吳學(xué)杰，吳赟松

（1.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引 言

以伺服閥為能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的電液伺服系統(tǒng)是綜合高技術(shù)系統(tǒng)設(shè)備，其核心是數(shù)字式伺服控制系統(tǒng)[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，不同應(yīng)用場(chǎng)合有著不同的需求，因此要求控制系統(tǒng)具有多種控制功能（含一些特殊功能）[2]。本文著重介紹的多功能多通道協(xié)調(diào)液壓伺服控制系統(tǒng)正是為滿足這些要求來(lái)設(shè)計(jì)的。該伺服控制器可應(yīng)用于鐵路、汽車、工程結(jié)構(gòu)、構(gòu)件試驗(yàn)等變頻、變幅激振與振動(dòng)試驗(yàn)以及交流伺服控制等各個(gè)領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)概述

多功能多通道協(xié)調(diào)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)采用2級(jí)控制結(jié)構(gòu)，即人機(jī)操作界面的管理級(jí)（PC機(jī)）和實(shí)時(shí)控制級(jí)（伺服控制器等模塊），該系統(tǒng)可同時(shí)控制1～24套液壓作動(dòng)器。在試驗(yàn)過(guò)程中，操作者可隨時(shí)干預(yù)試驗(yàn)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以保證試驗(yàn)的快速性和精確性。該控制器具有力、位移和應(yīng)變信號(hào)調(diào)節(jié)器、PID調(diào)節(jié)器及各種保護(hù)電路外，還具有對(duì)液壓系統(tǒng)的控制功能。其系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中虛框Ⅰ內(nèi)是管理計(jì)算機(jī)（含人機(jī)操作界面軟件和管理軟件），虛框Ⅱ中為液壓伺服實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)（包括CPU、A/D、D/A、開(kāi)關(guān)量輸入輸出、反饋信號(hào)調(diào)理模塊、輸出功率放大驅(qū)動(dòng)模塊等），虛框Ⅲ為被控對(duì)象。

圖1 多功能協(xié)調(diào)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)框圖

管理計(jì)算機(jī)安裝有一套管理和監(jiān)控軟件，該軟件用Delphi語(yǔ)言編寫(xiě)，主要完成系統(tǒng)及試驗(yàn)參數(shù)的定義、管理、監(jiān)控和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示、保存等工作，提供易于操作的人機(jī)界面而不參與實(shí)時(shí)控制。

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)主要包括反饋調(diào)節(jié)器模塊（位移、力、應(yīng)變等）、伺服控制器模塊、通信模塊和伺服閥驅(qū)動(dòng)模塊等。其中反饋調(diào)節(jié)是對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，協(xié)助計(jì)算機(jī)完成調(diào)零和增益調(diào)節(jié)，加載過(guò)程中的極限檢測(cè)與報(bào)警，提供傳感器的激勵(lì)信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換等，1～10000倍可調(diào)增益，可進(jìn)行寬范圍的傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)和非線性補(bǔ)償。伺服控制器用于產(chǎn)生直流、正弦波、方波、三角波、鋸齒波、梯形波、隨機(jī)波等信號(hào)，并可按一定斜率均勻加載和卸載。伺服控制器為閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要部分，包括16位A/D的檢測(cè)精度、16位D/A的輸出控制精度（控制伺服閥）、閥驅(qū)動(dòng)模塊完成伺服控制器指令信號(hào)的電壓-電流轉(zhuǎn)換（自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電流的負(fù)反饋，形成閥電流的小閉環(huán)控制，啟動(dòng)各種電液伺服閥）。330Hz的激勵(lì)頻率用于顫振信號(hào)，最大150mA的驅(qū)動(dòng)電流。PIDF（比例、積分、微分和前饋）控制參數(shù)調(diào)節(jié)[3]。

該控制系統(tǒng)由PC104系統(tǒng)構(gòu)成，可同時(shí)完成1～24通道的電液伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制。管理計(jì)算機(jī)與PC104伺服控制系統(tǒng)之間通過(guò)通信接口交換數(shù)據(jù)。管理計(jì)算機(jī)主要完成相關(guān)控制通道相關(guān)控制量和反饋信號(hào)的動(dòng)態(tài)監(jiān)視、PID參數(shù)、傳感器標(biāo)定等任務(wù)。試驗(yàn)人員可根據(jù)試驗(yàn)和控制的不同要求，對(duì)控制模式進(jìn)行選擇（切換不同的傳感器反饋信號(hào)），以形成相應(yīng)的閉環(huán)控制類型，PC104控制系統(tǒng)的底層為獨(dú)立的閉環(huán)控制回路，該回路是以力、位移、應(yīng)變傳感器為反饋量構(gòu)成的三參量閉環(huán)控制系統(tǒng)，獨(dú)立完成相應(yīng)通道的控制。通過(guò)監(jiān)控軟件，可完成下列各種控制功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種的控制任務(wù)。

