电液伺服控制系统在水压试验机中的应用研究

李鹏+刘崇锐

摘 要：水压试验机是用于单向密封类零件自动水压测试的自动化检验设备，其中电液伺服控制系统是实现其功能的关键环节。对电液伺服控制系统工作原理、分类及控制方法进行了简单的介绍，然后以水压试验机为例介绍了电液伺服控制系统的设计。

关键词：电液伺服控制;控制方法;水压试验机;PID控制

中图分类号：TP393                        文献标识码：A           文章编号：2095-1302（2015）01-00-03

0  引  言

电液伺服控制是在液压传动和自动控制理论基础上建立起来的一种自动控制系统。随着自动控制技术的发展以及计算机控制的结合，使得电液伺服控制系统可以完成更加复杂的功能控制与高性能的动力控制。在一般工业的应用上，由于它具有反应快、功率重量比小、精度高、抗干扰能力强等特点，也受到了特别的重视。本文结合水压试验机研制对电液伺服控制系统进行了应用的研究。

1  电液伺服控制系统

1.1  电液伺服控制原理

电液伺服控制原理与一般伺服控制一样，其工作原理都是按输入信号与反馈信号的差值进行工作的，即按照偏差的控制原理。这种具有反馈的控制，我们称为伺服控制，可以实现被控制量按控制信号给定规律变化的控制目的。电液伺服控制系统以液体作为动力传输和控制介质，利用电信号进行控制输入和反馈。只要输入某一规律的输入信号，执行元件就能启动、快速并准确地复现输入量的变化规律。控制系统结构图如图1所示。

图1  电液伺服控制系统结构图

系统通过传感器（位移/力）形成一个闭环控制系统，控制器输出信号与传感器（位移/力）的反馈信号通过比较做差之后得到实际控制信号，即误差信号，将此信号输入到伺服阀，来控制伺服阀的开口和流量，从而控制了液压缸的位移或力，然后通过传感器（位移/力）反馈到输入端，形成了整个的闭环控制回路。

1.2  电液伺服控制系统分类

电液伺服控制系统分类方法很多，可以从不同的角度分为不同的系统：

（1）控制对象不同

电液伺服控制系统分类按照控制对象的不同主要分为三类：位置伺服控制系统、力伺服控制系统和速度伺服系统，其中工程常见的主要是位置伺服控制系统和力伺服控制系统。

位置伺服控制系统是指控制系统的位移（液压缸的位移），研究主要集中于位置精度研究和多缸同步精度研究。

力伺服控制系统是指控制系统的力（液压缸输出力），按加载的能动性常分为主动加载系统和被动加载系统（又称为随动加载系统），研究主要集中于加载力的精度研究。

（2）输入信号形式不同

电液伺服控制系统分类按照输入信号形式的不同主要分为两类：模拟伺服系统和数字伺服系统。

模拟伺服系统重复精度高，但分辨能力较低（绝对精度低）。另外模拟伺服系统中微小信号容易受到噪声和零漂的影响，因此当输入信号接近或小于输入端的噪声和零漂时，就不能进行有效的控制了。

数字伺服系统分为数字伺服系统和数字-模拟伺服系统两种。在全数字伺服系统中，动力元件必须能够接收数字信号，可采用数字阀或电液步进马达。数字模拟混合式伺服系统中，数控装置发出的指令脉冲与反馈脉冲相比较后产生数字偏差，经数模转化器把信号变为模拟偏差电压，后面的动力部分不变，仍是模拟元件。系统输出通过数字检测器（即模数转换器）变为反馈脉冲信号。

（3）控制方式不同

电液伺服控制系统分类按照控制方式的不同主要分为两类：泵控缸系统和阀控缸系统，其中工业中阀控缸系统应用较为广泛。

1.3  电液伺服控制方法

电液伺服控制系统的控制方法主要分为两类：经典控制方法和现代控制方法。

经典控制方法是采用基于工作点附近的增量线性化模型来对系统进行分析与综合，设计过程主要在频域中进行，控制器的形式有延后、超前网络和PID控制等。目前电液伺服控制系统的经典控制理论已经基本成熟，对于一些频宽要求不太高、参数变化和外界干扰不大的伺服系统，采用经典控制方法已经可以满足工程需要。

现代控制方法主要来源于现代控制科学的发展，如鲁棒控制、滑模控制、神经网络控制、迭代学习控制和遗传算法等，主要用于不确定的非线性系统。这类系统扰动大、工作范围宽、参数变量多、难以精确建模，经典控制方法已经无法满足系统的要求。但是现代控制方法的理论还不成熟，对控制器要求较高，实际应用中很难达到预期效果，还需要继续完善理论。

2  水压试验机

水压试验机是用于单向密封类零件自动水压测试的自动化检验设备，该设备通过计算机控制完成自动化测试全过程，测试试验工具的性能是否合格。主要工作过程有自动化进料——升料——送入试压腔——试压——加持——退料过程，具体工作流程是将试件送进主机，浮动钳抱紧试件定位、移动端顶住试件、在密封试压结束后再将其送出主机。

水压试验机液压系统采用的是阀控缸系统，由液压泵站、伺服阀、电磁阀、油路集成块和油缸组成，主要采用多个油缸和增压缸来自动完成水压试验机的相关动作。

2.1  水压试验机控制系统

水压试验机控制系统采用的是分布式控制系统，由上位机和下位机组成。其中上位机以LabVIEW为设计平台，用于显示和记录相关的位移、压力等数据，并给下位机发送相关指令;下位机选择PLC为平台，对液压执行系统进行控制，通过采集传感器数据和其他开关量，完成水压试验机既定的动作，其中试验机的进料、升料、加持、退料等流程采用采用位置伺服控制，加压过程采用力伺服控制。

水压试验控制系统组成如图2所示，下位机PLC控制原理如图3所示。

2.2  水压试验机控制方法

PID控制器（比例-积分-微分控制器）是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。本伺服系统频宽要求不高，外界干扰一般，采用经典PID控制可以满足工程需要。

图2  水压试验控制系统组成图

PID控制器的数学表达式如下式所示：

其中：Kp为控制器的比例系数;Ti 为控制器的积分时间，也称积分系数;Td 为控制器的微分时间，也称微分系数。

PID控制器各环节的作用如下：

（1）比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差，但是不能消除偏差，为有差调节;比例系数越大，控制作用越强，反应速度越快，偏差越小，但系数过大会引起系统震荡。

（2）积分环节：会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡;但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当积分系数较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。

（3）微分环节：阻止偏差的变化，根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度;但微分的作用对输入信号的噪声很敏感。

3  测试和使用效果

经过系统调试对设备进行工件各种试验压力实际测试，设备可利用计算机控制完成上料、打压、保压、卸料，并记录试验数据自动完成设计要求的自动测试。水压试验机在工件有泄漏情况试验过程中，压力到达设定值10 MPa时自动保压，自动补压状态下压力达到设定下限9 MPa时自动补压均可全自动完成，如图4～图6所示。

4  结  语

电液伺服控制系统在水压试验机中的配套应用，提高了设备的自动化程度，大大提高了工作效率，降低了劳动强度，取得了较好的效果，降低了检验成本，效益显著。本文对电液伺服系统的原理组成、分类及控制方法进行了简单介绍，并将其应用在水压试验机中，对电液伺服系统的工程实现具有一定的借鉴意义。

图4  合格工件试验压力曲线

图5  渗漏工件不自动补压试验压力曲线

图6  渗漏工件自动补压试验压力曲线

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