控制系统仿真（优质4篇）

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控制系统仿真【第一篇】

关键词汽车倒车；模糊控制；仿真系统；MFC

利用模糊控制集合理论，把人的控制策略的自然语言转化计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效地控制。本文利用VC++编写模糊控制器并通过MFC编写仿真界面。实验表明通过模糊控制汽车的行驶方向，能够顺利到达最终地点，并且轨迹平滑，路径合理。

1.模糊控制器基本结构分析

模糊逻辑控制，是一种基于模糊数学理论的新型控制方法。

（1）模糊化接口：测量输入变量（设定输入）和受控系统的输出变量，并把它们映射到一个合适的相应论域的量程，然后把精确地输入数据被变换为适当的语言值或模糊集合的标识符。

（2）知识库：涉及应用领域和控制目标的相关知识，它由数据库和语言（模糊）控制规则库组成。数据库为语言控制规则的论域离散化和隶属函数提供必要的定义，语言控制规则标记控制目标和领域专家的控制策略。

（3）推理机：是模糊控制系统的核心，根据模糊输入和模糊控制规则，模糊推理求解模糊关系方程，获得模糊输出。

（4）模糊判决接口：起到模糊控制的推断作用，并产生一个精确的或非模糊的控制作用。

2.汽车倒车模糊控制器构建

（1）根据经验产生模糊控制策略。

当距离比较远的时候，应当努力调整小车的正向（朝前轮的轴向方向），使之与终点到连线的方向一致（即减小α的值），同时应当减小汽车实际的正向与最终要求正向（90°）的夹角β。

当距离比较近的时候，应当努力减小汽车与终点水平位置的偏差，同是减小汽车实际的正向与最终要求正向（90°）的夹角β。

（2）模糊控制专家经验简化如下：

当距离近时：；当距离远时：。

由于θ的计算比较复杂，我们可以将θ的计算过程放在模糊推理系统之外完成。先计算出θ1（对应远距离）和θ2（对应近距离），再将θ1和θ2根据远近的模糊感念来进行模糊综合。对于距离D，我们通过汽车的坐标计算出来：D=（X2+Y2）1/2。

（3）建立T-S模型的模糊推理系统。

3.汽车仿真系统构建

仿真模型构建

在实际的倒车中，当我们把汽车倒入车库时，首先要估计一下车位的位置和车的相对位置（如左前方，距离远近等），然后分析判断，确定一个行驶的方向进行倒车。当确认汽车完全进入车库后，倒车结束。代替人控制，模糊控制汽车倒车的工作流程如图1所示。

由此得出建立汽车仿真模型需要几个模块：模糊控制模块、汽车模块、动画显示模块等。

汽车模型

根据汽车的动力学方程构造汽车的模型：

其中：v为卡车的速度，l为卡车的长度。

4.系统的仿真及性能分析

在这里可以看到汽车在各个位置开始倒车时的运动轨迹及能否顺利到达车库。仿真图形如图2、图3、图4所示。

通过仿真实验可以发现，汽车距离远、近都可以顺利地到达车库。模糊控制汽车倒车具有汽车行驶轨迹呈光滑的弧线、控制良好的效果。这说明模糊控制汽车倒车是可行的，成功地解决了倒车后视不良的问题，相对于人控有着很大的优越性。

参考文献

[1]吴小莉，林哲辉。MATLAB辅助模糊系统设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.

[2]杨智，杨李成。在MATLAB语言中间实现C语言链接[J].甘肃工业大学学报，1998（12）：56-60.

[3] and The Truck Back-Upper An Example of Self-Learning in Neural ，1989：357-363.

控制系统仿真【第二篇】

为突出“控制系统仿真与CAD”课程培养学生实践动手能力的目的，本文对该课程的教学方式进行改革探索，主要涉及教材选用、启发式教学、实践教学、考核方式等方面。通过教学改革，取得了较好的教学效果。

关键词：

控制系统仿真与CAD；教学改革；启发式教学

引言

为了提高自动化类本科专业的教学质量，培养和提高学生的实践动手能力“，控制系统仿真与CAD”作为一门专业平台课程，主要以MATLAB语言为基础，介绍自动控制系统的建模方法、时频域分析方法、可控可观性分析以及控制器与观测器设计方法等。以培养应用型人才为目标，如何上好本课程一直是任课老师一直思考和探索的问题。作者结合“控制系统仿真与CAD”课程的实际教学情况，从以下几方面进行教学改革与探索。

