數(shù)字液壓AGC系統(tǒng)的位置控制方法研究

　　摘 要：根據(jù)液壓自動增益控制系統(tǒng)和高速開關(guān)閥的特點(diǎn)，建立了數(shù)字液壓自動增益控制系統(tǒng)模型，并對其內(nèi)環(huán)進(jìn)行了模擬及對比。為了在高速開關(guān)閥的應(yīng)用下調(diào)節(jié)液壓缸的參數(shù)，提出將占空比線性轉(zhuǎn)換 PWM 控制分別應(yīng)用于傳統(tǒng) PID 控制和模糊自適應(yīng) PID 控制，并對兩種控制方法進(jìn)行分析，得出兩種控制方法對系統(tǒng)的影響。

　　張保林， 機(jī)械管理開發(fā) 發(fā)表時間：2021-09-24

　　關(guān)鍵詞：高速開關(guān)閥 液壓 AGC PWM 控制 PID 控制 模糊控制

　　引言

　　閉環(huán)控制系統(tǒng)的液壓自動增益控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制精度高等特點(diǎn)。高速開關(guān)閥相對于伺服閥在液壓自動增益控制系統(tǒng)中有更多的應(yīng)用，同時控制準(zhǔn)確度和響應(yīng)的快慢是必須要考慮的因素 [1-3]。因此，本文結(jié)合不同控制方法來研究數(shù)字液壓自動增益控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使自動增益控制位置閉環(huán)控制系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地調(diào)整液壓缸的位置。

　　1 基于傳統(tǒng) PID 控制的數(shù)字液壓 AGC 系統(tǒng)

　　當(dāng)切換高速開關(guān)閥時，局部機(jī)械摩擦及交流電產(chǎn)生的磁力會影響到高速開關(guān)閥內(nèi)部。為了解決高速開關(guān)閥流量控制不準(zhǔn)確的問題，通過改變其占空比，有效地消除了流量控制的不活躍區(qū)域和不確定區(qū)域[4]。

　　高速開關(guān)閥占空比輸入方程如公式(1)(2)：式中：τ 和 τ' 均表示占空比，τ 由閉環(huán)控制系統(tǒng)相互作用得出;τ' 由比例交換作用后得出;S 表示缸體移動所需的參數(shù);x 表示缸體運(yùn)動距離。

　　根據(jù)數(shù)字液壓自動增益控制系統(tǒng)的 PID 控制原理和各部件的數(shù)學(xué)模型，利用 Simulink 仿真軟件建立閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型[5]。研究了脈寬調(diào)制控制對 PID 控制系統(tǒng)的影響及脈寬調(diào)制控制對自動增益控制液壓缸運(yùn)動位置的控制特性。基于液壓 AGC 系統(tǒng)的特點(diǎn)，在線精調(diào)時，調(diào)整量一般在 0.1 mm 左右，因此本次模擬所需的位移調(diào)整量 S 設(shè)定為 0.1 mm。仿真模型如圖 1—圖 4 所示。

　　在圖 2 的控制系統(tǒng)中，上部運(yùn)用了 PID 和占空因數(shù)影響 PWM的控制系統(tǒng)，下部運(yùn)用了 PID 和傳統(tǒng) PWM相結(jié)合的控制系統(tǒng)。PID 控制器的三個影響因子如下：KP=15，KI=0.004 7，KD=4。

　　結(jié)合兩大系統(tǒng)對比研究缸體位移基于高速開關(guān)閥的效果，缸體移動的位移曲線如下頁圖 5 所示。

　　在下頁圖 5 中，細(xì)實(shí)線(——)表示的是 PID 與占空比轉(zhuǎn)換 PWM結(jié)合的氣缸移動反饋曲線。開始時，兩條曲線重疊并呈直線上升。主要原因在于開始時占空比數(shù)值保持 1 不變，在高速開關(guān)閥繼續(xù)保持開啟狀態(tài)時，高速開關(guān)閥內(nèi)部依然運(yùn)作，PWM系統(tǒng)沒有發(fā)揮作用，此時缸體保持恒定運(yùn)動狀態(tài);當(dāng)缸體排量越來越大時，PWM系統(tǒng)開始發(fā)揮作用，曲線趨于水平。在 PWM系統(tǒng)開始發(fā)揮作用時，缸體的移動總量與預(yù)估值非常接近，高速開關(guān)閥對于排量的精準(zhǔn)把控使得缸體的移動易于控制。

