集成液壓執(zhí)行器的智能控制

房家軍，郁漢琪

(南京工程學(xué)院，江蘇 南京 210000)

1 集成液壓執(zhí)行器的智能控制的發(fā)展現(xiàn)狀

典型的液壓系統(tǒng)是以液壓缸為執(zhí)行器的,在這個(gè)系統(tǒng)中加入位移傳感器、壓力傳感器及控制器就能構(gòu)成位移及壓力的閉環(huán)控制系統(tǒng)。它具有液壓伺服系統(tǒng)的一般性優(yōu)點(diǎn),能滿足多數(shù)應(yīng)用要求[9]。位置閉環(huán)控制是線性液壓傳動(dòng)在不同機(jī)器和生產(chǎn)設(shè)備中的一種非常頻繁的應(yīng)用。液壓缸可用于兩側(cè)活塞桿或差動(dòng)活塞-差動(dòng)缸。第一個(gè)具有對(duì)稱屬性，第二個(gè)具有非對(duì)稱屬性。閉環(huán)控制應(yīng)保證定位的準(zhǔn)確性。利用反饋和合適的控制器，也可以影響驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的快速響應(yīng)，滿足了很多技術(shù)要求。此外，通常重要的是能夠在不同的模式下操作驅(qū)動(dòng)器，例如，在向后高速運(yùn)動(dòng)的情況下，可以切換到力控制。目前伺服驅(qū)動(dòng)的典型實(shí)現(xiàn)是基于使用精確和高動(dòng)態(tài)的伺服閥，但成本較高。如果采取基于比例閥的使用，則成本易于接受。

伺服閥廣泛應(yīng)用在伺服系統(tǒng)中，是將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓信號(hào)的關(guān)鍵元件，伺服系統(tǒng)的品質(zhì)直接受到伺服閥性能的影響[10]。這兩種類(lèi)型的閥門(mén)通常使用具有4個(gè)控制邊緣的線軸，它代表可變的液壓阻力，從液壓回路結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，構(gòu)建了完整的液壓惠斯通橋[1，5，6，8]。圖1顯示了使用4個(gè)可變液壓阻力控制液壓缸的情況，這4個(gè)阻力代表了伺服閥線軸的4個(gè)控制邊緣。白色填充箭頭表示控制邊沿正方向通過(guò)線軸運(yùn)動(dòng)打開(kāi)，黑色填充箭頭表示控制邊沿負(fù)方向通過(guò)線軸運(yùn)動(dòng)打開(kāi)。

圖1 使用具有可變4個(gè)控制邊的控制閥控制液壓缸

由于4個(gè)控制邊是使用一個(gè)線軸實(shí)現(xiàn)的，因此所有的液壓阻力都會(huì)同時(shí)改變其值——根據(jù)線軸位置Xs的不同，橫截面面積。根據(jù)線軸類(lèi)型的不同，開(kāi)口是相同的，或者，如果使用特殊的線軸，它們可以在控制邊緣的兩對(duì)的給定比例上有所不同。采用4個(gè)比例流量閥實(shí)現(xiàn)全液壓橋，可以分別控制每個(gè)閥門(mén)，并針對(duì)不同的控制任務(wù)設(shè)置不同的控制算法。它們用于液壓缸的位置控制和下一個(gè)控制任務(wù)將在下面內(nèi)容中介紹。

2 閥門(mén)控制線性加速器的數(shù)學(xué)模型

帶有閥門(mén)控制液壓缸和電源裝置的液壓回路的結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于技術(shù)的發(fā)展，在許多應(yīng)用中都要求活塞桿耗盡氣缸的垂直位置。圖2標(biāo)記了描述液壓驅(qū)動(dòng)狀態(tài)的主要變量。

圖2 垂直位置帶有閥控差動(dòng)缸的液壓回路

可以使用描述液壓回路主要部件的數(shù)學(xué)模型來(lái)分析液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性: 差動(dòng)液壓缸、控制閥、具有液壓能力的電源裝置。該傳動(dòng)裝置的不對(duì)稱性是由于活塞和環(huán)形側(cè)不同面積造成的幾何不對(duì)稱性引起的，其特點(diǎn)是面積比不同：

(1)

氣缸室中壓力不對(duì)稱的補(bǔ)償是可以實(shí)現(xiàn)使用閥門(mén)與軸與不同的流量范圍SVA，SVB的特點(diǎn)是比率：

(2)

對(duì)液壓執(zhí)行器性能的分析來(lái)自于各部件的數(shù)學(xué)模型。液壓缸用運(yùn)動(dòng)方程[3，7]描述：

(3)

其中FT是庫(kù)侖摩擦力，b是粘性摩擦系數(shù)。氣缸室中的壓力由兩個(gè)微分方程定義：

(4)

(5)

液壓容量取決于箱體體積和體積模量K:

(6)

QL、QLA、QLB描述了內(nèi)漏流和外泄漏流，h是氣缸的沖程。通過(guò)方程描述了每個(gè)控制邊緣的通過(guò)控制閥的流量

(7)

i=PA，AT，PB，BT.

