硅谷杂志：数字滤波在变转速液压系统中的应用 |
| 2012-12-17 09:16 作者：许 军 彭天好 解甜 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网文】据《硅谷》杂志2012年第19期刊文，主要论述变转速液压系统监控系统构成，该监控系统采用PLC作为下位机控制系统运行，PC机作为上位机远程监控系统运行情况，从软件和硬件两个方面对该系统进行设计。通过实验表明，将数字滤波应用到变转速液压系统中，能够将外界随机干扰的信号过滤掉。该系统对其他液压监控系统有一定借鉴意义。
关键词：数字滤波；变转速液压；PLC；组态
在液压传动及监控系统中，压力、流量、位移、温度、马达及泵的转速等参数直接反映了系统的运行状态，因此需要对这些参数进行实时监测，通过输出某些参数的大小来控制液压系统运行系统的状况[1]。变转速液压调速系统以变频电机作为动力源驱动定量泵，加载泵模拟实际的工作负载，通过对电信号的控制来达到对压力、转速等参量进行控制。以组态和PLC为主的控制器变转速液压调速系统，具有编程容易、形象、直观的人机界面，监控系统具有维护方便、控制简单、稳定性好且响应快，顺应了变转速液压技术的未来发展趋势。
1泵控马达变转速实验系统介绍
泵控马达变转速调速系统是变转速液压调速系统
的一种基本传动系统，主要由电柜、变频器、三相异步电动机、主泵、计算机、PLC、比例溢流阀、比例方向阀和负载泵组合而成。电源经过变频器的转换成某种频率和幅值电压信号提供给三相异步电动机，电动机以一定的速度拖动主液压泵进行旋转，主液压泵输出一定流量的压力油，压力油驱动双向定量马达做回转运动。马达输出轴和转子轴相连，在输出轴的一端和一个加载泵相连，并通过调节溢流阀溢流压力来控制马达的模拟负载大小[2]。在该试验系统中，需要对系统中的4路压力信号、1路马达转速信号；确定各参数的工作范围，参数若超限则组态和PLC监控系统输出报警信号。监控系统根据采集参数的变化，通过建立一定的数学模型和数学算法，控制PLC输出一定的电压信号控制变频器输出电压信号及比例方向阀、比例溢流阀开度，从而实现对监控系统的控制。系统原理图如图1所示。
2监控系统硬件设计
泵控马达变转速调速系统的信号源主要有液压系统的主油泵出口压力传感器信号、马达的进口压力传感器信号、负载泵的进出口压力传感器信号和马达的转速信号。在工作期间，变转速液压调速系统按照设定的控制程序进行。其硬件组成图如图2。
该监控系统选用三菱FX2N-60MR型PLC作为监控的核心单元。该产品具有卓越的性能、串行通讯功能以及紧凑的尺寸、可靠性高、抗干扰能力强、性价比高、维护方便、指令功能强，在解决用户自动化方面有很强的实用性。三菱FX2N-60MR型PLC的输入输出接口为36点输入/24点输出，选用输入模拟模块为FX2N-4A/D，输出模拟模块为FX2N-4D/A，有一个RS-485通信口，用来连接PC机，其电器控制原理图如图3所示。
3系统的软件设计
基于世纪星和PLC泵控马达变转速调速系统的软件包括PLC实时监控系统和工控机远程监控软件，前者主要是实时监测现场的压力及转速数据，利用一定算法实时控制变频器的输出频率，改变主液压泵转速，同时控制比例方向阀的开度和比例溢流阀的工作压力，后者主要实现对现场压力和电动机及变频器运转等的远程监控[3]。
PLC除了控制数字量外，还有对模拟量进行处理和控制。典型的PLC对模拟量处理是将工业系统现场的各种模拟量（压力、流量、位移、温度等）通过传感器采集，并把这些信号转换成一个标准的模拟信号，然后经过A/D模块将这些标准的电量（电压或电流）转换成数
字量，在PLC主机进行处理，但在数据采集过过程中会受到意外的干扰，为了消除工业系统现场的随机干扰信号的影响，通常在硬件上采取一定的措施来减小随机干扰信号的影响，在信号传输过程中采取屏蔽处理，但采取用硬件处理干扰时，会增加系统的成本和系统的复杂度，而在PLC控制系统中采取软件程序来剔除干扰信