2 伺服控制回路

數(shù)字式伺服控制系統(tǒng)是該控制器的核心，所采用的基本控制回路是數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器，為了滿足一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，在此基礎(chǔ)增加了一些特殊控制方法，以滿足不同被控對(duì)象的控制要求和改善控制性能。

2.1 數(shù)字式PID調(diào)節(jié)回路

數(shù)字式PID控制回路是本系統(tǒng)所采用的基本控制方式，如圖2所示，其控制命令信號(hào)由動(dòng)態(tài)信號(hào)和靜態(tài)信號(hào)疊加構(gòu)成[4]。用戶可以通過(guò)監(jiān)控軟件選擇動(dòng)態(tài)信號(hào)的種類：外部輸入的模擬量信號(hào)、控制器內(nèi)部函數(shù)發(fā)生器的數(shù)字命令信號(hào)或用戶定義的數(shù)據(jù)文件信號(hào)?？刂泼钚盘?hào)經(jīng)限值和濾渡后進(jìn)入PID控制回路，反饋信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理、采集系統(tǒng)送入PID控制器（軟件算法）。并通過(guò)輸出模塊控制伺服閥，從而構(gòu)成PID（數(shù)字式）閉環(huán)控制系統(tǒng)。作動(dòng)器活塞爬行現(xiàn)象是伺服系統(tǒng)的固有特性，為了克服這一特性，本系統(tǒng)在控制器輸出部分疊加了正弦振顫信號(hào)，該信號(hào)頻率為300～400 Hz，其幅值的大小可由操作者通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定。這樣，就可以克服活塞出現(xiàn)的爬行現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用表明其效果十分明顯。

圖2 基本PID控制系統(tǒng)原理框圖

本數(shù)字式PID控制器提供了2種有效、方便、快捷和實(shí)用的PID參數(shù)調(diào)整方法，即PID手動(dòng)調(diào)整和PID自動(dòng)調(diào)整，用以滿足多變且復(fù)雜的不同控制對(duì)象的各種特性要求，使得該控制器可以隨控制對(duì)象的不同和試驗(yàn)要求的不同調(diào)整不同的最佳參數(shù)[5]。

（1）PID手動(dòng)調(diào)整。調(diào)整時(shí)，可選擇的動(dòng)態(tài)波形為方波（正弦波也可以），其頻率不高，為確保系統(tǒng)安全，其幅值一般為試驗(yàn)信號(hào)的0～20%，且給定一較小的PID參數(shù)值。利用監(jiān)控軟件的數(shù)字示波器功能，對(duì)動(dòng)態(tài)中的命令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整，直至反饋信號(hào)達(dá)到比較理想狀態(tài)為止。該P(yáng)ID參數(shù)可進(jìn)行保存，以備下次調(diào)用。

（2）PID自動(dòng)調(diào)整。與手動(dòng)調(diào)整一樣，選擇的動(dòng)態(tài)波形為方波信號(hào)（也可稱為脈沖信號(hào)，頻率較低，幅值較?。?，經(jīng)放大后控制伺服閥，給伺服系統(tǒng)一個(gè)階躍擾動(dòng)，同時(shí)對(duì)被控對(duì)象的命令信號(hào)和響應(yīng)（反饋）信號(hào)進(jìn)行同步采集，通過(guò)對(duì)命令信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得到被控對(duì)象的特性參數(shù)，并優(yōu)化出最佳的PID控制系數(shù)。若調(diào)整過(guò)程失敗，則表明被控對(duì)象特性很差，優(yōu)化算法不收斂，系統(tǒng)會(huì)將失敗信息顯示在監(jiān)控軟件上，之后操作者可使用手動(dòng)調(diào)整方法尋找合適的PID參數(shù)。

2.2 串級(jí)控制

對(duì)有些控制對(duì)象而言，單一的控制回路無(wú)法達(dá)到理想的控制性能，需要采用特殊的控制回路來(lái)改善控制質(zhì)量，而串級(jí)控制就是常用的一種。該控制方法是將兩個(gè)獨(dú)立的單一控制回路（調(diào)節(jié)器）串聯(lián)在一起，以完成某些特殊的控制要求。串級(jí)控制中的內(nèi)、外控制回路均采用基本的數(shù)字式PID控制回路。在本控制系統(tǒng)中的內(nèi)、外控制回路就是前面介紹過(guò)的的相互獨(dú)立的三參量控制回路（力、位移、應(yīng)變），通過(guò)監(jiān)控軟件（安裝在操作管理計(jì)算機(jī)中），可根據(jù)實(shí)際的需要將相對(duì)獨(dú)立的三種控制回路中的任兩種組合在一起，構(gòu)成某種串級(jí)控制來(lái)滿足用戶的需求。系統(tǒng)調(diào)整的先后次序?yàn)椋合葘?duì)內(nèi)環(huán)控制回路進(jìn)行調(diào)整，即將內(nèi)環(huán)控制回路作為一獨(dú)立系統(tǒng)考慮，進(jìn)行控制參數(shù)的調(diào)整。當(dāng)內(nèi)環(huán)調(diào)整完成后，再將內(nèi)環(huán)連同外環(huán)作為一個(gè)大系統(tǒng)，進(jìn)行外環(huán)控制器控制參數(shù)的調(diào)整，這樣可使得內(nèi)環(huán)控制回路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比外環(huán)控制回路快，從而保證較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性能[6]。

