，系統(tǒng)的響應(yīng)與期望信號幾乎重合，控制精度非常高，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

3? 結(jié)束語

本文針對電液伺服系統(tǒng)及其應(yīng)用，介紹了能夠進(jìn)行電液伺服系統(tǒng)仿真的AMESim軟件，以及能夠進(jìn)行控制算法運(yùn)算的MATLAB軟件。在AMESim中建立了某種變幅機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)模型，通過接口技術(shù)與MATLAB進(jìn)行連接，采用PID控制算法進(jìn)行伺服缸運(yùn)動控制，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有較高精度的跟蹤效果，到達(dá)了設(shè)計(jì)預(yù)期，可為相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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