伺服控制技术在校直机上的设计和实现

液压伺服控制技术在校直机上的设计和实现

张泳 张立新 王伟 范晓望 卢宪雨

（1.长春试验机研究所有限公司，吉林 长春 130012 ； 2. 吉林减灾中心，吉林 长春 130021）

摘要： 液压伺服控制技术是校直机的一项关键技术。本文详细探讨了校直机的基本结构、双闭环增量式PID算法的实现和液压伺服控制技术在校直机上的应用。 关键词：液压伺服控制技术；PID；校直机

中图分类号：TU311.2 文献标识号：B The

Design and Application of Hydraulic Servo Control

Technology In the Straight Machine

ZhangYong Zhang Lixin WangWei Fan Xiaowang Lu Xianyu

(1.Chang Chun Research Institute for Testing Machines Co.,Ltd,Jilin Changchun 130012; 2.Jilin Province Disaster Reduction Center,Jilin Changchun 130021)

Abstract：Hydraulic Servo Control Technology is a vital technology of straight machine. The article elaborated in detail straight machine basic structure，realization of double Loop increment PID arithmetic, and application of Hydraulic Servo Control Technology in straight machine .

Keywords：Hydraulic Servo Control Technology；PID；straight machine

1、引言 校直机是集机械、气动、自动控制和嵌入式系统等多项技术为一体的自动化检测加工设备。主要由主机、测量和定位装置、伺服加载机构、电控系统及嵌入式控制系统等部分组成。国际上，有意大利、德国、日本和美国等几个国家生产全自动精密液压校直机。如德国MAE公司、意大利GALDABINI公司、美国的Eitel公司以及日本国际计测器公司等。国外生产的校直机都有很高的技术水准，在控制方面都采用了伺服控制技术，使高速往复运动的压头保持的非常高的定位精度，提高了效率。

随着校直机产品的发展，国内研发的校直机产品已经形成序列化、批量化生产。但是从产品整体技术水平上与国际先进水平还有很大差距，尤其是在校直伺服控制技术上与国外产品还有很大差距。为了提高国内校直机产品的市场竞争力，目前迫切需要提高校直机的工作效率，同时还要在液压伺服控制等方面作进一步提升，以满足市场需要。

原有国产校直机压头移动是采用开环控制原理：即通过控制换向阀，使压头上下移动，优点是控制简单，缺点是定位精度很差，过冲或不到位严重，特别是在校直工件时，不受控的过冲可能压断比较脆的工件，造成严重后果。

长春试验机研究所有限公司在30吨液压校直机上首次大胆采用液压伺服控制技术，实现了在高速移动过程中对压头位移的高精度控制，彻底解决了压头定位不准的问题，同时提高了压头移动速度，提高了校直效率。

2、系统构成和液压伺服控制技术设计原理 2.1 技术概念和组成结构

伺服控制技术是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制技术。运用该技术构成的系统——进给伺服系统是一个典型的机电一体化系统，主要由以下几个部分组成（如图1所示）：位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(比例阀)、检测与反馈单元和机械执行部件。

2.2 系统构成2

校直机系统的机械部分采用比例伺服阀进行油路流量控制（如图2所示）。

电气部分采用拉线式光电编码器作为位移反馈，采用PCI总线的伺服控制卡进行D/A控制和光电编码器的四倍频和计数采集， IO卡和PLC控制器一起组成了对校直机气缸和IO点的采集和控制，A/D卡负责对校直机差动变压器的采集。

软件分三个部分，用户试验程序用于校直机界面部分控制，参数和控制软件用于设置参数，底层控制程序用于采用增量式PID伺服控制技术对位移进行伺服控制。

用户试验 参数设置和

程序 控制调试程序

主 软件 底层控制程序(.动态连接库) 机 器差动变卡压控制卡卡伺服控制IO 图1 系统结构

AD 比例阀 油 箱 PLC控制器 机械部分

图2 液压机构原理图

2.3 伺服工作原理 1) 闭环伺服系统

闭环伺服系统结构如图3所示

系统接受来自控制指令，并以该位移量和由检测与反馈单元测得的执行部件的实际位置值，作为位置控制单元的输入，经过比较器比较，即得位置跟随误差： 速度控制单元以位置控制单元输出的速度指令电压和由检测与反馈单元测得的实际速度值为输入，经过比较器比较，即得速度跟随误差：

以跟随误差为位置控制调节器的输入，按给定的调节规律(P、PI、PID 或其他方法)计算出速度指令值，经数模转换(D／A)后变成速度指令电压，该电压即为速度控制单元的一个输入量。

以速度跟随误差为速度调节器的输入，按给定的调节规律进行调节可得出伺服电机控制电压，该电压根据伺服电机的不同将变换成不同形式的电量，并经过放大后输出以控制比例阀的运行。

