电液伺服系统中PID控制器的设计

    液压系统在机械传动方面有着十分重要的应用,尤其是其具有传动过程中工作稳定、传递功率负荷大、传动能量方向灵活可控、调节控制方便等等优势,非常适合在机械制造、工程机械控制、大型交通工具等场合应用。如何提高液压系统的控制效率和精度是研究者广泛关注的问题。

    电液伺服系统是液压自动控制领域中的一门重要研究技术,由于其具有良好、快速、高精度的控制效果和能量,从该技术一诞生,其应用面就非常广泛[1-6]。在机械、加工、轮船、火炮、汽车等很多领域均有应用,并且取得了令人瞩目的应用效果。尤其是近年来,随着计算机技术的迅猛发展和在自动控制领域的应用,如何将计算机控制技术应用于液压伺服控制已经成为人们研究的重点和热点。尤其是最近十年中,在大功率、高精度、快速的自动控制领域,研究基于自动控制技术的液压伺服系统取得了非常明显的研究效果。本文结合液压伺服系统的需求,设计一种基于PID算法的电液伺服系统控制器,并对其PID控制算法和电液伺服系统控制方法进行分析。

    1　液压伺服系统总体设计方案

    本文研究的电液伺服系统应用于机械加工中工件的定位控制,其基本原理是通过电液伺服系统的自动控制算法,计算出工件控制位置和偏差距离,通过液压系统调整工件的加工位置,达到快速、高精度的机械加工要求。工件的加工位置的定位主要由液压系统进行控制,液压系统通过对工作马达的驱动,实现对加工工件位置的定位。由工作马达带动加工刀具对工件进行加工,液压伺服系统需要对加工驱动位置和马达转速进行反馈,获取工件加工时的详细信息。液压系统中的受力状态同样需要进行受力反馈,以获知液压系统工作是否正常。电液伺服系统通过液压伺服阀、液压缸等液压原件对工作马达驱动控制,电液伺服系统的总体结构如图1所示。

    电液伺服系统的实现环境主要由相关软件和控制传感电路组成。具体的控制传感电路主要包括控制处理器、供电模块、数字信号模拟信号相互转换模块[1]27。其中,控制处理器是整个系统的核心,其运算速度和处理能力直接影响着系统的主要功能能否达到预期目标。因此,控制处理器的选取必须充分考虑系统的可靠性、运算负荷、处理能力等诸多因素。综合考虑之后,系统采用ARM9系列处理器。该处理器具有处理能力强、运行速度快、抗电磁干扰能力强等特点,非常适合作为电液伺服系统的控制和运算任务的处理器。供电模块是系统稳定、可靠运行的基础和前提,一个可靠、稳定的电路供电系统可以避免很多意外的故障,能对运行的结果和控制精度提供支撑。考虑到控制系统中一部分是微处理器等数字电路,另一部分则是液压传感原件和液压控制信号等模拟电路,因此,系统的电源模块设计了两套电路系统,分别供给数字电路和模拟电路。其中,数字电路又分为CMOS类器件和TTL类器件,因此,在数字电路中相当于分成两路信号。数字信号与模拟信号的转换模块用于实现把液压传感的模拟信号与处理器控制的数字信号相互转换。为了提高控制的精度,系统采用支持14位的A/D转换芯片,其相当于能够区分16K种信号类型,能够实现较高的控制精度。