基于数字控制器的电液比例控制系统设计

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1、摘要：根据材料试验机加载技术要求，设计了一种基于电液比例的数字控制器，给出了控制模型和数学公式；并作了电液比例数字控制系统的仿真实验以及在实验台上完成了该系统的控制特性实验。实验结果表明，该文设计的基于数字控制器的电液比例控制系统能够满足试验机加载过程的恒定升压速率和控制精度的技术要求。关键词：液压加载；电液比例；数字控制；纯滞后0引言材料机械强度特性测试是在材料试验机上完成的。在加载力较大时，材料试验机加载一般采用液压加载。根据国家标准，试验应在恒定升压速率条件下，保证其测试精度。如果采用普通的压力调节系统，加载速率和力值精度无法准确控制，不能满足国家标准试验方法的技术要求；伺服阀控制精度较

2、高，能满足液压加载系统的控制精度要求，但其系统复杂，成本高，抗污能力差，维护困难，极大地限制了伺服阀的应用。而电液比例阀具有廉价、节能、维护方便、适应大功率控制的特点，并具有较高的控制精度。因此，采用比例压力控制系统，利用电液比例阀输出压力和输入电流成比例的特点，逐渐对负载施加压力。为了提高系统的控制精度，采用力值闭环实时控制，本文设计了一种压力数字控制器，使得试验机在加载过程中加载速率和力值精度的控制得以改善，具有较高的动态性能和自动调整性。通过仿真和实验，结果表明基于数字控制器的电液比例加载控制系统较好地解决了液压加载的速率和力值控制精度问题。1控制系统构成基于数字控制器的电液比例加载控制

3、系统构成如图1所示，主要由控制系统和液压加载系统组成。其中控制系统包括单片机系统、比例放大器、压力传感器，它主要实现对加载系统加载过程的控制。液压加载系统包括液压源、电液比例阀、液压缸，主要执行控制系统的命令，完成对试件的加载。电液比例加载控制系统的原理图如图1所示。图1系统原理图2控制系统设计2.1数字控制器的设计根据试验机对试验加载的技术要求，设计了恒定加载速度自动调整的数字控制器。它具有压力跟踪随动功能，根据压力传感器的反馈信号，不断调整控制器的输出，保证加载的力值精度以及加载升压速度恒定，符合国家规定的试验标准。试验加载中，通过数字控制器对其校正，使得系统平稳逼近到目标压力，并以无超调

4、作为优化指标。在电液比例控制的液压加载试验机中，由于在输入信号变化时刻到信号相应时刻的时间较长，可以近似的看成是一个滞后环节，用1个一阶惯性环节加纯滞后环节来近似。根据大林算法，采用数字控制器所构成的闭环压力系统的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联。依此设计的数字控制器系统原理如图2所示。图2数字控制器调节原理图已知由比例放大器和被控对象所构成的传递函数Gc(s)为：式中，τ=NT为纯滞后时间，T为采样周期，N为采样时间的整数倍；T1为时间常数。一般情况下，数字控制器的D／A为零阶保持器，其传递函数Gh(s)为：则系统广义控制对象C(s)为：用脉冲传递函数近似法求得与G(s)对应的

5、被控对象脉冲传递函数G()为：根据大林算法的设计方法，整个系统的闭环传递函数Ǿ(s)为：式中T为闭环传递函数的时间常数。则闭环脉冲传递函数Ǿ(Z)为：故数字控制器的脉冲传递函数D(Z)为：式(7)即为根据大林算法得到的数字控制器的数学模型，经过简化后为：r、T可以采用扩充响应曲线的方法测得，则系数A、B、C、D比可以分别求出。其控制算法U(k)用差分方程表示为：U(k)=(1一C)U(k一1)+(1一C)U(k—N一1)+Ae(k)／C—B×e(k一1)／C。2．2数字控制器软件实现根据不同的设计要求可以进行不同的加载速度设定。数字控制器的具体实现由单片机系统通过软件实现。将采集压力值与给定的

6、压力值比较，得出偏差值e，调节器产生控制作用，使控制量朝着使偏差变小的方向变化。控制系统软件流程图如图3所示。图3软件流程图3实验研究3．1系统仿真实验将所设计的基于数字控制器的电液加载系统用MATLAB进行系统仿真，采用开环恒速升压加载和闭环恒速升压加载2种方式，按照试验机加载要求给系统一斜坡信号，其响应曲线如图4所示。4结束语结果表明，基于数字控制器的电液比例加载系统能够较好地满足试验机的加载要求，加在过程平稳且无超调产生并且能够使得力值控制精度在允许范围内。5参考文献：[1]孙善钦，项祖丰．300kN恒加荷压力试验机控制系统的研究[J]．电脑与信息技术，2005(4)：16—18．[2]

7、李胜，朱发明，等．分级比例控制及其在材料试验机中的应用[J]．机床与液压，20o3(2)：l4—16．[3]黎启柏．电液比例控制与数字控制系统IN]．北京：机械工业出版社，1997．[4]余金寿．过程控制系统和应用[M]．北京：机械工业出版社，2003．[5]余海生．微型计算机控制技术[M]．北京：清华大学出版社，1999．[6]张葛详．MATLAB仿真技术与应用[M]．北京：清华大学出版社，20