位置控制单元 速度控制单元 系统命令 位置控制PID 速度控制PID及驱动 比例阀及主机 df/dt 位移反馈

图3 伺服控制系统的原理图

2）增量式双环PID算法

PID控制算法的公式如下： ①主控回路的偏差：

e1(kT)=r1(kT)-y1(kT) T是采样周期 k是正整数

r1(kT)是给定控制量 y1(kT)是主控回路反馈量

②计算主控回路的偏差Δu1(kT)

Δu1(kT)=Kop[Δe1(kT)]+Koi e1(kT)+Kod[Δe1(kT)- Δe1(kT-T)]

式中：Δe1(kT)=e1(kT)-e1(kT-T)

Kop是主控调节器的比例系数 Koi是主控调节器的积分系数 Kod是主控调节器的微分系数 ③主控调节器的位置输出u1(kT)

u1(kT)=u1(kT-T)+ Δu1(kT) e2(kT)=u1(kT)-y2(kT) 式中:

u1(kT)是主控回路控制量 y2(kT)是副控回路反馈量 ④ 副控回路的偏差：

⑤计算副控回路的偏差Δu1(kT)

Δu2(kT)=Kip[Δe2(kT)]+Kii e2(kT)+Kid[Δe2(kT)- Δe2(kT-T)]

式中：Δe2(kT)=e2(kT)-e2(kT-T)

Kip是副控调节器的比例系数 Kii是副控调节器的积分系数 Kid是副控调节器的微分系数 ⑥副控调节器的位置输出u2(kT)

u2(kT)=u2(kT-T)+ Δu2(kT)

2.4、 伺服控制电路硬件实现

伺服控制卡采用PCI总线技术，可以实现即插即用功能（如图4所示）。伺服控制电路主要由拉线式光电编码器提供A、B两相相差90°数字信号，通过伺服控制卡CPLD电路内部滤波、鉴相、四倍频电路，然后进入计数器电路，最后被伺服控制软件采集。伺服控制软件把位移信号作为反馈量，进行伺服控制的计算，然后通过DA变换转换成模拟量，输送给伺服控制比例阀。

I/O 接口 光电隔离 光电编码器鉴相四倍频 位移测速 电路 PCI 计 算 机 总 线 A/D I/O电路 位移计数 电路 中断发生器 D/A 看门狗 电路 译码电路 图4 伺服控制卡结构图

2.5 实际控制效果比较

我们使用这套系统控制比例阀，得到真实控制效果曲线。（如图5所示）

图5 实际控制效果曲线

以500mm/min的速度由位置0到位置100，实际误差100.01mm精度非常高，而如果采用传统的开关阀技术，误差将在100±0.5mm左右，这样，当我们进一步提高压头的移动速度时，传统的开关阀将带来更大的误差，以致无法使用，而采用伺服控制技术，将可以在压头速度提高的同时，定位精度将保持同样的精度，这是传统技术无法比拟的巨大优势。

结束语

采用这套伺服控制系统后，位移控制精度有了很大提高，控制非常准确，特别是定位控制精度，达到了光码的最低分辨率0.01mm，完全满足了校直的精度要求。可以说，将伺服控制技术引入液压校直机，缩短了在校直效率和校直精度上和发达国家同类产品的技术水平的差距。

参考文献：

【1】 崔甫编著 ，矫直原理与矫直机械 冶金工业出版社， 2007 【2】 秦继荣 沈安俊 编著，现代直流伺服控制技术及其系统设计，机械工业出版社，1999

作者简介：张泳（1971），男，工程硕士，高级工程师，计算机技术专业，研究方向为自动控制，测试测量技术与仪器

图5 实际控制效果曲线

以500mm/min的速度由位置0到位置100，实际误差100.01mm精度非常高，而如果采用传统的开关阀技术，误差将在100±0.5mm左右，这样，当我们进一步提高压头的移动速度时，传统的开关阀将带来更大的误差，以致无法使用，而采用伺服控制技术，将可以在压头速度提高的同时，定位精度将保持同样的精度，这是传统技术无法比拟的巨大优势。

结束语

采用这套伺服控制系统后，位移控制精度有了很大提高，控制非常准确，特别是定位控制精度，达到了光码的最低分辨率0.01mm，完全满足了校直的精度要求。可以说，将伺服控制技术引入液压校直机，缩短了在校直效率和校直精度上和发达国家同类产品的技术水平的差距。

参考文献：

【1】 崔甫编著 ，矫直原理与矫直机械 冶金工业出版社， 2007 【2】 秦继荣 沈安俊 编著，现代直流伺服控制技术及其系统设计，机械工业出版社，1999

作者简介：张泳（1971），男，工程硕士，高级工程师，计算机技术专业，研究方向为自动控制，测试测量技术与仪器

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q5qr.html