一、教材的选择

随着自动化学科与控制系统仿真技术的不断发展，与“控制系统仿真与CAD”课程相关的教材很多，主要有：王燕平教授主编的《控制系统仿真与CAD》[1]，薛定宇教授著的《控制系统仿真与计算机辅助设计》[2]，张晓华教授主编的《控制系统数字仿真与CAD》[3]等。教材的选用应该以教学大纲为准绳，以便于学生理解、掌握知识为准绳。教学大纲从学生本科学习的整个过程对学生所需掌握的知识进行指导，是课程教学的纲领。许多相近的专业平台类课程会涉及相同的知识点，同一知识点在哪门课程进行学习，学习的深度如何，都会在教学大纲中得以体现。教材的选用还应该遵循以学生为本的原则，选择难易度恰当、体系结构合理、的教材作为学生学习和老师施教的助手。通过比较，我们在课堂教学过程中选用了机械工业出版社出版的由王燕平教授主编的《控制系统仿真与CAD》，该教材是普通高等教育电气工程与自动化应用型“十二五”规划教材。“控制系统仿真与CAD”课程内容较多，教学大纲安排的课时有限，在教学过程中，我们着重介绍MATLAB基础，控制系统的数学描述方法、控制系统的时频域响应分析、控制系统的校正、控制系统的稳定性、可观性和可控性分析、状态反馈控制与观测器设计等内容。

二、课堂教学改革

（一）利用多媒体教学

与黑板板书加讲授的传统教学方法相比，多媒体教学能够将教学内容以更加丰富多彩的形式、更加直观生动的方式展示给学生，使得学生能够更清楚、更直观地理解知识点；同时还能够节省大量的板书时间，将部分教学内容的板书工作转移到备课阶段，能够有效提高课堂效率，将更多的时间用来师生互动、分组讨论等，让课堂教学变得更加丰富多彩。例如，在介绍Matlab基础时，需要给学生演示大量的程序案例，我们可以在备课阶段，将程序编写好，然后在课堂上通过Matlab软件调用编写好的程序，现场给学生演示，以节省程序的板书时间，提高课堂利用效率；同时，也能活跃课堂氛围、吸引学生的注意力，增强学生的积极性，在潜移默化中提高学生的动手能力。例如，在Matlab基础部分，讲述选择式结构的if语句部分时，我们会介绍if语句的三种基本机构，由简单到复杂依次是：单分支if语句结构、双分支if语句结构和多分支if语句结构。在介绍每种if语句结构时，我们就可以借助多媒体丰富的表现形式，利用设计好的动画来给出其流程图，展示每次遇到if这个语句标记时应该如何判断条件是否成立，然后选择语句组是否执行，并强调if语句一个重要的组成部分就是最后的end，没有end语句标记就不知道if语句什么时候结束，也就没办法执行其后面的程序。在学习每种if语句结构之后，我们还通过例题分析不同if语句结构之间的异同点。多媒体教学在提高学生学习兴趣方面具有明显的优势，同时这也要求我们要花费大量的时间去精心准备，从借鉴精品课程到联系课堂实际效果，从课件内容到排版格式，从图片选取到动画制作，都应该切合学生的实际需要、符合控制类课程的自身要求。与其他介绍Matlab语言的课程不同“，控制系统仿真与CAD”课程需要结合控制类专业的基础理论知识，所列举的案例也应该以控制工程中遇到的问题为主。

