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2 0 1 0年 3月 第 3 8卷 第 6期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS M 2 01 0 Vo l _ 3 8 No ． 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 1 4 基于 P C C的三通道同步液压伺服系统的研究 刘玉绒 ，方松伟 ，郭颖，郝仁 广州机械科学研 究院液压研究所，广东广州 5 1 0 7 0 0 摘要针对 B R公司的可编程计算机控制器 P C C分时多任务的特点，采用闭环控制、相位和幅值 自动补偿的方 法 ，根据系统反馈模拟量的变化使 P I D的参数进行在线调整，以克服系统在正弦跟踪时产生的不同步、超调以及响应慢等 缺陷。仿真和实践结果表明，采用 P C C系统控制对称缸电液伺服系统具有良好的同步性能。 关键词电液伺服系统；可编程计算机控制器；闭环控制 中图分类号T P 2 7；T H1 3 7 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 60 4 1 3 The Re s e a r c h o f Tr i p l e Cha n ne l S y n c hr o n i z a t i o n Hy d r a ul i c S e r v o S y s t e m Ba s e d o n Pr o g r a mm a bl e Co mpu t e r Co nt r o l l e r UU Yu r o n g， FANG S o n g we i ， GUO Yi n g， HAO Re n H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ，G u a n g z h o u M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 7 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r B ＆ R c o r p o r a t i o n ’ S p r o g r a mma b l e c o mp u t e r c o n t r o l l e r h a v e p a r t i c u l a r a b o u t t i me s h a r i n g mu h i t a s k ， t h e wa y s o f c l o s e d l o o p c o n t r o l ，a u t o ma t i c c o m p e n s a t i o n o f p h a s e a n d a mp l i t u d e v a l u e w a s a d o p t e d t o o n - l i n e a d j u s t P I D C o n t r o l l e r s p ara m e t e rs a c c o r d i n g t o t h e c h a n g e o f a n alo g q u an t i t y o f s y s t e m f e e d b a c k ． As a r e s u l t ，o u t e r s y n c，o v e r s h o t a n d l o w r e s p o n s e a n d o t h e r s n e g a t i v e f a c t o r s a r e o v e r c o me w h e n s y s t e m i s s i n e t r a c k i n g ． B o t h s i mu l a t i o n a n d p r a c t i c e r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t c o n t r o l l i n g s y mme t r i c h y d r a u l i c c y l i n d e r e l e c t r o h y d r a u l i c s e r o s y s t e m wi t h P C C po s s e s sv o r ab l e s y n c h r o n i s m． Ke y wo r d s E l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m ； P r o g r a mmab l e c o mp u t e r c o n t r o l l e r ；Cl o s e d l o o p c o n t r o l 2 0世纪 9 0年代 ，可编程控制器技术 随着计算 机技术、网络通信技术 、自动控制技术的飞速发展而 不再是传统意义上的可编程控制器 ，由于其数学处理 能力、网络通信能力 、智能控制能力等得到发展，因 此，1 9 9 4年开始被称为可编程计算机控制器 P r o g r a mm a b l e C o m p u t e r C o n t r o l l e r ，简称 P C C 。 P C C概念由奥地利贝加莱公司于 1 9 9 4年首次提 出，P C C采用现在最先进的可编程控制器技术 ，采取 分时多任务的系统设计，可以处理复杂的、大容量的 计算任务，同时又表现出很好的灵活性。与常规 P L C 相比，贝加莱 P C C最大的特点是具有分时多任务操 作系统和多样化的应用软件设计。它采用分时多任务 机制构筑应用软件的运行平台，应用程序的运行周期 与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。 