提升装置中电液比例伺服系统的仿真与研究

李荣丽

（陕西国防工业职业技术学院，西安 710300）

在液压传动及控制技术的发展过程中，出现了电液伺服控制和电液比例控制两种重要技术。电液伺服控制主要应用于航空和一些高精度要求的自动控制设备。与电液伺服控制相比，电液比例控制具有抗污能力强和节能廉价的优势，且能够直接接收计算机的输入信号自动控制液压参数[1-3]。

1 提升装置中电液比例控制系统

提升装置对执行元件的速度控制要求较高。为了满足工况要求，一般要控制系统中的执行元件，使提升过程平稳快速。

某提升装置控制系统的技术要求如下：

（1）速度控制频域动态指标中，相位裕度γ=45°~70°，增益裕度K≥7 dB，频宽≥8 Hz；

（2）速度控制时域动态指标中，上升时间tr≤0.2 s，超调量δ≤10%，超调量ts≤0.2 s。

电液比例伺服阀能按输入电信号的极性和幅值大小，控制液压系统的液流方向和流量大小，从而控制执行器的运动方向和速度。电液比例伺服阀通过调节阀口开度大小，对流量进行节流控制，相对于泵控马达系统刚度较好，响应速度较快[4]。提升装置中液压比例速度控制系统的液压原理，如图1所示。

图1 提升装置中液压比例速度控制系统液压原理图

2 液压伺服系统建模

液压系统的静特性指系统由瞬态过程进入稳态过程后的输出状态。求解时要先建立静态模型（代数方程），然后用数学方法求出结果。液压系统的动特性指控制系统在接到输入信号以后从初始状态到最终状态的响应过程（瞬态过程）或系统工作过程中各参变量随时间的变化规律[5-7]。

建立电液比例速度控制系统的模型后，分别建立组成元件、比例放大器、比例电磁铁、传感器和主滑阀等的数学模型，以得到整体系统的数学模型。

3 系统的PID控制

比例-积分-微分（Proportion-Integral-Differential，PID） 控制器是一种线性控制器。它根据给定值x(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)：

将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，从而控制被控对象。

PID控制器的控制规律如下：

在PID控制中，调整PID的参数需要大量实验的经验，耗时较长，需通过仿真或实验反复论证才可以达到理想的结果[8]。例如，Matlab中的NCD模块，可以根据产品的时域特性要求，利用自身算法求解系统PID的控制参数，缩短了参数调节过程的时间，提高了参数可靠性。建立NCD求解模型如图2所示。

图2 NCD求解模型

将NCD内的参数设置为系统要求的时域参数，计算得到时域曲线如图3所示，并得到PID参数P=0.123 4、D=0.023 9、I=34.613 6。利用Matlab/Simulink（2010版本）进行仿真，再系统加入PID后的时域响应，如图4所示。由图4可知，校正后的时域特性已满足系统设计要求，最大峰值为1.05，小于10%的要求，且参数在0.2 s内达到了稳定值。

图3 NCD求解出的最优曲线

图4 校正后的时域响应

利用Matlab/Simulink（2010版本）进行仿真，校正后的伯德图如图5所示。可以看出，系统的相位裕量为91.6°，在相角穿越ωg=91.6 Hz处，幅值裕量为8.53 dB。与PID校正前相比，系统的幅值裕量和相位裕量有了很大提高，改善了系统的稳定性。虽然系统的相位裕量与标准还有差距，但是已经大于设计要求。因此，穿越频率变大时，系统速度提高的同时会降低稳定性。

图5 校正后的伯德图

4 结论

（1）通过对提升机构中电液比例伺服系统的建模与仿真，发现系统性能在理论上达到了设计要求；

（2）利用PID控制原理，使系统在频域和时域上都达到了设计要求；

（3）利用Matlab中的NCD模块反向求解PID参数，得到了更具有理论依据的PID参数，且方法简单，避免了以往优化设计中复杂的计算和编程，方便在实际工程中使用；

（4）系统学习了液压伺服机构的建模分析方法，学习如何利用Matlab软件进行理论仿真设计，了解了线性系统的分析方法，明确了系统动态特性中的稳定性、快速性及精确性在对应系统（开式、闭式）中的讨论方法，可为后续研究奠定基础。