（二）启发式教学

Matlab语言包含的命令与工具箱数不胜数，而且涉及到控制系统的各方各面（从系统建模到时频分析，从稳定性分析到控制器设计，等等），我们能在课堂上教授学生的只能是有限的方法。学生在以后的学习和研究中还会遇到各式各样新的问题。我们需要培养的是学生分析问题、解决问题的能力。因而，我们应该积极探索和实践能够培养学生积极性、创造力的启发式教学方法。在启发式教学过程中，我们要由教给学生知识转变为教会学生学习，在教学过程中以启发式为主，培养学生参与教学、积极思考、大胆存疑、主动学习的能力[4]。启发式教学的方法很多，可以尝试如下方法：（1）在课堂上制造悬念，抛出问题来引导课堂的发展，以引导学生解决问题作为主线。例如，讲解矩阵运算时，可以从提问同学们以下问题逐步引导课堂：矩阵运算有哪些？在Mat－lab中如何实现？完成统一运算的不同实现命令之间有何区别？（2）很多教师都头疼于学生上课带手机，其实我们完全可以引导利用这一工具，遇到问题时，让学生通过自己思考，上网查找，最终解决问题。这样不仅能够引起学生的兴趣，还能增强学生对知识点的记忆。例如，我们在讲解控制系统的数学描述方法时，会讲到系统的传递函数模型可以与其状态空间模型之间相互转化，我们首先讲述将系统从传递函数模型转化为状态空间模型时，使用tf2ss的命令，那么如何将一个系统从状态空间模型转化为传递函数模型呢？这时，我们就可以让学生通过手机来查找对应的命令。学生通过自己动手查到的命令不但记忆深刻，而且可以激发学生的学习欲望，既达到授人以鱼的目的，还兼有授人以渔的效果，逐渐培养学生掌握思考问题、解决问题的能力。

三、强化实践教学

“控制系统仿真与CAD”是一门培养学生实践动手能力的专业课。学生在课堂上学习的知识点如果不通过实践，很快就会生疏遗忘。我们就需要通过安排上级实验来促使学生理解、消化和掌握所学习的命令、工具箱等，并在实验中总结和实践一些编程技巧来提高程序的运行效率。所以我们在重视理论教学的同时，也有必要开展实践教学。我们用总课时量的1/3时间来指导学生上机实验，通过实验项目的开展，有效地提高了学生的实践动手能力。学生在理论知识学习后，还可以根据学生的兴趣，对学生进行分组，安排他们针对一些简单的控制系统进行时频域响应分析、稳定性、可观性和可控性分析以及控制器、观测器设计等。实践证明，通过这些分组讨论式学习能够较好地锻炼学生分析问题、思考问题、解决问题的能力以及团队合作能力，调动学生的主动性、积极性。

四、考试改革

利用期末考试卷来衡量学生学习水平的考核方式不适用于“控制系统仿真与CAD”课程。该课程是以培养和提高学生实践动手能力为主要目标。我们采用大作业的方式让学生针对经典的控制工程案例进行分析和处理，并利用Matlab实现自己的想法。在考核时，不仅参考大作业的完成情况，还综合考虑学生的平时表现、实验表现、出勤情况等。

五、结束语

选择“控制系统仿真与CAD”课程进行教学改革探索是因为这门课程具有较强的工程实践性，既可以巩固学生在“自动控制原理课程”等专业基础课程学习的控制理论知识，同时培养和提高学生的实践动手能力。选择恰当的教材；在课前精心准备；在课堂教学过程中利用好多媒体教学的优势，并贯穿启发式教学模式于课堂始终；在实践教学环节能够针对学生出现的不同问题有针对性、有区别地给予指导。教学改革和探索，学生的动手能力、学习主动性、思考问题能力都明显提高，而且具备解决分析工程实际问题的能力。我们在以后的教学过程中还将不断实践和探索，争取对本次教学改革的成果进一步深化和完善。

作者：冯肖亮 宋强 闫晶晶 单位：河南工业大学电气工程学院

参考文献

[1]王燕平。控制系统仿真与CAD[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]薛定宇，陈阳泉。基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2011.

控制系统仿真【第三篇】

关键词半实物仿真；深弹控制系统

1.引言

深弹是打击潜艇的有效武器之一，价格低廉，可以大量使用、维护使用方便、作战方式灵活，可用于浅水、深水海域的反潜作战，适合直升机和固定翼飞机装载、携带、投放和使用。国外具有代表性的深弹有北约国家普遍装备的“MK11”，意大利白头鱼雷公司开发的MS500深弹，俄罗斯的“C-3B”无动力深弹以及90П火箭声深弹、短程有动力深弹KAB-500PL。

控制系统是深弹的关键分系统之一，其主要功能是根据深弹搜索与攻击目标过程中的弹道要求控制弹体，使弹体按规定的弹道运动。对深弹的控制系统进行全弹道数学仿真和半实物仿真，全面评价弹体控制特性以及控制特性，可以为深弹控制系统设计及评价提供有力的决策依据。