由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区 别开来，满足了真正实时控制的要求。这种控制周期 可以在 C P U运 算能 力允许 的前 提下 ，按 照用 户 的实 际要求任意调整。 P C C采取高级语言编程技术。它不仅涵盖了所有 I E C 6 1 1 3 1 - 3编程语言 梯形图，结构文本，指令表 ⋯ ，还支持 目前较 为流行 的 C语 言和 B a s i c语 言， 以实现更加广泛的控制要求 。 文 中研究对象是 利用 P C C系统 的分时 多任 务特 点控制 3 个液压缸，使三缸同步，同步正弦跟踪要求 小于等于 1 O 。 ，同步定位精度小于等于0 ． 1 m m。 1 电液伺服系统数学模型l 2 文中所讨论的对象是阀控对称缸电液伺服系统， 液压缸参数 缸径 5 6 m m，活塞杆径 2 8 m m 。系统压 力为 1 4 M P a 时输出力 3 0 0 0 0 N 。 1 阀控缸传递函数方程 经分析，得到如下传递函数方程 一 1 ． 9 3 31 0- 9 50 ．6 711 0一 s 9 ． 1 2 1 0 一 s 3 ． 0 9 4 2 1 0 一 s 1 2 伺服阀建模 系统所使用的伺服阀为美国 M O O G公司的 G 7 6 1 3 0 0 4电液伺服阀，其额定参数为 空载额定电流 ， 4 0 m A 空载额定流量Q 。 3 8 L ／ m i n 额定压力 P 3 1 ． 5 M P a 由以上参数可以求得伺服阀静态流量方法系数 收稿 日期 2 0 0 9 0 31 8 作者简介刘玉绒 ，女 ，工程师。主要研究方向为机电液一体化设计与制造、电液比例／ 伺服控制。电话 E ma i l g o o d l y r 1 6 3 ． c o m。 4 2 机床与液压 第3 8卷 为 K ； 1 ． 5 8 31 0 I n ／ s ／ A 当伺服阀的频宽与液压固有频率相近时， 服阀可近似地看成二阶振荡环节。 l K s s v S 厶 s v ， 0 9 s v 式中 为伺服阀的固有频率； 为伺服 阀的阻尼 比。 查产品说明书得伺服阀传递函数 G 。 s _ 1 ． 5 8 3 x 1 0 - 3 6 4 0 ． 8 8 2 3 位移反馈变送 器 位移反馈变送器的放大倍数初 步确定为 根据幅值补偿中计算的中点，进行相位计算。通 过判断两个同频信号过中点的时刻，计算其时间差， 电液伺 然后将其转换为相应相位差。在 P C C系统中运用软 件实现过中点检测时，信号被采样离散化， 则演 化为数组元素序号之差 ，若假定信号 1的过中点对应 数组的第 i 个元素 ，信号 2的过中点对应其数组第 个元素，则有 j - 专 3 6 0 。 1 实际系统 中为 1 3 0 m m ／ V 。 2 液压同步系统控制算法 解决三缸同步控制问题的主要因素是幅值和相位 的自动补偿。利用 P C C进行幅值、相位计算和补偿 分析。其控制算法简述如下 1 幅值补偿 整周期内计算幅值最大值 A ⋯与最小值 A ⋯； 其中中点为 A 。 A A ⋯／ 2 ； 所以幅值为 A A 一 A - d ； 利用 P I D算法对给定幅值与实际幅值的差进行补 偿 控制 。 2 相位j } 正 其中t 为采样间隔； 为信号周期。 最大值最小值计算中点和过中点检测计算相位法 的误差与数据采集卡的位数 、信号的采样频率、幅值 及信号的干扰因素有关。故整套系统需要做好信号滤 波处理 。由于采 用的是 P C C系统 ，其抗 于扰 能力 比 普通的模拟输出卡好很多，所以，系统不需要加入滤 波程序，即可以满足本要求。这也是 P C C系统的优 点之一 。 3仿真分析 利用 M A T L A B中的S I M U L I N K工具箱 对整个系 统进行模型分析。存在负载干扰情况下单通道控制框 图如图 1 。 图2 三通道正弦跟踪仿真框图 不同负载 第6期 刘玉绒 等基于P C C的三通道同步液压伺服系统的研究 4 3 输入信号 3 5 H z ， 给三组不同的负载干 扰力进行三通 道仿真 分析 ，其仿真框 图如 图2 ，正弦跟踪仿真结 果如 图 3 。 对不 同 的 负 载 干 扰 2 2 k N，6 k N与 1 N正弦跟踪 同步相 图 3 三通道正弦跟踪仿 真结果 不同负载 位差在 1 ～ 5 。 之 间，对原始信号跟踪 的相位滞后在 3 0 。 左右 。因为 只需要 3个 缸之 间运动 的 同步 ，原始 信号的跟踪滞后问题暂不考虑。 4 控制系统分析及测试 控制 系统采用主从计 算机结构。下位计算 机 P C C 采用可编程计算机控制器结合 P I 板完成 3个 液压缸的闭环控制功能并对 3个液压缸的实际输出波 形进行连续采样，分别计算出各液压缸实际输出波形 的相位。上位计算机 工控机显示控制界面并设 定各种参数。各液压缸在相位上的同步，是通过调整 输入波形的相位来实现的。以其中 1 个液压缸的波形 为参考，调整另外 2个液压缸波形的相位来实现 3个 液压缸在相位上的一致。经过修正的3个液压缸的输 入轨迹通过可编程计算机 P C C 来执行。 由工控机、伺服放大器、位移传感器等组成的系 统上位机电控柜是控制系统的实体部分，包括输入、 输出和处理三部分 。 1 输入部分。液压缸的活塞杆的伸出量对应 一 个位移传感器的电信号；此信号经过位移变送器得 到了放大；再进入可编程计算机控制器 P C C ；经 过 P C C内部模块转换变成计算机可识别的数字信号。 2 输出部分。工控机发出控制信号 ；经过 P C C 内部模块转换变成模拟的电信号；通过伺服放大器， 加大信号的功率后驱动伺服阀，控制液压缸的流量。 i ， ． _ ⋯ j ‘ ’ - ⋯； 0 ≯- 图4 示波器显示 P C C控制系统单通道输出情况 3 处理 部 分 。利 用 P C C系统 软件 B R A u t o m a t i o n S t u d i o 对系统进行单通道分析，结果如图 4 、5 所示 。 墨 羹 一 ㈣ 髓
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