常數(shù)B描述了閥孔流動(dòng)增益，xs是線軸位置。線軸動(dòng)力學(xué)可以用具有時(shí)間常數(shù)Tsv和阻尼比ξsv的二階項(xiàng)進(jìn)行建模，這與線軸的運(yùn)動(dòng)方程相對(duì)應(yīng)

(8)

其中u是唯一的控制閥的命令信號(hào)。

流量氣通過(guò)不同的控制邊緣PA、AT、PB、BT取決于相應(yīng)控制邊緣上的實(shí)際壓降ΔPi，這就導(dǎo)致了執(zhí)行器的不對(duì)稱行為--腔內(nèi)壓力不對(duì)稱和速度增益不對(duì)稱。腔內(nèi)壓力不對(duì)稱影響最大推拉載荷力。計(jì)算了在比率=2的不同閥門(mén)開(kāi)口的速度-負(fù)載特性，如圖3所示。

在開(kāi)環(huán)中控制的氣缸活塞的非對(duì)稱速度-載荷特性導(dǎo)致活塞速度不同。這意味著開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的速度增益取決于運(yùn)動(dòng)方向-活塞速度[1，3，5]。閉環(huán)位置控制的設(shè)計(jì)必須考慮到這一情況。物理上的增益由運(yùn)動(dòng)的方向不同，并且為此控制的質(zhì)量 (準(zhǔn)確性、跟隨錯(cuò)誤、干擾消除)取決于運(yùn)動(dòng)的方向。圖3中所描述的是差動(dòng)缸的非對(duì)稱特性。

圖3 速度α=2,β=1的非對(duì)稱執(zhí)行器的負(fù)載力特性

特別是在左側(cè)的負(fù)載荷力可以消除使用控制閥與不同的流量面積的特點(diǎn)為比例β。執(zhí)行器具有圖4所示的速度-負(fù)載特性。表1總結(jié)了兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的主系統(tǒng)變量的穩(wěn)態(tài)值，并考慮了通過(guò)閉環(huán)位置控制的情況[3]。

圖4 速度α=2,β=2的非對(duì)稱執(zhí)行器的負(fù)載力特性

表1給出了比率α和比差β、系統(tǒng)壓力P0、特定電壓流動(dòng)QJMEN和壓實(shí)PJMEN所表征的亞速反應(yīng)器系統(tǒng)變化的穩(wěn)態(tài)值。

表1 主系統(tǒng)變量的穩(wěn)態(tài)值

3 四閥控制

圖5顯示了使用4個(gè)獨(dú)立的液壓電阻R1、R2、R3、R4控制的差動(dòng)缸的液壓電路，它們可以構(gòu)成完整的惠斯通橋。電阻的值通過(guò)輸入信號(hào)u1、u2、u3和u4進(jìn)行控制。可以分別控制進(jìn)入氣缸左右室的流動(dòng)，從而用氣缸實(shí)現(xiàn)可變?nèi)蝿?wù)。也可以只使用3個(gè)、兩個(gè)或一個(gè)電阻來(lái)控制氣缸。

圖5 使用4種獨(dú)立的液壓阻力控制液壓缸

4個(gè)輸入信號(hào)u1、u2、u3和u4允許單獨(dú)或分組操作電阻-兩個(gè)電阻R1和R2，接下來(lái)兩個(gè)電阻R3和R4作為兩個(gè)3/3控制閥。閥門(mén)配置提供了不同的控制選項(xiàng)，驅(qū)動(dòng)的最終特性只取決于合適的控制信號(hào)的生成。

智能生成的控制信號(hào)u1、u2、u3和u4允許:①控制由使用的經(jīng)典的 4/3控制閥。 ②對(duì)差動(dòng)缸不對(duì)稱特性的補(bǔ)償。③位置控制。④速度控制。⑤力量控制。⑥將這些任務(wù)組合在相同的控制閥上。⑦采用兩座半橋 (如B室) 的組合控制，平衡重力，通過(guò)A室控制活塞運(yùn)動(dòng)。

在試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)所述液壓控制電路的功能進(jìn)行了測(cè)試，并在下面內(nèi)容中介紹了設(shè)計(jì)的液壓執(zhí)行器取得的一些成果。

