數字液壓AGC系統的位置控制方法研究

　　摘 要：根據液壓自動增益控制系統和高速開關閥的特點，建立了數字液壓自動增益控制系統模型，并對其內環進行了模擬及對比。為了在高速開關閥的應用下調節液壓缸的參數，提出將占空比線性轉換 PWM 控制分別應用于傳統 PID 控制和模糊自適應 PID 控制，并對兩種控制方法進行分析，得出兩種控制方法對系統的影響。

　　張保林， 機械管理開發 發表時間：2021-09-24

　　關鍵詞：高速開關閥 液壓 AGC PWM 控制 PID 控制 模糊控制

　　引言

　　閉環控制系統的液壓自動增益控制系統具有響應速度快、控制精度高等特點。高速開關閥相對于伺服閥在液壓自動增益控制系統中有更多的應用，同時控制準確度和響應的快慢是必須要考慮的因素 [1-3]。因此，本文結合不同控制方法來研究數字液壓自動增益控制系統的響應速度，使自動增益控制位置閉環控制系統能快速、準確地調整液壓缸的位置。

　　1 基于傳統 PID 控制的數字液壓 AGC 系統

　　當切換高速開關閥時，局部機械摩擦及交流電產生的磁力會影響到高速開關閥內部。為了解決高速開關閥流量控制不準確的問題，通過改變其占空比，有效地消除了流量控制的不活躍區域和不確定區域[4]。

　　高速開關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 由閉環控制系統相互作用得出;τ' 由比例交換作用后得出;S 表示缸體移動所需的參數;x 表示缸體運動距離。

　　根據數字液壓自動增益控制系統的 PID 控制原理和各部件的數學模型，利用 Simulink 仿真軟件建立閉環系統仿真模型[5]。研究了脈寬調制控制對 PID 控制系統的影響及脈寬調制控制對自動增益控制液壓缸運動位置的控制特性?；谝簤?AGC 系統的特點，在線精調時，調整量一般在 0.1 mm 左右，因此本次模擬所需的位移調整量 S 設定為 0.1 mm。仿真模型如圖 1—圖 4 所示。

　　在圖 2 的控制系統中，上部運用了 PID 和占空因數影響 PWM的控制系統，下部運用了 PID 和傳統 PWM相結合的控制系統。PID 控制器的三個影響因子如下：KP=15，KI=0.004 7，KD=4。

　　結合兩大系統對比研究缸體位移基于高速開關閥的效果，缸體移動的位移曲線如下頁圖 5 所示。

　　在下頁圖 5 中，細實線(——)表示的是 PID 與占空比轉換 PWM結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值保持 1 不變，在高速開關閥繼續保持開啟狀態時，高速開關閥內部依然運作，PWM系統沒有發揮作用，此時缸體保持恒定運動狀態;當缸體排量越來越大時，PWM系統開始發揮作用，曲線趨于水平。在 PWM系統開始發揮作用時，缸體的移動總量與預估值非常接近，高速開關閥對于排量的精準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，基于由計算機控制的自動液壓系統，而占空比線性轉換 PWM系統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換脈寬調制控制相結合的控制策略，可以通過高速開關閥對計算機控制的自動液壓缸體進行精確控制。

　　2 基于模糊自適應 PID 控制的數字液壓 AGC 系統

　　根據模糊自適應 PID 控制原理和計算機控制的自動液壓控制系統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，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換脈寬調制控制的系統中運用模糊自適應 PID 控制系統和傳統的 PID 控制系統時，高速開關閥對計算機控制的自動液壓缸的位移具有很穩定的控制特性，而且其系統的穩定性也較優良。因為液壓 AGC 系統的穩定性，在調整其精度時，調整的大小不宜太大，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，上部運用了 PID 和占空因數影響 PWM 的控制系統，下部運用了 PID 和傳統 PWM相結合的控制系統。PID 控制器的三個影響因子如下：KP=15，KI=0.004 7，KD=4。結合兩大系統對比研究缸體位移基于高速開關閥的效果，缸體移動的位移曲線如圖 9 所示。

　　在圖 9 中，細實線(——)表示的是 PID 與占空比轉換 PWM結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值保持 1 不變，在高速開關閥繼續保持開啟狀態時，高速開關閥內部依然運作，PWM系統沒有發揮作用，此時缸體保持恒定運動狀態;當缸體排量越來越大時，采用模糊自適應 PID 控制的系統比傳統 PID 控制的系統具有更快的響應速度和更優良的控制特性。缸體加壓時的反饋速率低于 35 ms，符合 AGC 控制系統對反饋速率的標準。因為傳統和模糊自適應的兩個控制系統均運用了 PWM 控制，缸體具有優良的可控性能。

　　由以上研究可以得出，模糊自適應控制器和 PID 控制器相結合的系統可以增加系統的反饋頻率，提高系統的精確控制性能。所以，模糊 PID 控制器和占空比的線性轉換相結合的系統具有控制精度高、輸出性能優良的特點。高速開關閥可以快速、準確地調節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，降低系統功耗，提高系統耐用性。

　　3 結語

　　本文將占空比線性轉換 PWM控制分別應用于傳統 PID 控制和模糊自適應 PID 控制，分析了計算機控制下的自動液壓系統如何進行精確控制位移大小，同時研究了基于兩種控制系統下高速開關閥對計算機控制下的自動液壓系統的液壓缸體的影響，并進行對比分析得出，模糊自適應 PID 控制器和占空比的線性轉換相結合的系統具有控制精度高、輸出性能優良的特點。在控制系統中運用模糊自適應 PID 控制器會增加控制系統的穩定性，并會優化控制系統的反饋速率。