自动控制综合设计电梯液压系统的设计.doc

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1、 目 录一、设计题目及要求11.1设计题目简介11.2设计要求2二、设计目的及意义3三、建立数学模型33.1电梯上行的数学模型43.1.1 泵的数学模型43.1.2 单向阀的数学模型43.1.3 比例流量阀的数学模型53.1.4 液压桥的数学模型63.1.5 液控单向阀的模型73.1.6 液压缸的数学模型73.2 电梯下行的数学模型9四、电梯液压系统的动态仿真94.1电梯上行时液压系统的仿真分析94.1.1 供油子系统的仿真模型104.1.2 液压桥和液控单向阀组成调整子系统的仿真模型104.1.3 三级同步液压缸构成运行系统的仿真模型114.1.4 电梯上行液压系统的仿真134.2 电梯上行

2、液压缸的速度曲线144.3 电梯上行液压缸的位移仿真曲线15五、电梯液压系统的PID控制165.1 PID控制原理165.2 位置PID控制算法175.3 干扰作用下控制系统的设计185.4 数字PID控制算法的改进195.5 液压电梯液压系统的PID控制器的设计与仿真205.5.1 PID控制器设计205.5.2 采样周期的确定215.5.3 PID控制器参数整定225.5.4 电梯液压系统PID控制器仿真22六、控制器的单片机实现方法276.1 单片机控制器软件任务276.2程序设计的确定276.3电梯控制模块程序设计286.4 现场调试模块程序设计30七、工作总结及心得体会30参考文献3

3、0前 言现代液压技术的发展，使得液压技术本身具有了独特的技术优势，并且已广泛运用于现代农业、制造业、能源工程、交通运输和物流工程、油气探测与加工、建筑与公共工程、航天与海洋技术、军事装备、国防工程等领域，成为农业、工业、国防和科学技术现代化进程中不可替代的一项重要基础技术，也是当代广泛推广与应用的重要基础技术知识之一。系统仿真技术是近20年来发展的一门新兴技术学科，它是利用系统模型对真实系统进行分析研究的过程。当在实际系统上进行试验研究难于实现时，仿真技术就突出了它的优势，并成为十分重要和必不可少的研究手段。应用Matlab来对液压系统进行建模仿真，以得到系统运行的速度、位移和压力曲线，这样可

4、以更加直观的分析系统的安全性和稳定性，并对系统作出合理的调整，这样减少了系统的误差，使得系统运行更加平稳。液压电梯是由液压传动的电梯，通过液压动力源(液压泵)把液压油压入液压缸，使柱塞向上运动，直接或间接地作用在轿厢上，使轿厢上升。轿厢的下降一般靠自重使液压缸内的油液返回油箱中。液压电梯是多层建筑中安全、舒适的垂直运输工具，也是厂房、仓库中最廉价的重型垂直运输设备。摘 要液压电梯是现代社会中一种重要的垂直运输工具，由于其具有机房设置灵活、对井道结构强度要求低、运行平稳、载重量大, 以及故障率低等优点, 在国内外中、低层建筑中的应用已相当普遍。液压电梯是集机、电、液一体化的产品，是由多个相互独立

5、又相互协调配合的单元构成，对液压电梯的开发研究涉及机械、液压及自动控制等多个领域。本文在对液压电梯的实际工作情况做了详细分析后，假定了一个电梯具体的工作条件（包括电梯的最大负载和运行速度等），选定电梯轿厢的支承方式为双缸直顶式、支承液压缸为三级同步液压缸，并设计了满足条件的电梯液压系统。然后根据电梯的工作条件和已设定参数，对各个液压元件进行了设计计算。最后结合实际的情况和一些具体的产品，对液压元件的型号和尺寸的进行了确定。在此基础上，本文对电梯液压系统进行了数学模型的建立，在建模过程中采用拓扑原理建立系统的数学模型，即先根据系统的总体结构建立液压系统的拓扑结构图，将系统分成若干个可以独立的子系

