基于PID与前馈相结合的泵控马达恒速输出系统研究??    增城登高车租赁,  增城登高车出租,  登高车出租    泵控马达调速系统具有:(1)输入功率与输出功率匹配度高;(2)高效节能;(3)传动平稳的优点。所以用变量泵作动力源时，在变量泵输入转速不断变化的情况下，可以实现对马达的无级调速。 对输入转速处于时变情况下的泵控马达系统进行了系统建模和仿真分析，但是缺少了对实际工况中外来负载变化带来影响的研究。 采用Simulink仿真方式对泵控马达的容积调速系统进行研究，对系统的性能做了全面分析，但是系统的响应性并不高，不能满足实际情况需求。 编制LabVIEW测控程序对泵控马达系统的转速补偿做了仿真分析，得到了不同工况下转速补偿方法。 对变量泵控马达系统进行了仿真与试验验证，但是系统的瞬时偏差较高。

    1电机转速控制系统的设计:  液压系统组成及工作原理搭建的液压系统主要由变量柱塞泵、定量马达、补油泵、比例电磁阀、低压滤油器、补油溢流阀及其他液压辅件组成，属于泵控马达的恒流量液压控制系统。图1液压系统工作原理在主回油路中，利用变频器控制电动机模拟发动机的转速波动情况，利用三相交流负载箱模拟外加负载的变化情况。变量泵将机械能转换为变化的液压能，输出的流量与发动机的转速成正比。在发动机转速波动，或者负载功率变化时，通过改变电压大小控制泵的比例电磁阀，从而改变柱塞泵斜盘的角度，即改变泵的输出排量，进而调节马达转速，实现发电机输入转速的稳定。由于考虑到系统要求结构紧凑，为保证系统的高效率，所以主液压系统采用闭式液压回路。考虑到系统存在的泄漏问题，而且要为系统提供冷却的油液，维持系统的回路压力，所以在变量泵的进口串联了补油泵。

 

    1.2液压系统数学模型,   泵控马达系统作为一个整体，对其传递函数的建立应该基于泵的流量输出方程，系统高压油路流量连续性方程以及马达外接负载和扭矩的平衡方程，从而建立系统的传递函数。泵的流量方程:Qp=Dpωp－Cip(ph－pl)－Cepph(1)系统高压腔的流量连续方程:Qp=Cim(ph－pl)+Cemph+Dmdθmdt+V0βedppdt(2)马达和负载转矩之间的平衡方程:Dm(ph－pl)=Jtd2θmdt2+Bmdθmdt+Gθm+TL(3)联立上述式(1)、(2)、(3)3个方程，并对其进行拉氏变化，得到泵－马达的传递函数:θm=DpnpDm－CtD2m1+V0βeCtsTLV0JtβeD2ms3+CtJtD2m+BmV0βeD2ms2+1+CtBmD2m+GV0βeD2ms+GCtD2m(4)根据实际情况，忽略一些次要因素进行化简为:θ(s)=DpnpDm－CtD2m1+V0βeCtsTLss2ω2c+2ξcωcs+1(5)式中:ωc为液压固有频率，ωc=βeD2mV0Jt;ξc为阻尼比，ξc=Ct2DmβeJtV0+Bm2DmV0βeJt。由于θ·(s)=sθ(s)，所以，以变量泵的变化排量作为输入的系统传递函数为:θ·(s)Dp(s)=npDms2ω2c+2ξcωcs+1(6)以负载力矩为输入的传递函数为:θ·(s)TL(s)=－CtD2m1+V0βeCtss2ω2c+2ξcωcs+1(7)公式(1)—(7)中参数的说明。

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     控制系统设计,  系统控制组成,  转速控制系统以ALIENTEK战舰STM32单片机为核心，通过设置其产生可调的PWM波，通过改变输入电压对比例电磁阀进行控制，从而实现对变量泵流量的控制。通过测量电动机转速波动以及发电机转速波动这两个外部变量作为系统的控制变量，单片机通过传感器采集电机实际转速信号，根据该信号在其内部采用增量式PID算法对PWM的值进行修正，从而达到精确的转速控制。为防止外界干扰信号进入控制系统，单片机和光栅之间采用了滤波电路，可提高了系统的可靠性。通过LED屏显示模块和上位机模块实现了人机对话，方便用户操作。