随着微机技术的发展和现代控制理论的进步，深弹技术发展到了一个新的阶段，具备自导探测、布放方式多样、精确制导能力的深弹能在现代战争中发挥重要的作用。作为深弹总体技术中的核心部分，深弹控制系统有着非常重要的地位，其主要功能是根据深弹在投放、搜索、导引过程中的弹道要求控制弹体，是其按期望的弹道运动，无论是布放的准确性或是攻击的快速性、精确性，都跟控制系统的效能息息相关[1]。

在深弹控制系统设计过程中，面临着有两个难题：一是深弹相比较鱼雷等水中兵器，其自身的攻击特性是自导作用距离短、作战距离有限，因此在有限的时间内要求控制系统能快速有效的解算、执行，从而确保打击精度；二是“物美价廉”的深弹，研制经费相对有限，如何能用有限的经费研制出高性能的深弹，是考验设计人员的一个难题。

2.半实物仿真仿真技术

仿真技术被引入武器装备研制已经有数十年的历史，在指导设计改进、验证装备性能发挥了重要的作用。HILS，又名半实物仿真，全称“Hardware In the Loop Simulation”，指在整个仿真回路中包含一部分硬件的仿真。与传统的纯数学仿真相比，HILS在其整个系统中接入了一部分实物，因此仿真结果往往具有很高的置信度；同时，由于部分真实的设备、产品参与了整个仿真过程，这也有助于对这部份硬件进行性能考察，从而使部件能在满足系统整体性能指标的环境中得到检验。

在深弹控制系统设计中引入半实物仿真，可以更全面的评价深弹的控制特性，为深弹控制系统设计及评价提供有力的依据，可以有效的提高系统设计的可靠性和研制质量，降低系统的研制周期和研制经费。

3.深弹控制系统基本组成

根据控制系统的功能和要求可以确定控制系统组成。控制系统主要由敏感元件、控制系统计算机、舵机控制单元、舵机及舵面组成。

敏感元件进行弹体姿态参数测量；控制系统计算机根据弹体姿态、弹体速度及目标方位角、目标距离，根据导引律与控制律进行操舵角解算；舵机控制单元根据控制系统计算机解算的操舵角与实际舵角进行比较，并将两者的差值信号进行功率放大后控制舵机，驱动舵面按要求的方向偏转至要求的位置；舵机由电机及传动机构组成，主要功能是输出系统所要求的操舵力，带动舵面偏转；舵面在操舵力的作用下偏转，并在流体动力的作用下产生偏转力矩，使弹体按预定弹道运动。

随着精确制导等性能的要求越来越高，深弹的控制系统也越来越复杂，控制系统包含控制电路、执行机构、敏感元件等。

控制电路根据弹体自身的姿态以及目标的方位、距离进行操舵舵角解算；执行机构根据控制电路解算的操舵舵角和实际的姿态进行闭环控制，使弹体偏转向正对目标；敏感元件则获取弹体的姿态参数。深弹弹道控制系统工作原理框图如图1所示。

弹道控制系统包括惯测系统、稳定控制系统和制导控制系统等组成。其中，惯测系统完成航空自导深弹工作过程中运动学信息的测量和解算；稳定控制系统利用角速度（或弹道航向角度变化率）的反馈通过操纵舵面实现对航空自导深弹的姿态稳定控制；而制导系统则利用初始目标信息和航空自导深弹惯测系统进行综合形成导引指令，通过稳定控制系统实现对航空自导深弹攻击弹道的修正，最终使航空自导深弹基本按理论弹道航行，并满足导引精度要求。

4.半实物仿真组成

控制仿真系统必须能满足如下要求或功能：

1）构成深弹控制系统分布式硬件在回路仿真和测试平台；

2）能够进行弹体水动力特性的数字仿真分析，包括完整的动力学、运动学模型、稳定性分析、机动性分析等；

3）能够进行深弹弹道的分析计算，在任意的弹道冻结点，建立三通道稳定控制回路传递函数或状态方程模型，并计算稳定性、时域响应特性、频率响应特性等；

4）能够进行深弹控制系统的数字仿真实验；HILS一般由3部分构成：①仿真计算机，用来进行动力模型的设计及运行程序、处理数据；②环境模拟设备，包括运动仿真器、角运动仿真器、目标特性仿真器等仿真设备；③被测实物，一般指控制电路板、陀螺仪、舵机执行机构等硬件设备[2]。