6、统，然后再分别建立每个子系统的数学模型，最后再根据拓扑结构组合成整个大系统的数学模型。在建立了系统数学模型后，对液压系统进行了仿真分析，得到了系统的速度、压力和位移曲线，这就更直观的反应了系统的运行过程。根据仿真结果分析，液压缸在运行过程中速度振动较大，本论文将PID控制算法加入到系统中，采用积分分离PID控制方法对本液压系统进行了仿真分析，结果显示加入PID控制方法后系统稳定性得到了提高，具有良好的工作性能。关键词：液压电梯；双缸直顶式；三级同步液压缸；动态仿真；PID控制自控控制综合设计电梯液压系统的设计：2010级机电子专业第一章 设计题目及要求1、设计题目简介1.1、电梯液压系统的设计

7、在以前的液压电梯系统中，很多都采用单缸支承，由于重载液压电梯的轿厢尺寸一般较大, 综合结构刚度较差，这种支承方式偏载较大时会严重影响电梯的运行平衡性, 加剧导轨的磨损。本论文中采用双缸支承电梯轿厢如图1-1，这种方式在电梯运行时，两个液压缸同时对轿厢提供牵引力，这样即节约了在电梯运行时液压缸的行程，降低了液压缸的制造成本和安装空间，也保证了电梯运行过程中的平稳性和安全性。1为电梯轿厢 2为支承液压缸图1-1 液压电梯结构简图1.2、电梯液压系统的建模在完成液压系统的设计和相关计算后，需要确立系统合适的控制策略，那么首先要建立系统的数学模型。由于液压电梯液压系统具有长行程、 变负载、变液容以及由

8、于油温变化引起变泄漏的特点，直接由其机理推导出数学模型相当复杂。本论文中采用拓扑原理建立系统的数学模型，即先根据系统的总体结构建立液压系统的拓扑结构图，将系统分成若干个可以独立的子系统，然后再分别建立每个子系统的数学模型，最后再根据拓扑结构组合成整个大系统的数学模型。这种建模方法不仅降低了建模的复杂程度，节省了建模的时间，而且这种模型在出现问题时更利于改进。1.3、电梯液压系统的仿真建立起电梯液压系统的数学模型后，就需要对根据数学模型来建立系统的仿真模型。本文中采用MATLAB中的Simulink来对系统进行仿真，并且把整个系统分为三个子系统：液压泵、单向阀和调速阀组成供子油系统；液压桥和液控

9、单向阀组成调整子系统；三级同步液压缸构成运行系统，下面对三个子系统分别建立仿真模型，然后再组成1系统的总体仿真模型，进行仿真，这样具有很强的可观性和内部可移植性，给程序调试和设计带来很大方便。在对系统仿真过程中，对系统输入了阶跃的流量信号和一个调速信号，系统输出为液压缸的速度、压力和位移曲线。1.4、电梯液压系统的PID控制在对电梯液压系统进行了仿真后，得到了液压缸运行的速度、压力和位移曲线，分析各级缸筒的曲线，可以看出液压缸的缸筒的各级速度曲线总体运行都符合设计要求，但是缸筒速度的振动较大，这使得电梯不能稳定的运行。综合考虑，对电梯液压系统加入了PID控制器，以减少液压缸速度运行的误差。在加

10、入了PID控制器后，液压缸缸筒在启动过程中的调整时间减少，速度变得平稳，增加了电梯运行的平稳性和舒适性。2、设计要求2.1、液压电梯的性能要求：电梯工业经过多年的发展，在电梯制造与安装安全规范、电梯技术条件、电梯试验方法、电梯钢丝绳、电梯轿厢、井道、轿厢等各方面都已形成各种严格的技术要求和安装规范，己形成统一的国家标准11。液压电梯除了要满足这些要求外，在电梯性能方面，也需要满足以下几项指标：1）、安全可靠性、稳定性液压电梯作为一种载人的交通工具，安全性要求十分重要，电梯要求故障率小，应急设施齐全，在任何正常工况(负载变化、油温变化、电网扰动)下，均能按要求的运行曲线反复保持可靠地运行，不得有

