劉麗貞 趙治月 王立新

（①滄州師范學(xué)院機械與電氣工程系，河北 滄州 061001；②燕山大學(xué)機械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

隨著智能制造業(yè)的迅速發(fā)展，電液比例同步控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、高端裝備和精密機床等先進制造技術(shù)[1-2]。液壓缸位置同步效果直接影響產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，而系統(tǒng)受元件安裝、摩擦阻尼、管件密封等內(nèi)外因素的影響，同步控制效果往往不理想。因此，研究如何提高液壓缸位置同步控制精度具有重要意義[3-4]。

在液壓系統(tǒng)機械裝置一定的條件下，影響液壓缸位置同步控制精度的主要因素是控制系統(tǒng)、控制算法和同步控制策略的選擇。就控制系統(tǒng)而言，歐美發(fā)達國家大多采用數(shù)控系統(tǒng)，如840D 數(shù)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)多軸同步控制，控制效果較好，但技術(shù)難度較大，成本較高；國內(nèi)主要采用工控機或者PLC作為控制器，控制相對簡單，但是實時性相對較差。控制算法多采用PID 控制算法，控制算法容易實現(xiàn)，但是同步控制精度不夠高，抗內(nèi)外擾動能力不夠強。就控制策略而言，“同等”和“主從”是兩種常用的同步控制方式，但是對提高系統(tǒng)動、靜態(tài)品質(zhì)都有一定局限性。文獻[5]采用840D 數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)龍門軸兩軸同步控制；文獻[6]在對牧草壓捆機電液比例位置控制試驗研究中采用“PLC+模糊PID”的控制方式，與PID 控制算法比較有更高的跟蹤精度；文獻[7]在波紋管疲勞試驗臺上采用“工控機+數(shù)字PID”的控制方式完成單側(cè)液壓缸電液比例位置控制試驗，提高了控制精度；文獻[8]對六自由度足踝步態(tài)模擬器水平驅(qū)動液壓系統(tǒng)位置試驗研究中，采用“工控機+自適應(yīng)魯棒”的控制方式，與魯棒控制及PID 控制相比，控制效果更好；文獻[9]提出一種解耦補償控制方法，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，提高了液壓缸同步精度；文獻[10]設(shè)計了軋機兩側(cè)位置系統(tǒng)魯棒動態(tài)輸出反饋同步控制器與自抗擾同步控制器，減小了同步誤差提高了帶材版形質(zhì)量；文獻[11]提出主從PID 控制策略，改善了多缸同步控制精度。眾多學(xué)者對液壓缸位置同步控制問題進行了研究，并取得了顯著成果。但液壓缸電液比例位置同步控制系統(tǒng)是強耦合非線性時變系統(tǒng)，很多算法依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，且算法相對復(fù)雜，很難應(yīng)用到工業(yè)控制中；傳統(tǒng)的PID 控制算法簡單，但是基于線性模型，且抗干擾能力較差，不能滿足系統(tǒng)的高性能要求。自抗擾控制器（ADRC）是一種非線性控制器，具有較強的抗干擾能力和魯棒性，算法容易實現(xiàn)，在現(xiàn)代工程領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

基于此，本文將工控機與PLC 相結(jié)合，搭建液壓缸電液比例位置同步控制平臺進行試驗研究，采用自抗擾控制算法和“同等+主從”的同步控制策略，基于OPC 客戶端實現(xiàn)工控機與PLC 的數(shù)據(jù)通訊，試驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的“PLC 控制方式+PID 控制算法”相比，“工控機+PLC”同步控制效果更好，抗干擾能力和魯棒性更強。

1 液壓位置同步控制系統(tǒng)試驗平臺

液壓缸電液比例控制平臺主要包括液壓及閥控裝置、測量元件和電氣控制系統(tǒng)。

1.1 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要通過兩個液壓泵為系統(tǒng)提供動能，閥控裝置采用比例換向閥并配有專用比例放大器，液壓執(zhí)行機構(gòu)為兩個水平液壓缸，測量反饋元件主要包括位移傳感器和力傳感器。水平液壓缸位置同步控制平臺及其液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖分別如圖1 和圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 基于“工控機+PLC”的控制系統(tǒng)