2.3 幅值控制

基本PID控制器可以滿足大部分試驗(yàn)需求，但當(dāng)被試驗(yàn)系統(tǒng)比較特殊，其特性較軟，而控制方式又要求是力控制時(shí)，其反饋信號(hào)和命令信號(hào)在幅值和相位上有較大差異，無(wú)法進(jìn)行有效跟蹤。但反饋信號(hào)能準(zhǔn)確地跟蹤命令信號(hào)（如疲勞試驗(yàn)的等幅試驗(yàn)）又是這種應(yīng)用場(chǎng)合的基本要求，為此設(shè)計(jì)的幅值控制功能可以很好解決這一問(wèn)題。幅值控制的控制思想是以基本數(shù)字式PID控制回路為基礎(chǔ)，增加一個(gè)控制回路來(lái)進(jìn)行均值和幅值的控制。需要指出的是，該功能只是針對(duì)規(guī)則波形（如正弦波、鋸齒波、三角波、方波和矩形波等）。增加了幅值控制的伺服控制系統(tǒng)如圖3所示，其中幅值和均值通過(guò)對(duì)相關(guān)反饋量的計(jì)算得到，一旦反饋的幅值或均值偏離了命令信號(hào)的幅值和均值，系統(tǒng)誤差可進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，從而改善控制效果，滿足系統(tǒng)對(duì)命令信號(hào)幅值和均值的控制要求[7]。

2.4 特殊控制方式

液壓伺服控制系統(tǒng)的正?？刂品绞綖?/p>

式中：ZL0——靜態(tài)命令值；

ZL（t）——隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)命令值；

ZL——實(shí)際命令值（命令值根據(jù)控制方式的要求可以是位移、載荷和應(yīng)變）。

但在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合（主要是軍工和航空部門(mén)），其試驗(yàn)對(duì)象要求進(jìn)行載荷控制，部分控制方式為載荷命令，與被試驗(yàn)對(duì)象的位移有關(guān)，其載荷控制指令為

圖3 幅值控制原理圖

其中：F0——初始載荷；

s——被試驗(yàn)對(duì)象的位移（試驗(yàn)對(duì)象自帶動(dòng)力，可按照某種規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)）；

g（s）——隨位移變化的動(dòng)態(tài)載荷函數(shù)。

有些試驗(yàn)項(xiàng)目還要求在正常控制方式和特殊控制方式之間來(lái)回轉(zhuǎn)換，進(jìn)行性能和疲勞試驗(yàn)。

2.5 安裝方式

對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)而言，試件、夾具的安裝拆卸是經(jīng)常性的而且很困難，本系統(tǒng)提供的如圖4所示的安裝方式正是為解決這一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。

圖4 安裝方式

安裝控制方式的核心是一串級(jí)控制系統(tǒng)[8]，其內(nèi)環(huán)為一載荷控制環(huán)，外環(huán)為一位置控制環(huán)。調(diào)節(jié)控制旋鈕以調(diào)節(jié)位置命令模擬信號(hào)，通過(guò)斜率限制環(huán)節(jié)來(lái)限制該模擬信號(hào)的變化率，從而控制作動(dòng)器活塞的運(yùn)行速度[9]。內(nèi)環(huán)控制部分的作用是確保試件、夾具所受的接觸力不超過(guò)設(shè)定的安全范圍，一旦接觸力達(dá)到限制值，活塞便不再運(yùn)動(dòng)。安裝過(guò)程中，作動(dòng)器活塞位置反饋信號(hào)、載荷反饋信號(hào)均在監(jiān)控軟件的示波器上動(dòng)態(tài)顯示，這樣，就使得試件的裝卸十分安全而且方便。

3 結(jié)束語(yǔ)

多功能多通道協(xié)調(diào)伺服控制系統(tǒng)的控制功能強(qiáng)大，其監(jiān)控系統(tǒng)軟件具有參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)進(jìn)程控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警等功能，同時(shí)控制系統(tǒng)提供了一些方便、實(shí)用和有效的特殊控制模式，從而使得該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性和實(shí)用性。該控制系統(tǒng)可滿足大部分液壓伺服系統(tǒng)的控制要求，對(duì)一些高頻系統(tǒng)而言，除了要提高伺服閥的頻響外，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率也需要提高。

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