11、漏油现象。2）、经济性液压电梯结构简单，装拆方便，维护费用低廉，是其保持强有力的市场竞争的根本。3）、舒适性特别对于乘客液压电梯，其舒适性的好坏至关重要。人们常常将上浮感、下沉感、不稳定感等统称为不舒适感，产生这种不舒适感的主要原因是人对垂直运动往往比较敏感，尤其是在电梯的加速或者减速段。2.2、设计的基本要求：（1） 能用MATLAB分析液压电梯的工作原理。（2） 能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标。（3） 能灵活应用MATLAB分析系统的性能。（4） 熟练使用Simulink来建立系统运行的仿真模型，获得系统运行的速度和压力的图像，分析液压系统运行的平稳性和可靠性。2第二章

12、设计目的及意义1、理论联系实际，加强对自动控制理论的理解。锻炼学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。2、熟悉并掌握MATLAB软件在控制系统设计当中的应用（能熟练进行系统建模、性能分析、模型仿真等操作）。3、掌握控制器的单片机实现方法，了解控制算法的具体实现及单片机软件仿真过程。4、培养创新意识，增进对科学技术的兴趣。5、培养严肃认真的工作态度。 第三章 建立数学模型液压电梯中用得最多的液压系统是节流调速系统。本液压系统也采用节流调速系统, 上行时为旁路节流调速, 下行时为回油节流调速, 液压系统原理见图3-1。1. 泵 2. 电机 3. 单向阀 4. 电磁溢流阀 5. 比例流量阀 6. 手

13、动节流阀 7, 8. 比例节流阀 9、10. 液压轿 11, 12. 电控单向阀 13, 14. 油缸15. 手动下降阀 16. 回油滤油器 17. 进油滤油器 18. 高压滤油器 19. 压力表开关 20. 压力表 21. 油箱 图3-1 液压电梯液压系统原理图液压电梯的液压传动系统包括:液压泵站，即电机、油泵、油箱、控制阀、油缸，动3力执行元件、牵引装置。3.1电梯上行的数学模型电梯上行的时候，电机拖动液压泵正常供油，调节比例流量阀进行旁路节流调速，来控制电梯启动上行的速度，使得电梯轿厢进行匀加速运动，保证电梯运行平稳。电梯上行时，电磁溢流阀失电，溢流阀不溢流。手动节流阀在电梯试验运行时用

14、来调整双缸液压管路的沿程压力损失，在电梯正常工作时，手动节流阀相当于通流管路。3.1.1 泵的数学模型用液压泵的型号为GR608M - 600，转速为1500r/min，油泵的模型简图如下图3-1所示，设进口油压为，出油口的压力，考虑到油液的泄露量和可压缩性，可以建立如下的子模型：其中：液压泵的实际流量;液压泵的理论流量;液压泵的液导;液压泵的出口容积;油液体积弹性模量。泵的液导取经验值为：泵出口容积为：油液的弹性模量取：取进口压力为：将以上参数代入模型中，可以得到如下方程：3.1.2 单向阀的数学模型在液压系统中，忽略单向阀开启动态特性，单向阀一打开，其作用就相当于一个液阻元件，将单向阀的液

15、阻简化成线性液阻，其模型形式(流量方程)为:式中：通过单向阀的流量单向阀液阻4 单向阀进口压力 单向阀出口压力则单向阀流量方程为：3.1.3 比例流量阀的数学模型比例流量阀是由定差减压阀和节流阀串联而成的组合阀。由于节流阀的刚性差，在节流开口一定的条件下通过它的工作流量受工作负载变化的影响，不能保持执行元件运动速度的稳定，因此仅适用于负载变化不大和速度稳定性要求不高的场合。由于工作负载的变化很难避免，在对执行元件速度稳定性要求较高的场合，需要采用比例流量阀来进行节流调速。而比例流量阀是由定差减压阀在负载变化时，对节流阀进行压力补偿，使节流阀前后压力差在负载变化时保持不变24。比例流量阀可以看成

16、是减压阀和节流阀组合而成，那么其模型也可分开看。定差减压阀的模型如下：式中：通过减压阀的流量 定差减压阀的节流阀口流量系数 定差减压阀通流面积 为减压阀的通径 液体密度，此处取 减压阀的进出口压力那么，可以得到模型：节流阀模型如下：式中：通过节流阀的流量5节流阀的液阻 节流阀的液导、节流阀的进出口压力节流阀模型为：3.1.4 液压桥的数学模型由于比例节流阀只能单向通流，所以需要和单向阀搭配组成液压桥，这样在电梯上行或者下行时，比例节流阀都能正常工作。两个液压缸的同步运动就是靠调节此处两个比例流量阀来实现的。建立液压桥的模型可以分开看成两个单向阀和一个比例流量阀组成的。此处单向阀相当于一个液阻，

