精密液压压力自动发生系统的设计

　　1 前言

　　自动控制和计算机技术的迅猛发展,给液压控制技术带来了深刻的影响,精密液压压力的产生与控制技术应用越来越广泛,特别是应用于液压和气动设备的检验、校准和检定的压力标准装置,对液压、气压的控制精度和控制稳定性提出了越来越高的要求。电液控制阀[1]作为传统的液压压力产生与控制部件大体可分为伺服阀、比例阀和高速开关电磁阀三类。这些阀门产生的压力的控制精度和控制稳定性比较低。本文采用直流伺服电机和活塞桶作为压力产生部件,采用模拟和数字双闭环PID控制技术,实现了液压的精密控制,压力输出精度高,稳定性好,压力迅速,无明显过冲。

　　2 工作原理

　　系统设计采用液压系统,压力控制部件没有采用步进电机控制方案[2],而是由直流伺服电机通过变速箱带动活塞泵[3]作为压力产生机构,通过电机的正、反转带动活塞泵推进、后退,调整系统的压力。系统采用模拟和数字双闭环控制方案。系统的压力传感测量由2个支路构成:压力传感器直接输出的模拟电压,该信号虽然没有温度补偿和非线性修正,压力测量的准确度较低,但是该电压信号具有动态特性好的特点,系统中直接用该信号作为模拟压力控制的压力反馈;温度补偿和非线性修正由计算机自动完成,输出的数字压力信号精度高、稳定性好,作为数字控制环路的压力反馈。图1是系统的结构框图,模拟PID控制电路构成了模拟闭环环反馈,计算机、传感器的数字输出和单片机构成了数字闭环反馈。

　　3 系统压力控制方案

　　3.1 系统压力控制方案

　　系统控制采用串级PID控制[5]方案见图2所示。

　　系统中由2个PID控制器[6],GC2(s)称为副调节器传递函数,内环由模拟控制电路实现,称为副回路。GC1(s)主调节器传递函数,外环由数字控制实现,称为主回路。调节器的输出控制量u1作为副回路的给定量R2(s)。

　　主回路采用数字PID控制,由计算机采样数字化补偿后的压力测量结果,计算后通过RS232接口送入单片机,控制D/A转换器的输出。方程(1)为数字PID调整控制模型:

　　KP是比例增益系数,KI积分系数,u(k),u(k-1)是k,k-1次传感器数字输出压力值,k是采样次数,e(k)压力输出的误差,KP,KI的确定采用Z-N法[7]。

　　副回路采用模拟电路设计,在传统的模拟电路PID控制的基础上,又引入了伺服电机的电压负反馈和电流正反馈,克服了传统PID控制的调节快速性和系统超调之间的矛盾。由于该系统很难建立精确的数学模型,模拟电路构成PID控制器的参数整定依靠大量的实验和反复调整确定。图3是系统的压力控制方框图。