4 集成執(zhí)行器

液壓全惠斯通橋采用四種比例固體操作的雙向彈簧閥實(shí)現(xiàn)。圖6顯示了數(shù)據(jù)表中使用的閥門(mén)的參數(shù)。這些閥門(mén)的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)它們關(guān)閉時(shí)，每個(gè)閥門(mén)都起到止回閥的作用，從連接點(diǎn)1到連接點(diǎn)2可能會(huì)有流量。在相反的方向閥門(mén)是關(guān)閉的。通過(guò)控制，打開(kāi)從2到1的流動(dòng)路徑，流量取決于輸入信號(hào)。該閥門(mén)允許低泄漏堵塞，也適用于負(fù)載。

圖6 比例流量控制閥，目錄數(shù)據(jù)

4個(gè)比例閥是在液壓缸的一個(gè)組成部分的歧管中制造的[4]。試驗(yàn)臺(tái)上的集成液壓執(zhí)行器如圖7所示。

圖7 集成液壓執(zhí)行器

在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量了不同閥門(mén)開(kāi)口的靜態(tài)特性P-Q和Q-U特性，并利用抖動(dòng)信號(hào)盡可能地補(bǔ)償了所獲得的滯后性。通過(guò)控制算法的設(shè)計(jì)，考慮了閥門(mén)的測(cè)量實(shí)際性能，所使用的控制器盡可能地補(bǔ)償了閥門(mén)的非線性。

采用3種控制系統(tǒng)對(duì)四比例控制閥的線性液壓執(zhí)行器進(jìn)行控制。第一個(gè)是實(shí)驗(yàn)室控制系統(tǒng)，第二個(gè)控制系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為嵌入式控制系統(tǒng)，最后還對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試?；钊恢檬褂脦в袛?shù)字輸出信號(hào)的集成位置傳感器進(jìn)行測(cè)量。

控制器和位置傳感器之間的通信是使用CAN總線的。利用串行線將嵌入式控制系統(tǒng)連接到PC機(jī)，對(duì)控制算法進(jìn)行參數(shù)化，并觀察測(cè)量數(shù)據(jù)。通過(guò)使用工業(yè)控制器進(jìn)行控制，取得了較好的效果。

實(shí)現(xiàn)的控制算法允許在兩種基本模式下控制液壓執(zhí)行器:開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制。

活塞位置使用控制算法進(jìn)行控制，該算法控制所有4個(gè)比例閥。對(duì)于4個(gè)比例閥，命令值在4個(gè)命令值u1、u2、u3和u4中拆分。控制算法還補(bǔ)償了它們的非線性，保證了實(shí)現(xiàn)所需的定位精度。單獨(dú)控制每個(gè)控制閥的可能性允許使用命令信號(hào)實(shí)現(xiàn)差動(dòng)缸的補(bǔ)償，也可以實(shí)現(xiàn)其他控制任務(wù)，如非常精確的位置控制、壓力控制、使用和控制比例閥作為安全閥[2，3]。由于非線性比例閥特性和重疊補(bǔ)償?shù)木€性化，這些所有的控制變量都是可能的。

圖8給出了使用工業(yè)控制系統(tǒng)的位置控制測(cè)量結(jié)果。

工業(yè)控制系統(tǒng)還涉及用于控制比例閥的電子電路和輸出放大器。在許多工業(yè)應(yīng)用中，具有作用的外部負(fù)載力所實(shí)現(xiàn)的位置控制的精度是可以接受的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所提出的線性液壓執(zhí)行器由4個(gè)比例控制閥實(shí)現(xiàn)的全液壓橋控制，可實(shí)現(xiàn)位置，速度和力的控制。所述概念的優(yōu)點(diǎn)還在于簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)了諸如定位，高速后退運(yùn)動(dòng)和力控制的組合任務(wù)。驅(qū)動(dòng)功能的變化只在控制水平上使用特定的控制算法，運(yùn)行于相同的液壓電路。另一種控制概念是基于通過(guò)單獨(dú)的比例控制閥獨(dú)立控制兩個(gè)氣缸室，這些比例控制閥直接集成在氣缸上的歧管中。在利用數(shù)學(xué)模型和仿真進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行了解釋。

該控制器可以集成到機(jī)器的控制系統(tǒng)中，也可以作為分層控制系統(tǒng)的一部分，作為獨(dú)立的控制器實(shí)現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)上試驗(yàn)得到的測(cè)試結(jié)果證實(shí)了執(zhí)行器滿足閉環(huán)控制液壓驅(qū)動(dòng)許多工業(yè)應(yīng)用要求的能力。

圖8 使用工業(yè)控制系統(tǒng)的閉環(huán)位置控制測(cè)量結(jié)果