17、单向阀的模型可以得到：式中：通过单向阀的流量 单向阀液阻 单向阀进口压力 单向阀出口压力则单向阀流量方程为：节流阀是一种最简单又最基本的流量控制阀，它是借助于控制机构使阀心相对于阀体孔运动，以改变阀口的过流面积从而调节输出流量的阀类。在本系统中，手动节流阀是用来调节流量以消除调整双缸液压管路的沿程压力损失。在液压系统中，节流阀可看成一个阻尼器，建立模型过程中可以把节流阀看成一个简单的线性液阻，其模型如下：式中：通过比例节流阀的流量 比例节流阀的液阻 比例节流阀的液导6比例节流阀的进出口压力那么，其模型如下：其另外一个单向阀的模型为：其中：比例节流阀的进出口压力3.1.5 液控单向阀的模型在液压

18、大系统中若忽略液动力、库仑摩擦、粘性阻尼和阀心重力的影响，可将液控单向阀的流量方程进行简化，得到如下模型：式中：液控单向阀综合流量系数，为液体的雷诺数，此处取管道的雷诺数位1500，那么 液控单向阀的进出口压力那么，液控单向阀的模型可以写成：3.1.6 液压缸的数学模型1.缸筒IV-环节从弹性液体流量连续性方程，可以得到泵输出流量到缸的压力变化过程的动态微分方程式:上式中的容腔包括两个部分:一是基本固定不变的管路容腔容积;二是随缸筒伸出位移的变化而变化的容腔容积，所以，可以表示成：再把代入上式中可得：运动方程该环一节分析缸筒的受力情况，受力图如图3-3，7 图3-3 液压缸缸筒受力分析其中摩擦

19、力计算如下：将己知量带入计算合成方程组为，化简得：式中：液压缸的液压腔3的压力液压缸的液压腔2的压力液压缸的液压腔1的压力 液压缸的第级缸筒的相对速度 缸筒与的距离 输入到液压腔3的流量2.缸筒-环节缸筒-环节和上述的缸筒IV-环节相似，那么可以用相同的方法获得其模型如下：式中：液压缸的第级缸筒的相对速度 缸筒与的距离83.缸筒-柱塞环节缸筒-柱塞环节和上述的缸筒缸筒-环节相似，那么可以用相同的方法获得其模型如下：式中：液压缸的柱塞的相对速度 缸筒与柱塞的距离3.2 电梯下行的数学模型电梯下行是靠电梯轿厢里面得负载和轿厢的自重提供电梯下降的动力。当有下行召唤信号出现时, 打开电控单向阀, 液压

20、油从液压缸中流出，经过液控单向阀、液压桥，和比例流量阀流回油箱，此过程中调节比例流量阀就能实现电梯的回油节流调速。在电梯下行过程中，电控单向阀得电后反向通流，相当于一个通流的油管，所以此处可以不考虑液控单向阀的模型。而对于液压缸来说，相当于对液压缸输入一个负的流量，从而使得液压缸中的流量减少，所以液压缸的总体模型都不变。液压桥和液控单向阀的模型也基本不变。第四章 电梯液压系统的动态仿真经过对具体工况的分析，设计计算出了满足运行条件的电梯液压系统，并且根据流量和压力的关系建立了各个液压元件的模型，建立完系统的数学模型之后，要对系统的动态特性进行分析，即对系统各个工作阶段进行动态仿真分析，仿真过程