    控制原理和控制方法,   (1)控制方法研究前馈控制［6］的原理，前馈控制又叫扰动补偿，它又不同于一般的反馈调节，是根据引起被调变量变化的扰动大小来进行整定的。在该调节系统中，需要直接测量外接扰动的变化，当扰动出现而且能测时，调节器就会发出相应的控制信号使调节量做出相应的变化，使两者抵消于被调节量发生偏离之前。因此，前馈控制对扰动的克服比反馈调节快。对于电机转速控制系统，当需要输出转速稳定在一个恒定的转速时，输入转速的变化可以看作是一种干扰并且主要影响输出转速的调节。由于在行车过程中发动机转速波动幅度比较大，导致变量泵输入轴的转速波动也比较大，从而直接影响变量泵的输出流量。因此为了保证调速系统能够恒速输出且有较快的反应能力，首先应该对泵的输入转速扰动情况进行补偿。由于系统自身油液泄漏和油液可压缩性对变量泵的流量变化影响较小，在补偿的时候忽略这两个扰动因素的影响。

      由于定量马达的排量调节存在滞后效应，所以在系统中加入了前馈调节，利用前馈的超前调节，可以很快地改善系统的响应速度。(2)PID算法分析与优化PID控制，是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。比例环节可以成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用。积分环节主要用于消除系统输出的静态误差和增加系统的响应速度与超调量。积分作用的强弱取决于积分时间常数，常数值越大，积分作用越强。微分环节的作用是反映偏差信号的变化趋势，偏差变化越快，则调节量就越大。传统的PID控制模型为:u(t)=Kp［e(t)+1Tl∫t0e(t)dt+Tdde(t)dt］+u0(8)式中:Kp是比例系数;Tl是积分常数;Td是积分常数;u0是控制常量。对PID控制模型进行离散化表达:uk=Kp［ek+TTl∑kj=1ej+TdT(ek－ek－1)］+u0(9)式中:uk是第k次采样时刻值;ek是第k次采样时刻的偏差量;T是采样的周期。变量泵流量的控制实质是靠比例电磁阀动作控制活塞的位移。采用增量式PID控制可以实现对驱动比例电磁阀的电压信号控制。PID增量控制形式如下:根据式(9)可以得到k－1时刻的输出值为:uk－1=Kp［ek－1+TTl∑kj=0ej+TdT(ek－1－ek－2)］+u0(10)Δuk=Kp［ek－ek－1+TTlek+TdT(ek－2ek－1+ek－2)］(11)在实际工况中，控制信号变化的输出变化范围受系统硬件本身的约束。当采用控制算法计算出的控制量超出现有范围，那么实际采用的控制量就不再是计算值，即系统产生饱和现象。尤其在电机的转速发生突变或外接负载波动较大时极易引起饱和效应。为了降低饱和效应的影响，需要对增量式PID控制中的积分环节部分做出相应优化，目前使用最多的是积分分离法，即当偏差值超过已给范围时，必须去掉积分环节部分，才能最大程度地消除饱和作用的影响。当偏差值落在已知范围内时，就可以重新引入积分环节，而且同时能消除系统的静态误差。即在积分环节部分引入一个系数λ，设定一个预估的偏差量M，λ的选取原则如下:λ=0，ek＞M1，ek≤M{(12)优化后增量PID优化控制流程图。则优化之后的增量式PID控制算法转化为:Δuk=Kp［ek－ek－1+λTTlek+TdT(ek－2ek－1+ek－2)］(13)Δuk=Kp(ek－ek－1)+Kiek+Kd(ek－2ek－1+ek－2)(14)式中:Ki=KpλTTl，Kd=KpTdT。

     (3)控制系统的核心控制策略为:基于PID和前馈结合的控制方法，转速扰动的前馈补偿和比例电磁阀的电压信号控制，马达的输出转速作为反馈部分，泵输入转速为前馈部分，设定定量马达的转速为1500r/min，定量马达转速与设定值相比较得出误差值Δe，Δe经复合控制方式共同作用于变量泵，通过调整比例电磁阀电压信号，从而改变变量泵排量使马达转速稳定在1500r/min。以上分析建立系统仿真模型，仿真原理图。通过建立泵控马达的传递函数对系统的特性进行仿真分析。从中可以总结出系统控制的一般规律。仿真模块可分为:负载扰动、转速扰动和泵控马达模块。

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