一种基于OPCServer的液压伺服精确定位系统的设计

　　1　前言

　　随着液压伺服技术和计算机技术的快速发展,液压伺服定位系统的适用范围已越来越广,但是很多应用系统中需要采集一些关键环节的数据,比如位移、压力和流量等。这类定位系统与计算机数据采集技术联系的非常紧密,当前主流的数据采集开发语言是VC和VB等,但是这两种语言的编写都很繁琐,开发周期较长,并且它们的数值分析处理功能不强大。鉴于此种条件,MATLAB完全可以克服这些缺点,原因是MATLAB具有强大的数值分析、计算及绘图功能,同时,MATLAB还提供了控制系统和OPC Server工具箱,这可以实现第三方硬件(PLC或MCU等)与MAT-LAB的连接。由于PLC的计算能力不强,也很难实现较为复杂的控制策略的需求,但其实时通讯模块功能较为强大,开发人员也无需编写低层驱动程序便可实现与MATLAB的连接,这为实现MATLAB与PLC的优势互补,有效提高控制算法的运行速度提供了很好的解决方案。

　　2　定位系统的数学模型

　　2. 1　系统参数

　　液压缸最大作用力FM: 1900 kN;液压缸最大速度Vmax:4 mm/s;系统频宽fb: 16~20 Hz;载弹性系数Kt:4. 98×10⁸N/m;液压缸作用面积At: 7. 126×10^-4m^2;位移传感器放大系数KfR: 90 V/m;系统误差Emax:30μm;负测量压力系数Kce: 9×10^-10m⁵/(N* s);伺服阀流量增益Kq: 18. 15×10^-4m₃/(s*A);

　　2. 2　系统模型

　　伺服控制阀加上电子控制技术组成的伺服定位系统,可以完全满足控制要求。其系统组成主要包含以下部分:阀控制器、放大器、执行机构和位移传感器。其系统结构框图如图1所示。

　　根据伺服系统的设计准则,可建立图2所示数学模型:

　　由于ωk相对于ωh其值很小,因此可忽略不计,则惯性环节近似为积分环节;因ωh相对于ωv其值很小,因此在分析系统的频率特性是,可以把伺服阀看成是一个比例环节,对分析系统的稳定性不会产生影响,经过计算化简,该系统的开环传递函数为:

　　2. 3　系统性能分析

　　由MATLAB的bode函数可画出图3所示的系统开环bode图。

　　由图可知,ωc≈99 rad/s,ωb≈126 rad/s,fb≈19. 89Hz,动态性能符合要求。

　　3　定位系统的设计原理

　　3. 1　伺服阀控制器的控制原理

　　伺服阀控制器原理如图4所示。输入信号有两个,一个是由控制过程决定的设定值,另一个是由位移传感器输入的实际位移值。目标值以程序或模拟量的方式输入控制器中,由控制器向伺服阀发出控制信号,实现对伺服液压缸的运动控制。伺服液压缸的位移由位置传感器检测,并反馈到控制器。为获得较高的控制精度,控制器根据位移输入值计算驱动活塞杆的速度和加速度,这样可以避免系统的复杂化和减少测量速度和加速度的传感器个数。