21、中，使用的是Matlab中的Simulink，通过用Simulink来建立系统运行的仿真模型，获得系统运行的速度和压力的图像，分析液压系统运行的平稳性和可靠性。4.1电梯上行时液压系统的仿真分析根据实际电梯的运行情况分析可知，电梯上行过程一般分为电梯启动的匀加速运动阶段、电梯上行匀速运动阶段、电梯停止的匀减速运动阶段。在上行的这三个过程中，液压系统的基本模型是不变的，只是输入到液压缸的液压油流量变化，然后实现了电梯轿厢速度的变化。在电梯上行的过程中，我们根据上一章建立的液压系统模型拓扑结构图，可以把整个系统分为三个子系统：液压泵、单向阀和调速阀组成供子油系统；液压9桥和液控单向阀组成调整子系统

22、；三级同步液压缸构成运行系统，下面对三个子系统分别建立仿真模型，然后再组成系统的总体仿真模型，进行仿真，这样具有很强的可观性和内部可移植性，给程序调试和设计带来很大方便28。在此过程中采用了液压泵输入恒定流量信号，通过调节调速阀对系统进行旁路节流调速。4.1.1 供油子系统的仿真模型供油子系统由液压泵供油，流经单向阀，并由调速阀进行流量的调节输出的流量供给系统的运行，可以设这个系统供出的油量为。此系统输入为和比例流量阀的通流直径，输出为。这个系统的数学模型Subsystem数学模型如下:消去系统模型中的过渡部分，可以得其仿真模型框图Subsystem3如图4-1：图4-1 供油子系统的仿真框图

23、4.1.2 液压桥和液控单向阀组成调整子系统的仿真模型液压油由供油子系统提供，依次流经液压桥的单向阀、比例节流阀、单向阀和液控单向阀32。这个子系统的输入为、，输出为。这个系统的数学模型如下：10消去系统模型中的过渡部分，可以得其仿真模型框图Subsystem4如图4-2：图4-2 调整子系统的仿真框图4.1.3 三级同步液压缸构成运行系统的仿真模型对于三级同步液压缸构成运行系统，系统的输入为经过调整子系统调整的液压油，流量为，输入压力为调整子系统的输出的压力。由于三级同步液压缸的模型较为复杂，我们可以将同步液压缸分三级进行讨论，分别建立仿真模型：1.缸筒IV-环节消去系统模型中的过渡部分，可

24、以得其仿真模型Subsystem框图如图4-3：图4-3 缸筒IV-环节的仿真框图2.缸筒-环节11消去系统模型中的过渡部分，可以得其仿真模型Subsystem1框图如图4-4：图4-4 缸筒-环节的仿真框图3.缸筒-柱塞环节消去系统模型中的过渡部分，可以得其仿真模型Subsystem2框图如图4-5：图4-5 缸筒-柱塞环节的仿真框图根据以上各环节分析，可以得到液压缸的仿真模型如图4-6：12图4-6 液压缸的仿真模型框图根据系统的拓扑结构和对每个子系统的分析，得到系统的仿真模型如图4-7：仿真的部分结果如下所示：13Scope.p8示波器图形Scope.v1示波器图形Scope.s3示波器

25、图形图4-7 电梯上行液压系统的仿真框图4.1.4 电梯上行液压系统的仿真14在电梯上行时，液压泵输入为一个阶跃信号，而比例流量阀的通径大小输入为一个反向的梯形信号，系统的速度的调节主要是依靠比例流量阀的通径大小的调节的。而液压缸是三级同步液压缸，故在研究液压缸活塞运动时需要讨论液压缸的每一级柱塞的运动的速度、位移和压力，才能更好的分析电梯液压系统的运行效果并作出合理改进。下面是对系统输入的流量曲线和比例流量阀通径变化曲线如图4-8、图4-9。 图4-8 系统的输入流量曲线 图4-9 比例流量阀的通径变化曲线4.2 电梯上行液压缸的速度曲线根据系统的仿真模型，对电梯液压系统输入相应的流量信号和

26、调速信号，可以获得液压缸的速度曲线如图4-10： 图4-10 各级液压缸的速度曲线 图4-11 各级液压缸的速度放大曲线由图上可知，各级液压缸的绝对速度是成倍增加的，满足三级同步液压缸的各级活塞缸同步运动的要求。但是对曲线放大来看如图4-11，速度的振动较大，还不够平稳，这样不利用电梯的平稳运行。为此我们将在下一章讨论改进系统使速度运动平稳。4.3 电梯上行液压缸的位移仿真曲线电梯在运动过程中，各级缸筒的位移曲线是直接反应电梯移动的曲线，可以从曲线15中看出电梯运行的平稳性和误差，从而可以更方便对电梯进行调整。在液压电梯的运行过程中，由于电梯的支承方式是双缸同步支承，所以在考虑电梯运行误差的时