5.深弹控制系统的HILS功能设计

深弹控制系统的半实物仿真试验，要求能为深弹控制系统提供真实的工作环境，并充分模拟不同的工作条件，以检验系统的各种功能和可靠性，具体表现在实现如下功能[3]：

1）进行深弹的6自由度非线性模型仿真解算；

2）通过陀螺仪返回的角速率信息报文，通过姿态解算算法，解算出姿态信息；

3）通过三维运动模拟器实时模拟深弹的运动航行和姿态；

4）通过惯性测量组合和仿真计算机记录下深弹运动轨迹。

6.深弹控制系统的HILS系统构成

为了实现上述功能，在进行深弹控制系统HILS设计时，必须包括以下设备[4]：

1）DSPACE实时仿真系统：主要功能是仿真控制对象和环境；

2）MATLAB仿真工作站：主要功能是建立深弹控制系统的数学模型；

3）FLUENT仿真工作站：主要完成弹体特性分析、流体动力性能分析；

4）三轴转台：通过转台的三个轴的转动，模拟深弹的姿态变化，形成逼真的水下运动环境；

5）陀螺仪：敏感弹体的姿态变化速率，通过四元素法解算出姿态信息，用于解算控制舵角操舵指令，发给数字舵机；

6）控制电路板：基于DSP的运动控制硬件结构，通过接收到的目标信息和自身姿态；信息进行姿态解算，解算出控制舵角操舵指令后发给数字舵机；

7）数字舵机：作为控制系统的执行机构，通过操纵横舵、直舵、差动舵三个舵面来实现导引攻击；

8）装定器：通过串行通信口发送虚拟目标信息；

9）惯性测量组合：作为测试设备，记录下弹道轨迹。

7.深弹控制系统的HILS工作原理

由上述仿真设备和部分实物组成的HILS系统结构图如图2所示：

HILS系统工作原理如下：系统上电后，装定设备向导引控制板发送虚拟目标信息，陀螺仪向导引控制板发送姿态变化角速率信息，导引控制板随即根据角速率信息进行捷联解算得出姿态信息，同时根据目标信息和姿态信息进行舵角控制律的解算，解算出合适的操舵指令后发给数字舵机伺服系统，数字舵机开始进行操舵，舵角信息反馈至DSPACE系统控制对象模型，该系统根据深弹的模型和运动学方程计算出深弹的实时姿态信息，并输出至三轴转台，三轴转台随即开始进行转动，模拟深弹的真实姿态变化，惯性测量组合则不断记录下深弹的航行轨迹，最后，通过上位机计算出控制系统相关的超调量、响应时间、稳态误差等性能指标参数，以此来检验深弹控制系统的工作性能。

仿真结果分析

以某深弹控制系统半实物仿真结果为例：通过装定器发送的虚拟目标方位信息为（°，°），经过控制系统的半实物仿真，所得的系统HILS弹道曲线如图3所示。

由HILS仿真结果可以看出，通过理论计算的稳态俯仰角、偏航角应为°，在控制系统的作用下，横滚通道超调量≤°，稳态误差≤°，最大超调量，稳定收敛时间≤，偏航通道超调量≤°，稳态误差≤°，最大超调量，稳定收敛时间≤，横滚通道横滚角≤6°。由此可以得出结论，该深弹控制系统很好的实现了横滚抑制，俯仰、偏航双通道响应时间较快，超调较小，稳态误差小，说明该控制系统执行机构能满足整个系统的使用要求；缺点是收敛较慢，且偏航通道的稳态误差略大，该结果则为控制算法的改进设计提供指导：在偏航通道PID控制律中增强积分环节的作用来减小稳态误差，同时在平面双通道适当调整比例控制参数来减少响应时间。

由上述半实物仿真系统姿态曲线可以得出结论，该控制系统能较好的满足深弹控制快速性的要求，执行机构能力较强升，收敛时间和稳态误差等指标还需要进一步调整控制参数，也可以通过调整流体模型中的敏感参数来优化，该系统控制能力还能得到进一步的提升。

9.结论

从上述HILS仿真结果可以得出结论：半实物仿真可以有效的模拟深弹工作环境和姿态变化，并通过一系列实物检验控制系统各个组件软、硬件的性能，其仿真结果具有较高的置信度，且通过仿真结果可以快速有效的找出系统设计需要改进的地方，大大减少了科研周期和研制经费，可以断定，HILS技术将在深弹工程研制中扮演越来越重要的角色。

参考文献

[1]彭荆明，舒旭光。深弹控制仿真系统研究[J].水雷战与舰船防护，2009（1）：35-38.

