摘要：本文設計一種基于虛擬儀器的電液伺服控制系統,采用了電液比例方向閥，設計了電液位置伺服控制系統，該系統以PID控制器和MATLAB實現系統的實時智能控制功能，實現了電液伺服系統的自動化，采用NI公司的USB-6008數據采集卡完成數據采集、數據輸出控制等多項功能。針對電液比例位置控制系統的特點，建立數學模型。對于系統的不穩定性，采用PID控制算法對其進行校正，提高了系統的精度及響應速度。該系統具有控制精度高、穩定性能好、使用方便等優點。

關鍵詞：PID控制器,MATLAB,電液伺服，PID算法

1前言

目前，在工業、國防等自動化領域，液壓伺服系統以其重量輕、體積小、力矩大等優點得到廣泛應用。但由于漏油、油液污染等因素影響，液壓伺服系統中普遍存在參數時變、非線性，尤其是閥控動力機構流量非線性等現象。隨著計算機技術的發展，液壓傳動技術發展成為包括傳動、檢查、控制在內的完整的自動化技術。由于電液伺服系統具有比較大的不確定性和干擾，給電液伺服系統提出了很高的要求。

電液位置伺服系統是最基本和最常用的一種液壓伺服系統，如機床工作臺的位置、板帶軋機的板厚、帶材跑偏控制、飛機和船舶的舵機控制、雷達和火炮控制系統以及振動試驗臺等。在其它物理量的控制系統中，如速度控制和力控制等系統中，也常有位置控制小回路作為大回路中的一個環節

電液位置伺服系統主要是用于解決位置跟隨的控制問題，其根本任務就是通過執行機構實現被控量對給定量的及時和準確跟蹤，并要具有足夠的控制精度。電液伺服系統的動態特性是衡量一套電液伺服系統設計及調試水平的重要指標。它由電信號處理裝置和若干液壓元件組成，元件的動態性能相互影響，相互制約及系統本身所包含的非線性，致使其動態性能復雜。因此，電液伺服控制系統的設計及仿真受到越來越多的重視。

2液壓伺服系統

液壓伺服系統以其響應速度快、負載剛度大、控制功率大等獨特的優點在工業控制中得到了廣泛的應用。

電液伺服系統通過使用電液伺服閥，將小功率的電信號轉換為大功率的液壓動力，從而實現了一些重型機械設備的伺服控制。液壓伺服系統是使系統的輸出量，如位移、速度或力等，能自動地、快速而準確地跟隨輸入量的變化而變化，與此同時，輸出功率被大幅度地放大。

液壓位置伺服系統主要由放大器、伺服比例閥、伺服油缸已經位置傳感器等組成。如圖1所示。

圖1液壓位置伺服系統結構圖

3電液位置伺服系統建模

本系統的電液比例方向閥為BFW-03-3C2-95-50，通徑為10mm，最高工作壓力31.5MPa，最大流量50l/min。液壓缸活塞的行程為20mm，根據國家標準GB2349-80活塞桿活塞系列，知內徑D為63mm，有效工作面積3.0×10-3m2。位移傳感器選擇為WDL200的直滑式導電塑料電位器，其性能參數為：0—5V輸出，測量范圍O--200mm；分辨率0.Olmm；線性度0.2％。

3.1閥控伺服缸建模

（1）比例閥線性化流量方程

式中Kq——比例閥流量增益；Kc——比例閥流量－壓力系數；pL——負載壓力；xv——比例閥閥芯位移。

（2）伺服油缸流量連續性方程

Ap——液壓缸活塞的有效面積；xp——活塞的位移；Ctp--總泄漏系數；Vt——液壓缸進油腔的容積；βe——系統的有效體積彈性模量。

（3）液壓缸和負載力平衡方程

Mt——活塞以及與活塞相聯的負載折算到活塞上的總質量；Bp——活塞和負載的粘性阻尼系數；KL——負載的彈簧剛度；FL——作用在活塞上的外負載力。

綜上所述，閥控缸的數學模型為：

對上式的數學模型進行簡化，不考慮干擾油缸負載傳遞函數為

3.2伺服比例閥建模

3.3傳感器傳遞函數（視為比例環節）

3.4比例放大器增益

綜上，不考慮負載干擾情況下系統方塊圖為:

圖2位置系統方框圖

系統的開環傳遞函數：

4MATLAB仿真

常規PID控制器的調節性能取決于參數Kp，Ki，Kd的整定情況，參數整定的好，則控制效果就好，否則相反。參數的整定通常有兩種可用的方法：理論設計法和實驗確定法。通過大量的實驗，選擇PID參數分別為：Kp=1.1，Ki=0.2，Kd=0.01。Simulink模糊PID伺服系統仿真模型如圖3所示，在Simulink下的仿真圖如圖4所示：

圖3Simulink模糊PID伺服系統仿真模型

仿真結果顯示，設定參數相同的情況下，加入PID控制器實時修正PID參數，可以更好的控制被控對象。PID參數一旦固定，在時變情況下的適用性受到很大制約，通過在線自調整參數，使控制性能一直保持在最優狀態下，有更好的控制精度和魯棒性。

5結論

建模過程與仿真結果表明，對系統建立正確的數學模型并進行分析仿真，分析系統的動態特性，可以有效地預見系統的輸出，達到對系統工作狀態的了解，提高了設計和分析系統的效率，為進一步控制系統，提高響應速度和控制精度奠定了一定的基礎。利用MATLAB/Simulink仿真提供的系統的可靠性驗證，準確的模擬了實際系統的工作狀態，此系統將在電液伺服控制領域得到廣泛應用。