液壓平臺的控制系統(tǒng)主要是采用工控機與PLC相結(jié)合的控制方式。其中工控機作為上位機，通過數(shù)據(jù)采集卡PCI1710 實現(xiàn)左右位移信號的檢測，通過數(shù)據(jù)采集卡PCI1723 實現(xiàn)對比例方向閥和比例溢流閥的控制；西門子S7-300PLC 作為下位機，主要用于檢測左右力傳感器、5 路壓力傳感器，以及實現(xiàn)系統(tǒng)開關(guān)量的檢測與控制。工控機與PLC 通過西門子OPC 服務(wù)器與OPC 客戶端實現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)通信。 液壓平臺控制系統(tǒng)組成如圖3 所示。

2 基于OPC 的系統(tǒng)程序設(shè)計

液壓缸電液比例位置控制系統(tǒng)程序設(shè)計主要包括下位機S7-300PLC 程序設(shè)計以及上位機工控機程序設(shè)計。

2.1 S7-300PLC 程序設(shè)計

S7-300PLC 在STEP7 軟件中采用模塊化編程，主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始狀態(tài)檢測、電動機啟?？刂?、系統(tǒng)保護、系統(tǒng)復(fù)位、力信號、壓力信號、位移信號等模擬信號的檢測，以及雙缸位置同步控制試驗等功能[12]。PLC 程序結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 PLC 程序結(jié)構(gòu)

2.2 工控機程序設(shè)計

工控機程序設(shè)計主要包括OPC 客戶端設(shè)計、上位機界面設(shè)計以及自抗擾控制算法設(shè)計，都采用VC++編程語言實現(xiàn)。

2.2.1 OPC 客戶端設(shè)計

OPC 的全稱為Object Linking and Embedding（OLE）for Process Control。OPC 是連接數(shù)據(jù)源（OPC服務(wù)器）和數(shù)據(jù)的使用者（OPC 應(yīng)用程序）之間的軟件接口標準，包括一整套接口、屬性和方法的標準集，是Windows 的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用的橋梁，廣泛應(yīng)用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)[13-14]。

OPC 客戶端設(shè)計主要實現(xiàn)PLC 與工控機數(shù)據(jù)交換，設(shè)計過程為

（1） 創(chuàng)建工程，添加數(shù)據(jù)變量及接口變量。

（2）添加操作函數(shù)。

（3） 添加OPC 頭文件及引用文件。

（4）初始化COM 庫。

（5）查詢注冊表相關(guān)CLSID 以及IID_IOPC Servery 接口。

（6）添加OPC 數(shù)據(jù)項。

（7）編寫OPC 讀寫函數(shù)。

（8） OPC 連接斷開，釋放接口指針。

將Simatic NET 設(shè)置為OPC 服務(wù)器，PLC 與工控機通過OPC 服務(wù)器和OPC 客戶端實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，如圖5 所示。

圖5 工控機與PLC 數(shù)據(jù)流

2.2.2 上位機界面設(shè)計

上位機采用VS2010 進行MFC 應(yīng)用程序設(shè)計，主要實現(xiàn)OPC 客戶端相應(yīng)功能，完成數(shù)據(jù)檢測，進行自抗擾算法及PID 算法控制。其中，OPC 客戶端主要實現(xiàn)力信號、壓力信號檢測，電動機啟?？刂啤⒁簤焊卓刂?，以及系統(tǒng)報警顯示等功能；數(shù)據(jù)監(jiān)控部分主要實現(xiàn)位移信號檢測及圖形化顯示，以及比例閥控制信號輸出功能；控制算法部分主要采用自抗擾算法及PID 算法實現(xiàn)左右液壓缸位置控制。上位機結(jié)構(gòu)及上位機監(jiān)控界面分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 VC 上位機結(jié)構(gòu)圖

圖7 上位機監(jiān)控界面

2.2.3 自抗擾控制算法實現(xiàn)

自抗擾控制器是非線性控制器，包括跟蹤微分器、擴張狀態(tài)觀測器，以及誤差非線性反饋控制律[15]。計算機控制系統(tǒng)處理的數(shù)字信號，需要對自抗擾控制算法進行離散化處理，采用微分方程數(shù)值解法。本文設(shè)計二階自抗擾控制器，結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。

