液压力检测试验台的模糊PID控制系统设计

　　0 前言

　　液压力检测试验台应用广泛,诸如材料试验机、结构物疲劳试验机、轧机张力控制检测系统、车轮刹车装置力检测等都采用液压力检测试验台。力检测试验台是电液压力伺服控制系统,其主要功能是给被测设备加压,被检测设备受力与试验台液压缸输出力平衡,传感器通过检测液压缸输出力来检测被测设备的受力情况。受流量与孔口前后压力差、油缸活塞杆和油体惯性、油体泄漏以及回路大滞后等诸多因素影响,系统不确定性和非线性比较严重。系统原有控制策略存在许多不足,严重影响了系统的动态性能和检测精度,必须对控制策略进行优化研究。为达到稳、准、快等高控制指标,采用模糊控制方法来适应系统参数的一定变化。但由于模糊控制自身特点,不能产生较高的精度,笔者汲取模糊控制和PID控制的共同优点,选用了模糊PID控制策略,介绍了其工作原理和特点,设计了控制器的结构形式。

　　1 试验台组成及工作原理

　　液压力检测试验台是典型的电液力控制系统,是由伺服放大器、电磁比例溢流阀、液压缸和力传感器等组成的闭环系统,如图1所示。

　　当指令装置发出的指令电压信号作用于系统时,液压缸便有输出力,该力由传感器检测转换为反馈电压信号并与指令电压信号相比较,得出偏差信号。此偏差电压信号经过伺服放大器放大后输入到伺服阀,使得伺服阀产生负载压差作用于液压缸活塞上,使输出力向减小误差的方向变化,直至输出力等于指令信号所规定的值为止。在稳态情况下,输出力与偏差信号成比例。因为要保持一定的输出力,要求伺服阀有一定的开度,因此是一个零型有差系统^[1]。

　　2 系统模型的建立

　　2.1 力传感器模型

　　偏差信号为

　　式中:U_e为偏差电压信号;

　　U_r为指令电压信号;

　　U_f为反馈电压信号。

　　则力传感器方程为

　　式中:K_fF为力传感器增益;

　　F_g为液压缸输出力。

　　2.2 伺服放大器模型

　　采用电流负反馈伺服放大器驱动伺服阀时,伺服放大器动态可以忽略,其输出电流为:

　　式中:K_a为伺服放大器增益。

　　伺服阀的传递函数为

　　其中:G_sv(s)为K_sv=1时伺服阀的传递函数;

　　x_v为伺服阀阀芯位移;

　　K_sv为伺服阀增益。

　　2.3 阀控液压缸基本方程

　　系统的负载为质量、弹性和阻尼,阀控液压缸的动态可以用下面的3个方程描述。