基于PID的液压机械电气设备电源频率自动控制

张司颖，沈朝萍，李继伟

(江苏航空职业技术学院，江苏 镇江 212134)

0 引言

电气设备电源频率稳定是确保液压机械正常运行的基本条件之一。近年来，电源频率控制方法成为该领域的热点研究话题。现阶段所提出的电气设备电源频率控制方法中，大多使用的是微分中值定理，将非线性控制问题转换为线性协调控制问题，使得算法更加复杂，导致其在实际应用中控制效率过低，液压机械整体作业水平下降。

由于现有方法无法对液压机械电气设备的电源频率进行良好控制，众多学者都在研究其优化控制方法。文献[1]在高频电源谐振频率中引入声波频谱分析方法，完成臭氧发生器电源频率的检测与控制。首先对臭氧发生器工作下的高频电源谐振状态信息和声波数据进行采集获得谐振频率测量结果；然后通过声波采集电路将声波数据传送至单片机模块；最后利用单片机模块中的频率分析程序完成高频电源频率的检测与控制。文献[2]提出一种自适应惯性频率控制方法。首先划分处于频率扰动下的电源频率波动范围，并对该范围的虚拟惯量进行自适应调节；然后分析频率干扰环境下，虚拟惯量对微电源输出频率造成的影响；最后通过分析影响结果，制定最合适的自适应惯量上下限以及控制灵敏因子。上述2种方法虽然在一定程度上提高了对电气设备电源频率的控制效率，但是并未对在频率扰动环境下采集到的数据进行预处理，使得其中包含了一部分噪声，影响其自动控制精度。

基于此，本文提出基于PID(proportion integral differential)的液压机械电气设备电源频率自动控制方法。

1 电动液压泵结构及工作原理分析

本文研究的电动液压泵机械结构如图1所示。

图1 轴向柱塞电动液压泵机械结构

轴向柱塞电动液压泵是将永磁同步电机的转子部分与斜盘式轴向柱塞泵相结合，使其缸体一体化，共同完成作业。该泵中的柱塞是轴向排列的，且缸体轴线与传动轴轴线重合，其进油口和出油口设在泵体的两端，整个流道环绕泵体的侧壁以带走电机定转子以及各种摩擦产生的热量。当柱塞运动角度在0～180°时，其被电机带动进入缸体，此时缸体密封容积减小，并通过配油盘的压油口压油；当柱塞运动角度在180°～360°时，其将逐渐向缸套外深处运动，此时柱塞底部的密封工作容积将增大，通过配油盘的吸油口进行吸油，如此往复，缸体每转1圈，柱塞完成吸油和压油各1次。

2 PID下电动液压泵电源频率自动控制

2.1 电动液压泵电源频率信号采集与处理

利用单片机采集电动液压泵的电源频率信号，并在通信网络的作用下，将这些信号传送至控制主站[3]，由其完成后续分析与处理。

为保证后续电源频率控制取得理想的精度和效率，考虑到电源频率控制信号类型复杂多样，需要对其进行统一处理。本文引入误差传感器[4]，对电源频率控制信号的辐射功率做最小化处理，以此实现去除噪声以及其他干扰因素的目的，进一步确保后续控制的精度。利用方程式对处理过程进行描述，将R定义为目标函数[5]，即

(1)

n为电动液压泵电源频率信号构成的集合；i为电动液压泵电源频率控制点位[6]数量；P为误差传感器的初级声源声压；PH为误差传感器的次级声源声压。

通过式(1)，将电动液压泵电源频率控制能量保持在平衡状态下，并将经过处理后的采集信号转换为同步信号。

2.2 电动液压泵电源频率信号分析

在不同的工况环境下，电动液压泵所需的电源能量也有所不同，按照不同的供电方式可将其划分为若干个类别。为确保每种供电方式的稳定运行，针对不同类别供电方式的电源频率内部情况进行深入分析。利用单片机获取电源运行环境数据，并对电源频率信号进行实时监测。

当单片机容纳的电源负荷总容量达到85%时，加强监测力度，并找到该频率信号的具体位置。电源频率信号查找方式为

(2)

C为电源频率信号查找参数；M为监督力度参数[7]；G为电源实际运行环境参数；Q为单片机中电源负荷总容量值；N为电源频率信号的位置指数。

通过式(2)可得到电动液压泵电源频率信号的具体位置信息，将不同类别的供电方式进行排列，具有相同条件的组合划为1组，分别存储在不同的存储空间内。电动液压泵电源频率信号存储流程如图2所示。

图2 电源频率信号存储流程

存储空间中的数据经过完善空间结构、对比存储内容等一系列操作处理后，可实现对电源频率信号的分析。

2.3 电动液压泵电源频率控制过程功率分析

当电动液压泵处于正常运行状态时，由上述分析可知，其电源频率控制能量是平衡的，这与物质平衡的相似性[8]相类似。当电动液压泵电源频率控制有功产生时，电源频率会展现出非常明显的非线性特性。因此，可得到电源频率控制功率A为

A=kSW+Rμt

(3)

k为电动液压泵电源的额定电压[9]；SW为电动液压泵电源处经过的电流值；R为电动液压泵电源额定频率；μt为电动液压泵在t时刻的蓄热系数。

通过式(3)可得到电动液压泵电源频率控制功率的大小。

2.4 电源频率控制阈值设置

随机给出1个电源频率阈值，当电动液压泵正常运行一段时间后，更改阈值，并将反馈线性化法[10]引入其中，对电源频率控制过程中产生的频率β进行计算，表达式为

β=Kf(x)+Rj

(4)