号，可以解决这些问题，软件中一般使用数字滤波法来剔除干扰信号，即将模拟量经过A/D转换成数字量进行数字滤波，降低干扰信号对系统的影响。一般数字滤波放在A/D转换之后，采用一定的数学模型，编写PLC程序来剔除干扰信号，剔除干扰信号后在进行数据处理与控制程序，它在PLC控制系统中所处的位置可用图5表示。数字滤波就是对信噪比低的模拟量，经过A/D转换成数字量信号，将这些数据按照一定方法存入PLC主机中，通过建立数学模型和数学算法，剔除外界随机干扰信号，从而提高监控系统采集信号的精度。数字滤波实际上是一种程序滤波，不需要增加任何硬件，但它会增加系统程序的程度，降低系统的运行速度。数字滤波器与RC、硬件等滤波器相比，有自己的优点。
1）数字滤波是建立数学模型，通过某种数学算法剔除随机干扰信号，因此不需要任何硬件设备，稳定性好，也不没有阻抗匹配等问题。
2）数字滤波可以对低频信号的进行滤波，由于模拟滤波器和电容容量有关，因此对低频信号滤波效果较差。
3）数字滤波可以对不同信号建立不同的数学模型和数学算法，从而达到比较好的滤波效果，滤波范围广、灵活等特点。
4）数字滤波程序各个通道可以共享，而模拟滤波器只能对一个通道滤波。
变转速液压监控系统在采集模拟量信号过程中，常常出现外界干扰信号，这时监控系统采集的数据就会出现较大的波动，如果某一时刻干扰信号较大，系统采集的信号会出现一个尖峰，这个尖峰就是外界干扰信号，如果不剔除这些干扰信号，它会使系统采集的数据产生较大偏差。根据概率统计的理论分析，一般的随机干扰信号都符合正态分布，大部分干扰信号都分布在正态曲线的两端，即分布“3σ”之外，根据概率统计的理论，正态分布的数学期望（均值）µ，正态分布的数学方差σ，根据“3σ规则”进行判断，采样的数据落在µ±3σ区间之外可以认为是干扰值，应当予以剔除。在把剩下的数据进行加权平均计算，这钟剔除干扰信号后的数据将更接近于真实值。防脉冲干扰的加权均值滤波法模型就是基于这种思想而产生的，系统每采样一次，就把这个数据存储起来，然后把存储的数据进行数学运算，求出这组数据的数学均值和数学方差，然后根据“3σ规则”对每个采样值进行判断，如果采样值落在µ±3σ区间之外，这样的采样值应该是外界随机干扰信号，把改采样值剔除后，再对余下的采样值进行数学运算，最后的在把数学运算的结果作为本次采样的滤波值。根据监控系统要达到某种运行的目标设定的系统采样时间，当系统采样一次，取n个采样值用数字滤波程序来计算滤波值。每采样一次，前一次采样值就向前移一次，为下次采样值作数字滤波值作准备。根据概率统计理论，设每次采样值为e，则采样值的数学期望µ、均方差σ的算法为：
µ=（3-1）
σ=（3-2）
根据以上原理可得出瞬时干扰的数字滤波法程序框图[4]。如图6所示。
每次采样次数n为10，采样时间为1s，变转速液压系统使用的PLC是三菱PLC，模拟模块选用三菱公司生产FX2N-4AD模块，该模块有转换精度为12位的4个模拟量输入通道，根据数字滤波法的程序流程框图如图6所示，使用三菱GXDeveloper7.0编程软件编写剔峰均值滤波法的程序梯形图。
4实验分析
一个系统的性能好坏最终还是要通过实际应用来证明，对于该变转速液压监控系统主要从以下实验来测试，登录变转速液压监控系统，在控制模块中选择“变转速液压梯形控制系统”，把马达的转速设为正弦，这时需要把D/A输出给变频器电压设为正弦信号，在组态软件编写程序把PLC控制系统输出给变频器的电压为方波信号即可，设马达的目标转速为幅值30r/min，偏移60r/min，周期为36秒。
通过实验分析，数字滤波程序可以消除外界随机干扰信号，能够使监控系统更准确地采集该系统信号，该监控系统性能可靠，达到了设计的预期目标。
致谢
本文得到安徽省教育厅产学研重点项目的资助，项目名称：采煤机变转速液压牵引系统的研究，No：KJ2011A100。特此表示感谢。
作者简介：
许军（1983-），硕士研究生，助理实验室，研究方向：机电液一体化。
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