[2]赵宁宁。水下航行器控制系统仿真试验研究与应用。西北工业大学硕士论文[D].20060301：18-30.

控制系统仿真【第四篇】

关键词 前馈补偿，复合控制，电液伺服，位置控制，仿真

1前 言

陶瓷压砖机顶出装置，主要由执行机构――顶出油缸、动力源――液压泵站及其伺服阀、伺服控制器、PLC及顶出油缸检测装置――直线位移传感器组成，是机械、电控和液压等控制技术的综合应用。通过顶出装置带动模具运动，为陶瓷压砖机装填待压制的粉料，并且在粉料被压制成形为砖坯后将其从模具内顶出，最后完成压制工序，是陶瓷压砖机重要的运动部件之一。由于采用电液伺服技术，使得顶出装置的定位精度、响应速度得到大幅度提高，到达目标位置所需的时间大大缩短，正由于这些特点，陶瓷生产过程中对提高砖坯精度和生产效率具有重要的现实意义。同时，由于采用电液伺服控制的顶出装置能够方便地改变目标位置，这样不仅可以做到在改变产品规格的情况下，方便地改变顶出的目标位置，而且可以在装填料过程中，方便地设定不同的顶出目标位置，可以改变同一模具内不同区域的粉料装填情况，从而达到控制砖坯厚度的目的。对比原来的机械定位式的顶出装置，新技术大大提高了产品的质量和生产效率。

电液伺服控制技术具有以下特点：

电液伺服控制技术作为连接现代微电子技术、计算机技术和液压技术的桥梁，已经成为现代控制技术的重要构成。由于它具有线性好、死区小、灵敏度高，动态性能好、响应快、精度高等显著优点，因而得到了广泛的应用。

对于液压伺服控制的以上特点，对控制策略提出了下述要求：

（1） 应尽量满足系统的静、动态精度要求，严格地优化设计，使系统做到快速而无超调；（2）对时变、外负载干扰和交联耦合以及非线性因素引起的不定性，控制系统应呈现较强的鲁棒性；（3）控制策略应具有较强的智能；（4）控制律、控制算法应力求简单可行、实时性强；（5）系统应有较高的效率。

2 液压位置控制系统的组成

液压伺服控制的基本原理就是液压流体动力的反馈控制，即利用反馈连接得到偏差信号，然后去控制液压能源输入到系统的能量，使系统向着减小偏差的方向变化，从而使系统的实际输出与希望值相符。在液压伺服控制系统中，输出量能够自动、快速而准确地复现输入量的变化规律，同时还对输入信号进行功率放大，因此也是一个功率放大器。

（1） 主控制器

系统采用SIEMENS公司的S7-300系列PLC中的CPU314C-2PtP作为主控制器。PLC通过数字量输入输出点与伺服控制器通讯，指派顶出装置动作的开始时间，通过模拟量输出点将目标位置和到达目标位置的速度传送至伺服控制器，当伺服控制器到达目标位置后，返回一个开关信号给PLC，使压砖机进行下一动作。

（2） 伺服控制器和伺服阀

控制器采用MOOG公司的新型数字伺服控制器J124，阀采用高性能的MOOG系列D661伺服阀。

（3） 位置反馈测量元件

采用美国MTS公司的R-系列数字输出-SSI传感器。SSI的主要功能为同步数据交换，因为同步，所以应用在闭环控制系统上十分容易，更能与大多数控制器连接。其主要工作原理是磁致伸缩的原理：利用两个不同磁场相交产生一个应变脉冲信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，便能换算出准确的位置。由于输出信号是一个真正的绝对位置输出，而不是比例的或需要再放大处理的信号，所以不存在信号漂移或变值的情况。主要技术指标如下表所示。

（4） 控制原理框图（见图1）。

3液压伺服系统的建模

顶出装置采用的是如图2所示的非对称液压缸液压伺服系统。其流量q、压力p与输入信号U的关系可由下面的公式描述。基准状态下微小变化的拉氏变换后的阀特性方程为：

连续方程为：

设Ku1=Ku2=Ku，Kp1=Kp2=Kp，C1=C2=C，Csl1=Csl2=Csl，联立式(1)和式(2)，得：

CSp1=KuU-Kpp1-A1SX-Cslp1(3)

CSp2=-KuU-Kpp2-KA1SX-Cslp2 (4)

