技术干货分享｜基于可编程控制器的液压加载系统

01概述

由于液压技术的突出优点，从民用到国防、从一般系统到高精确度控制系统，都得到了广泛应用。液压加载系统是以油泵、伺服调节阀、液压缸为核心，并以液压油为介质来实现力和位移的输出。辅助设备把上述部分连接成一个完整的液压系统。并起到贮油，过滤，测量等作用。辅助设备包括：管路，接头，油箱，滤油器，蓄能器和显示仪表等。

本液压加载系统采用可编程控制器（PLC）作为控制单元，利用数字PID控制算法实现加载的精确控制。控制单元具有加载过程的自动调控，自动保护和故障 警等功能，并将过程数据通过以太 接口上传到计算机管理系统，计算机终端进行显示和存储。便于用户对试验过程进行监控。

02工作原理

液压加载系统主要通过改变介质压强来增大或减小油缸作用力。油泵将机械能转化为液压油的压力势能。计算机系统将加载目标值（力或位移）通过 络下发至PLC控制单元，控制单元通过PID算法自动控制伺服阀开度大小，进一步调节油液的压力、流量和流动方向。油缸将经由伺服调节阀输入的油液压力势能转换为带动工作结构的机械能，从而实现加载功能。PLC同时控制液压油站的运行过程，如油泵的启停、电磁阀的切换等。基本控制原理如图1

图1 控制原理图

图2 液压系统原理图

为保证液压加载系统的高响应性和高控制精度，液压加载系统采用倍福品牌CX2030高性能嵌入式控制器作为控制单元，任务循环周期可达1ms,非常适合液压系统等快速过程的控制。控制器配备1.5GHz Intel? Core? i7 双核CPU，标配40G CFast闪存卡。除CPU 和芯片组之外，基本模块还包含主内存。CX2030的主内存大小为2GB，也可以选择配备4GB的内存。CPU还装配有128 kB NOVRAM保存数据型内存，掉电后数据保持。

控制器利用内部集成的PID控制算法模块实现加载过程的精确控制，既可利用数字PID控制算法实现加载的精确控制，又可通过软件系统提供的丰富的PID控制的参数管理、智能调试与状态监测和自动保护等功能，保证了液压加载系统的高性能、高适用性和高可靠性。

液压系统的控制要求压力与载荷相适应，才能既满足工作要求又减少动力损耗，从而达到更加精准的控制。本方案采用高性能液压伺服阀作为压力调节的执行机构图，实现压力调节功能，从而实现对加载力控制的快速响应，确保加载力的高动态响应性能和高稳态精度。

03应用案例

某减速器试验台，需模拟减速器在平衡反扭矩和改变方向操作等复杂工况下所承受的轴向力、剪切力、操纵轴力和位移等。因本液压加载系统具有稳定度高，控制精度高，响应快和容易控制等优点，而在此试验台设计过程中被采用，并进一步通过严苛的试验过程验证了系统的优越性能。试验数据如下所示：

a)轴向力控制

8000-10000N响应曲线

以上数据结果显示，轴向加载力在载荷上升至目标值过程中表现平稳，各个加载区间内超调量＜1% FS。到达稳态后，测试范围内无明显波动或突变发生，控制精度＜0.5% FS。

b)剪切力控制

500-940N响应曲线

剪切加载力在载荷上升至目标值过程中，几乎无超调发生。到达稳态后，测试范围内无明显波动或突变发生，控制精度＜1 % FS。

c)操纵轴位移控制

±30mm范围位移曲线

操纵轴在±30mm范围内往复运动过程中，位移曲线平滑无毛刺出现。能在+30mm和-30mm准确停止，并继续向相反方向运动，超调量＜0.5mm，满足设计要求。

04总结

基于PLC控制的液压加载系统，充分利用了PLC的控制能力和PID算法功能模块，在力和位移的加载应用中表明，系统全过程能够实现精确控制，轴向加载力控制精度＜0.5% FS，径向加载力控制精度＜1 %FS。位移控制超调量＜1% FS，完全满足测试台系统对液压加载系统要求。

能科股份开发的基于可编程控制器的液压加载系统，已广泛应用于能科股份的各类航空发动机零部件试验台项目中。该系统控制精度高，可以精确的实现加载力控制和位移控制；智能化程度高，控制过程无需人工干预，方便用户操作。基于可编程控制器的液压加载系统，可广泛的应用于各行业的相关设备与机构的液压加载控制领域，具有广泛的应用前景。