圖8 二階自抗擾結(jié)構(gòu)圖

（1） 跟蹤微分器

最速反饋系統(tǒng)為

跟蹤微分器離散化方程為

（2） 擴張狀態(tài)觀測器

假定外界擾動未知，則非線性觀測器為

擴張狀態(tài)觀測器離散化方程為

（3） 非線性反饋控制律

非線性反饋控制律算法為

非線性反饋控制律離散化方程為

2.2.4 “同等+主從”的同步控制策略

本文提出的“同等+主從”的控制策略，原理如圖9 所示?！巴取奔磳⒔o定信號同時加到兩側(cè)液壓缸，“主從”是以右側(cè)液壓缸為主，兩側(cè)液壓缸位移的差值作為輸入信號作用到左側(cè)液壓缸，使其跟隨右側(cè)液壓缸位移快速變化，以確保在位置同步控制過程中，系統(tǒng)能獲得較好的動靜態(tài)品質(zhì)。

圖9 “同等+主從”控制策略原理圖

3 液壓缸位置控制試驗研究

在液壓缸電液比例位置控制平臺上進行試驗研究，為驗證基于“工控機+PLC”的控制方式及自抗擾算法的有效性，設(shè)計了基于PLC 的雙缸位置同步PID 控制試驗、基于“工控機+PLC” 的雙缸位置同步PID 控制試驗，以及基于“工控機+PLC”的雙缸位置同步自抗擾控制試驗。試驗時在兩側(cè)水平液壓缸之間加入固定位置的彈簧，使雙缸向前推進時承受變化的負載力，模擬外界干擾，使試驗結(jié)果更加準確。

3.1 基于PLC 的雙缸位置同步PID 控制試驗

基于PLC 的雙缸位置同步PID 控制試驗，主控制器為S7-300PLC，通過集成功能函數(shù)FB41 實現(xiàn)兩側(cè)液壓缸位置同步PID 控制，采用“同等+主從”的同步控制策略。給定位移信號分別為斜率2 mm/s、4 mm/s 的斜坡信號。同一給定信號加到左右液壓缸，右側(cè)液壓缸為主動缸，左側(cè)液壓缸為從動缸，響應(yīng)曲線和跟蹤誤差曲線分別如圖10 和圖11 所示。

圖10 基于PLC 的位置同步PID 控制響應(yīng)曲線

圖11 基于PLC 的位置同步PID 控制跟蹤誤差曲線

由圖10 和圖11 可以看出，基于PLC 的雙缸位置同步PID 控制方式，給定斜坡輸入信號，位移輸出存在一定的滯后，右缸延時時間為4 s，左缸延時時間為5 s，響應(yīng)速度較慢，左右兩側(cè)缸對斜坡位移輸入信號的初始跟蹤誤差較大。給定斜率為2 mm/s 時，右缸位置誤差在4 s 處達到峰值5 mm，左缸位置誤差在5 s 處達到峰值7.5 mm；給定斜率為4 mm/s 時，右缸位置誤差在4 s 處達到峰值10 mm，左缸位置誤差在5 s 處達到峰值14 mm，隨著系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)，跟蹤誤差逐漸減小，跟蹤速度提升，但是總體跟蹤性能不高，調(diào)整時間長，給定斜率為4 mm/s 時，在23 s時趨于穩(wěn)定，最大超調(diào)量為3.3%，動態(tài)同步控制效果不夠理想，且斜率越高現(xiàn)象越明顯。

3.2 基于“工控機+PLC” 的雙缸位置同步控制試驗

基于“工控機+PLC”的雙缸位置同步控制試驗，采用“同等+主從”的控制策略，分別采用PID 控制器、自抗擾控制器進行試驗研究。試驗得到的實際位移數(shù)據(jù)通過MFC 程序保存，并在Matlab中繪制曲線。給定位移同樣為斜率2 mm/s 和4 mm/s的斜坡信號，同一給定信號加到左右液壓缸，右側(cè)液壓缸為主動缸，左側(cè)液壓缸為從動缸，PID 控制響應(yīng)曲線如圖12 所示，自抗擾控制響應(yīng)曲線如圖13所示，兩種控制方式同步誤差比較如圖14 所示。