27、候，应该把液压缸的位移误差放大一倍，这样才能合理的改善电梯的运行。同步伸缩液压缸的各级缸筒伸出的相对长度是相等的，而其位移则是逐级累加的，所以可以得到如图4-12所示的曲线，下面曲线合理反映了各级缸筒的位移，且各级位移满足电梯的运行要求。图4-12 各级液压缸的位移曲线第五章 电梯液压系统的PID控制在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控

28、制量进行控制的。PID控制主要是将系统误差的比例(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。5.1 PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理图如图5-l所示，由模拟PID控制器和被控对象组成。图5-1 模拟PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差： （5-1）16 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，其控制规律为： （5-2）或写成传递函数的形式 （5-3）式中：时刻的控制量 比例系数 积分时间常数 微分时间常数简单说

29、来，PID控制器各校正环节的作用如下:(1)比例环节即时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，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时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，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，减小调节时间。5.2 位置PID控制算法在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻

30、的偏差值计算控制量，因此式(5-2)的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。以一系列的采样时刻点代表连续时间，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作以下近似变换: （5-4）式中，T采样周期。离散化过程中，采样周期T必须足够短,才能保证有足够的精度。为书写方便，将简化表示成，即可得到位置式PID控制算法:17 （5-5）或 （5-6）式中：采样序号，；第次采样时刻计算机输出值； 第次采样时刻输入的偏差值； 第次采样时刻输入的偏差值； 积分系数；微分系数；图5-2为位置式PID控制算法的原理图。图5-2 位置式PID控制算法原理图5.3 扰动作用下控制系统的设计以上讨论的问题，仅仅是针对

31、控制系统的参考输入而设计的，实际的控制系统中，除了参考输入外，常常还有扰动的作用。干扰几乎在任何地方都可以进入系统，为零便于讨论计算，在这里将干扰归并在执行机构和被控对象之间，如图 5-3图5-3 存在干扰作用下的控制系统由于负反馈控制系统的自动调节作用的有点，按照前面方法只针对参与输入所设计的模拟控制器，对抑制弱干扰动作的影响是很有效的，但在强干扰动作下，则需要修改原设计。下面，我们就针对强干扰动作下控制系统的设计：根据线性系统的叠加原理，系统只存在扰动时的输出响应为18其中 则系统输出对扰动的闭环Z传递函数为：从而可设计出所需的数字控制器：再根据系统运行的实际情况，确定设计中针对的干扰输入

32、作用信号，并以消除干扰所引起的输出响应的要求（如无稳态误差、最快速的瞬变响应、稳定性等）为目的，同时保证控制器的物理可实现性原则，来确定输出对扰动的闭环Z传递函数以及所需的数字控制器。5.4 数字PID控制算法的改进在普通的PID控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统会产生很大偏差，加上系统经常有滞后，会造成PID运算的积分积累，致使计算所得的控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量，最终常会产生严重的积分饱和现象，这往往造成很大的超调和长时间的振荡，这是某些生产过程中绝对不允许的。为了克服这个缺点，可以采用积

33、分分离手段，即在被控量开始跟踪时，取消积分作用，而当被控量接近新的给定值时才将积分作用投入。采取这一措施后，可以充分发挥积分作用在消除静差、提高精度方面的优点，避免由于加强积分作用而带来的系统稳定性变化和最大偏差增大的缺点。积分分离控制算法可表示为: （5-7）式中，积分项的开关系数 （5-8）积分分离控制的具体实现步骤:(1)根据系统实际情况设置分离用的阈值。(2)当时，也即偏差值比较大时，删除积分作用，采用PD控制，可以避免过大的超调，又使系统有较快的响应。(3)当时，也即偏差值较小时，方引入积分作用来消除静差，系统采用PID控制，这样，可以使控制量不易进入饱和区;即使进入了，也能较快退出