　　由此得出，之前的 PID 控制器可以控制缸體移動的距離，基于由計算機(jī)控制的自動液壓系統(tǒng)，而占空比線性轉(zhuǎn)換 PWM系統(tǒng)可以使得缸體的位移更容易控制。所以，通過比例積分微分控制和占空比線性轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制控制相結(jié)合的控制策略，可以通過高速開關(guān)閥對計算機(jī)控制的自動液壓缸體進(jìn)行精確控制。

　　2 基于模糊自適應(yīng) PID 控制的數(shù)字液壓 AGC 系統(tǒng)

　　根據(jù)模糊自適應(yīng) PID 控制原理和計算機(jī)控制的自動液壓控制系統(tǒng)中所建立的各種二維幾何圖形，通過研究其他中小型板材軋機(jī)，并通過二維軟件建立仿真模型[6]。此外，在基于占空比線性轉(zhuǎn)換脈寬調(diào)制控制的系統(tǒng)中運(yùn)用模糊自適應(yīng) PID 控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 PID 控制系統(tǒng)時，高速開關(guān)閥對計算機(jī)控制的自動液壓缸的位移具有很穩(wěn)定的控制特性，而且其系統(tǒng)的穩(wěn)定性也較優(yōu)良。因為液壓 AGC 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在調(diào)整其精度時，調(diào)整的大小不宜太大，所以本次仿真將所需要的初始值定為 0.2 mm。仿真模型如圖 6—圖 8 所示。

　　在圖 6 的模型中，上部運(yùn)用了 PID 和占空因數(shù)影響 PWM 的控制系統(tǒng)，下部運(yùn)用了 PID 和傳統(tǒng) PWM相結(jié)合的控制系統(tǒng)。PID 控制器的三個影響因子如下：KP=15，KI=0.004 7，KD=4。結(jié)合兩大系統(tǒng)對比研究缸體位移基于高速開關(guān)閥的效果，缸體移動的位移曲線如圖 9 所示。

　　在圖 9 中，細(xì)實(shí)線(——)表示的是 PID 與占空比轉(zhuǎn)換 PWM結(jié)合的氣缸移動反饋曲線，時間開始時，兩條曲線重疊并呈直線上升。主要原因在于開始時占空比數(shù)值保持 1 不變，在高速開關(guān)閥繼續(xù)保持開啟狀態(tài)時，高速開關(guān)閥內(nèi)部依然運(yùn)作，PWM系統(tǒng)沒有發(fā)揮作用，此時缸體保持恒定運(yùn)動狀態(tài);當(dāng)缸體排量越來越大時，采用模糊自適應(yīng) PID 控制的系統(tǒng)比傳統(tǒng) PID 控制的系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度和更優(yōu)良的控制特性。缸體加壓時的反饋速率低于 35 ms，符合 AGC 控制系統(tǒng)對反饋速率的標(biāo)準(zhǔn)。因為傳統(tǒng)和模糊自適應(yīng)的兩個控制系統(tǒng)均運(yùn)用了 PWM 控制，缸體具有優(yōu)良的可控性能。

　　由以上研究可以得出，模糊自適應(yīng)控制器和 PID 控制器相結(jié)合的系統(tǒng)可以增加系統(tǒng)的反饋頻率，提高系統(tǒng)的精確控制性能。所以，模糊 PID 控制器和占空比的線性轉(zhuǎn)換相結(jié)合的系統(tǒng)具有控制精度高、輸出性能優(yōu)良的特點(diǎn)。高速開關(guān)閥可以快速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)自動增益控制液壓缸的位置，從而取代液壓自動增益控制中的伺服閥，降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)耐用性。

　　3 結(jié)語

　　本文將占空比線性轉(zhuǎn)換 PWM控制分別應(yīng)用于傳統(tǒng) PID 控制和模糊自適應(yīng) PID 控制，分析了計算機(jī)控制下的自動液壓系統(tǒng)如何進(jìn)行精確控制位移大小，同時研究了基于兩種控制系統(tǒng)下高速開關(guān)閥對計算機(jī)控制下的自動液壓系統(tǒng)的液壓缸體的影響，并進(jìn)行對比分析得出，模糊自適應(yīng) PID 控制器和占空比的線性轉(zhuǎn)換相結(jié)合的系統(tǒng)具有控制精度高、輸出性能優(yōu)良的特點(diǎn)。在控制系統(tǒng)中運(yùn)用模糊自適應(yīng) PID 控制器會增加控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并會優(yōu)化控制系統(tǒng)的反饋速率。