由式(3)得：

p1=(KuU-A1SX)/(CS+Kp+Csl)

由式(4)得：

p2=-(KuU+KA1SX)/(CS+Kp+Csl)

负载方程为：

F=A1(p1－Kp2)

=A1pf=[A1/(CS+Csl+Kp)][(1+K)KuU-A1(1+K2)SX]

=[A1/(CS+Kce)][(1+K)KuU-A1(1+K2)SX](5)

控制对象的力平衡方程为：

A1pf=(mS2+bS)X+FL(6)

C=V/β+(Lπd2/4)(1/β+d/hEy)

式中：

Al、KAl――活塞面积 ，K为面积比

Ku――流量增益

Kp――压力增益

V――包括配管的液压缸容腔体积

β――油的体积弹性系数

l、d、h――配管的长度、内径、壁厚

E――配管材料弹性系数

C――压缩系数

q1、q2――流量

Csl――泄漏系数

U――输入信号

m――负载惯性项系数

b――负载粘性抵抗系数

FL――负载外力

由式(5)、式(6)可以推导出系统的传递函数：

由方程可得图3所示数学模型系统的方框图。

4基于复合控制的伺服控制器

为保证液压伺服系统的控制精度，不仅要使系统具有足够的频宽和阻尼，而且要有理想的静态、动态刚度，即较强的抗负载干扰能力。为了满足控制要求，控制系统主要由开环控制和闭环控制相结合而形成复合控制，其结构方框图如图4所示。

在图4所示的复合控制系统中，按照偏差控制带有负反馈的闭环系统起主要调节作用，改善系统的动态特性，而带有前馈的开环控制则起辅助补偿作用，这样双向控制可达到很高的控制精度。适当地选取补偿环节B，不影响系统的稳定性。这正是复合控制的显著特点：开环补偿通道既提高了整个系统的控制精度，又不影响系统闭环的稳定性。

5 系统的仿真

通过MATLAB中的Simulink对系统进行仿真，以解析控制系统的机理，为实际系统的参数调试作分析。

就一般而言，自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使得PID控制更加灵活。数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在机电、冶金、机械、化工等行业获得广泛的应用。将偏差的比例（P）、积分（I）、和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。

简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：1）比例环节：成比例地反应控制系统的偏差信号error(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。3）微分环节：反应偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

根据图4，利用Simulink进行仿真，得出不同情况的仿真结果，结果如下：

1） 在阶跃的输入条件下不同情况的仿真：

由图5、6、7可以看出，微分动作在反馈回路的PID控制器响应的速度明显低于正常PID控制策略的响应速度，而超调量却比正常PID控[]制的小。事实上，对这个系统采用这种结构的PID控制器，其控制效果得到明显改善。

2） 在正弦输入情况下的仿真，其中曲线1为输入信号、曲线2为输出信号。

由图8可以看出控制对象与系统输出有明显的滞后效应。

由图9可以看出，在伺服系统中增大前馈补偿增益，能够使控制对象很好地跟随系统输出，前馈控制提高系统的跟踪性能，拓宽系统的频带。不过，在这种情况下，系统输出超调比较严重，此时可通过调节速度环反馈来减少超调，通过仿真得出的结果在实际系统中得到很好地验证。

图10是实际系统中测量出的图形，可以看出其主要性能指标都比较好。其中，曲线1为系统输出、曲线2为实际控制对象位置。

6结 语

实际上，传统PID控制器具有简单的控制结构，在实际应用中又较易于操作，因此它在工业过程控制中有着最广泛的应用。但是，由于其采用线性定常组合方案，难于协调快速性和稳定性之间的矛盾；在具有参数变化和外干扰的情况下，其鲁棒性也不够好。当系统性能要求比较高时，传统PID控制往往不能满足要求，需要对其进行改造，像本文中介绍的增加前馈控制和对反馈控制进行改造，形成复合控制系统就能满足实际生产的要求。

参考文献

1 王占林。近代电气液压伺服控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005,2

2 张静等编著。MATLAB在控制系统中的应用[M].电子工业出版社，2007,5

3 “电液比例控制技术及新发展”[C].《机床与液压》第二届技术研讨会，2007,5

4 刘金琨。先进PID控制及其MATLAB仿真[M].电子工业出版社，2002

5 潘 策，陈晓南，杨培林。时变滞后系统的模糊预估控制[D].西安交通大学机械工程学院，2002

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