34、，所以19系统的输出特性得到了改善。根据积分分离式PID控制算法得到其程序框图如图5-4所示:图5-4 积分分离式PID控制算法流程5.5 液压电梯液压系统的PID控制器的设计与仿真电梯在运行过程中，虽然速度的总体运行趋势不变，但是速度的振动较大，这使得电梯不能平稳运行。所以需要对电梯液压系统进行改进，这里可以在系统加入PID控制器，减少系统的稳态误差，从而保证电梯的平稳运行。5.5.1 PID控制器设计电梯液压系统框图如图5-5所示，当外负载变化或系统挠动引起的液压缸的速度压力发生变化时，传感器将测得的信号经过A/D，与给定的控制信号相比较，比较所得的偏差信号作为控制器的输入，控制器的输出作

35、为控制量经过D/A转换，通过放大器后作用在输入流量上，通过调节比例流量阀的通径的大小，来改变系统输入到液压缸中的流量，使液压缸能够克服外负载的干扰，保持稳定的速度和压力。图5-5 电梯液压系统PID控制框图20针对本系统，采用积分分离PID控制器，设定不同的阈值作为积分项的开关系数。当误差时，将积分项删除，采用PD控制，当误差时，加入积分环节来消除系统的静差。5.5.2 采样周期的确定计算机控制系统是一种离散时间控制系统，因此采样周期的确定就显得尤为重要。从保持信号完整及控制系统随动的性能来看，要求采样周期短些，这样给定值及系统输出反馈可以迅速通过采样得到反映，而不致在随动控制中产生大的时延。

36、然而另一方面，采样频率也并非越高越好，过高的采样频率可能会产生高频干扰，降低采样信号的质量。根据香农(Shannon)采样定理，信号采样频率，只需满足式(5-9) （5-9）式中：被采样信号的最高频率而对于一个闭环控制系统，它的频带是有限的，当被控对象输出中某个分量的频率高于系统闭环频带时，它的模值将被衰减，在整个输出信号中所占比例很小。所以采样频率可以依据系统的闭环频带来确定，即把闭环频带看作是信号最高频率，故采样频率应高于闭环频带2倍以上。工程应用时，考虑到高于闭环频带的信号分量对低频分量的影响，为减少混叠现象，常应根据式(5-10)选取： （5-10）式中：系统闭环频带根据经验，系统闭环

37、频宽近似等于系统开环穿越频率。未加控制器前的系统频带宽度约为1Hz，该液压系统换向频繁，周期较小，为系统输出反馈可以迅速通过采用得到反映，因此控制系统的采样频率尽量要选小一些:从而可以确定系统的采样时间为5.5.3 PID控制器参数整定调节控制器的参数，必须根据工程的具体问题来考虑。在工程控制领域中，要求被控过程是稳定的，对给定量的变换能迅速的、光滑的跟踪，超调量小，在不同的干扰下系统输出应能保持在给定值，控制的变量不易过大。在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定。显然，要同时满足上述的要求很难，必须根据实际兼顾其它方面。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，、的作用如下

38、:（1）比例系数的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，越大，系统响应速度就越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会降低系统的调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静21态、动态特性变坏。(2)积分作用系数的作用是消除系统的稳态误差。越大，系统的静态误差消除越快，但过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。（3）微分作用系数的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑止偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而

39、延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。5.5.4 电梯液压系统PID控制器仿真由前述内容可知，电梯液压系统数学模型中，液压泵的输出的阶跃变化的流量和比例流量阀的通径变化是系统的输入信号（可以看成是泵和比例流量阀组成的一个变化的流量输入信号），系统的输出量是三级同步液压缸的各级缸筒的速度、位移和压力。在这几个输出量中，各级液压缸的速度是最直接反应电梯轿厢的运动的平稳性的，而轿厢的速度又取决于输入到系统中的流量，所以本节研究的电梯液压系统PID控制主要是速度的反馈控制。针对电梯液压系统的特点，我们采用如图5-7的所示的PID控制器，采用Simulink中的Switch模块实现仿真过程中积分分离的目的。 图5-7 积分分离PID控制器那么，可以得到液压电梯在加入PID