K为电动液压泵在正常运行状态下的比例系数；f(x)为电动液压泵电源频率控制偏差值；j为电源频率控制过程中产生的误差比例系数。

通过式(4)可计算得到电动液压泵电源频率的控制频率，为后续实现自动控制做好基础准备工作。

2.5 电气设备电源频率控制实现

PID控制算法是目前控制系统中最常用的算法之一，也是发展最为成熟的调节方式之一，本文利用PID控制算法对电动液压泵电源频率实现自动控制。PID控制算法的实现过程为：将偏差值输入到算法中，分析比例系数、积分系数和微分系数之间的函数关系，并根据三者的关系进行计算，计算结果即为最终的控制效果。

基于PID控制算法的电动液压泵电源频率自动控制表达式为

(5)

基于PID控制算法的电动液压泵电源频率控制实现流程如图3所示。

图3 PID控制算法实现流程

对于PID控制算法中3个系数的参数确定，当输入项内容发生变动后，电动液压泵电源频率控制依然可实现快速且平稳地跟踪，保证控制频率不会发生较大变化，尽量控制超调量为最低。目前，参数确定方法有试凑法、理论方法以及试验经验法等，综合对比之下，本文选择试凑法[15-17]确定PID控制算法中的3个系数。

在电动液压泵正常运行状态下，根据电源频率信号变化曲线[18-19]，对3个系数不断进行调整，直至得到理想的曲线为止，此时的系数即为最优参数。将PID控制算法的3个参数调整为最优参数，实现对电气设备电源频率的自动控制。

3 实验测试

3.1 实验步骤及参数

为验证本文方法在实际应用中是否同样合理有效，与引言中提到的声波频谱分析和自适应惯性频率控制方法进行对比实验。实验操作系统选择64位Windows专业版，处理器为Inter Core i7，内存大小为4 GB。

考虑到3种算法对于实验环境的高要求，以及电动液压泵电源频率自动控制的复杂性，实验特意完善了基础操作空间的各项参数状态，根据电流通过数量以及电压数据的操作时长，制定了详细的实验操作步骤，具体如下所述：

a.采集电动液压泵状态信息，标记出电源的中心，并在中心处安装1台数据监测装置，用来获取电气设备电源的实时流通情况，以免出现断电、非正常运行情况的发生。

b.运用相关数据处理方式，将监测到的错误数据、冗余数据以及无用数据及时删除，避免对算法实验结果产生较大的影响。将删除数据点的位置作出标记，并传送至控制主站中，保证数据的实用性和可靠性。对基础操作空间中的各项参数及时进行调整和完善，尽可能满足3种算法的要求。

c.按照不同的供电方式对电气设备进行分类，分别存储在相对应的存储空间内，并为每一个存储空间设置合理的区域数值。当某一个存储空间中的数据大于区域数值时，就需要将该数据剔除掉，其余数据保持不变，存储空间再次进行验证，并调整控制信息，直至所有数据均满足要求为止。

本文选取的液压电机叶片泵各项参数如表1所示。

表1 液压电机叶片泵各项参数设置

3.2 实验结果及分析

根据表1所示的电动液压泵各项参数，利用MATALB软件，对3种算法在不同性能方面展开对比实验测试。

首先，对3种算法的控制波特率进行实验测试，对比结果如图4所示。控制波特率的值越高，说明算法对于电动液压泵电源频率的自动控制效果就越理想；反之，则控制效率越差。

图4 3种算法控制波特率对比结果

由图4可知，随着迭代次数的不断增加，本文方法获取的控制波特率始终都是最高的，同时曲线波动幅度最小；声波频谱分析方法较自适应惯性频率控制方法取得的控制波特率要更高一些，曲线波动也要平稳一些，但总体低于本文方法。这是由于本文方法应用了PID控制算法，通过不断调整比例系数、积分系数以及微分系数找出最优参数，使得电源频率控制结果最为理想。

接下来，利用3种算法完成电气设备电源频率自动控制，对比其所花费的时间，结果如图5所示。

图5 3种算法电源频率控制时间对比结果

通过观察图5可以很明显地看出，在控制样本数量完全相同的情况下，本文方法完成电气设备电源频率自动控制所需的时间是最少的，声波频谱分析方法次之，自适应惯性频率控制方法所需的时间最长。这是因为本文方法对采集到的电动液压泵电源频率信号进行了处理，消除了噪声以及其他干扰因素，由此提高了算法的控制效率。

最后，对3种算法的电动液压泵电源频率控制有效率进行对比，结果如图6所示。

图6 3种算法控制有效率对比结果

从图6中可以看出，本文提出的电动液压泵电源频率自动控制方法有效率是最高的，声波频谱分析方法次之，自适应惯性频率控制方法的有效率是最低的。不仅如此，本文方法有效率增长曲线随着时间的推进，总体呈直线上升状态，而其他2种方法均出现了较大的波动。

综合对比上述3个实验可以得出结论：本文方法较其他2种方法相比，可实现整个电源频率控制过程最平稳、所花费的时间最少，同时，也可确保控制过程具有最高的有效率。

4 结束语

基于传统液压机械电气设备电源频率自动控制方法存在控制时间较长、有效率过低以及精度较差等问题，本文提出基于PID控制算法的液压机械电气设备电源频率自动控制方法。以电动液压泵为例，通过对其电源频率数据的采集、处理、分析和计算等一系列操作后，得到电源频率自动控制过程中产生的频率，运用PID控制算法进行最佳参数的调整，使其满足控制要求，至此完成电动液压泵电源频率的自动控制。通过与其他2种方法进行对比实验测试，结果表明，本文方法具有相对理想的实验结果。