圖12 基于“工控機+PLC”的位置同步PID 控制響應(yīng)曲線

圖13 基于“工控機+PLC”的位置同步自抗擾控制響應(yīng)曲線

圖14 基于“工控機+PLC”的自抗擾和PID 同步誤差比較

由圖12 和圖13 可以看出，基于“工控機+PLC”的控制方式，兩種控制算法的結(jié)果整體上都要優(yōu)于單一的PLC 控制，延時時間為0.5 s，響應(yīng)速度更快，最大超調(diào)量更小，調(diào)節(jié)時間更短，給定斜率為4 mm/s時，PID 控制最大超調(diào)量為2.5%，在21 s 時趨于穩(wěn)定，自抗擾控制無超調(diào)，在15 s 處達到穩(wěn)態(tài)，左右兩側(cè)缸動靜態(tài)同步精度更高。就同一種控制算法而言，給定斜坡位移信號斜率越小，在跟隨性、同步控制精度等方面效果越好。由圖14 可以看出，采用“工控機+PLC”的控制方式，兩種控制算法同步誤差都比較小。給定斜率為2 mm/s 時，初始同步誤差控制在1.5 mm 以內(nèi)，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到PID 控制的平均絕對同步誤差為0.397 mm，自抗擾控制的平均絕對同步誤差為0.226 mm；給定斜率為4 mm/s 時，初始同步誤差控制在2 mm 以內(nèi)，PID 控制的平均絕對同步誤差為0.435 mm，自抗擾控制的平均絕對同步誤差為0.384 mm。隨著系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)，同步誤差在很小的范圍內(nèi)上下波動，整體上自抗擾控制算法的兩缸同步誤差波動幅度更小，更快趨于平穩(wěn)，平均絕對同步誤差更小，同步控制效果優(yōu)于PID控制。

3.3 試驗結(jié)果對比分析

3.3.1 “工控機+PLC”與PLC 的控制方式比較

將試驗結(jié)果圖10 和圖12 進行比較可以看出，在都采用PID 控制算法的前提下，給定相同斜率的輸入信號時，與單一的PLC 控制方式相比，采用基于“工控機+PLC”的位置同步PID 控制方式，顯著提高了響應(yīng)速度和跟隨性能，減小了超調(diào)量和動靜態(tài)同步誤差，整體提高了系統(tǒng)的控制性能。因為“工控機+PLC”的控制方式兼顧了計算機的實時性強和PLC 的穩(wěn)定性高的優(yōu)勢，在電液比例位置控制這種對穩(wěn)定性和實時性要求都很高的應(yīng)用場合，“工控機+PLC”控制方式比單一的PLC 控制方式的控制精度更高，動靜態(tài)品質(zhì)更好。

3.3.2 自抗擾控制算法與PID 控制算法比較

綜合對比圖12～圖14 可以看出，在都采用“工控機+PLC”控制方式的前提下，給定相同斜率的輸入信號時，與PID 控制算法相比，采用自抗擾算法的試驗結(jié)果有著更快的響應(yīng)速度和更高的跟隨精度，改善了動態(tài)調(diào)節(jié)過程，動態(tài)同步誤差波動范圍更小，雙缸位置同步控制效果更好，提高了系統(tǒng)抗干擾能力和魯棒性。分析原因在于，電液比例位置同步控制系統(tǒng)是典型的非線性系統(tǒng)，而自抗擾控制算法是一種非線性控制器，不依賴系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，在解決系統(tǒng)非線性、時滯性、抗擾性等方面比傳統(tǒng)的PID 控制器更有優(yōu)勢。

4 結(jié)語

本文根據(jù)開發(fā)的液壓缸電液比例位置控制平臺，設(shè)計了“工控機+PLC”的電氣控制系統(tǒng)，編寫了自抗擾控制算法，基于OPC 實現(xiàn)了上位機與PLC的數(shù)據(jù)通信，完成了液壓缸位置控制試驗研究，試驗結(jié)果表明，與PLC 控制方式和PID 控制器相比，采用“工控機+PLC” 控制方式和自抗擾算法，系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能更好，縮短了延時時間和調(diào)節(jié)時間，減小了最大超調(diào)量，控制精度更高，位置同步控制效果明顯提升，為基于OPC 的電液比例位置自抗擾控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供了試驗依據(jù)。