基于位移傳感閉環(huán)控制的多液壓缸同步研究

譚勇

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司冷軋廠 四川攀枝花617023）

1 前言

隨著工業(yè)和工程的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域廣泛使用多液壓缸驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如冶金行業(yè)、海洋工程，國(guó)防領(lǐng)域，橋梁工程等［1－2］，而且對(duì)同步精度的要求越來越高。

現(xiàn)在，多缸同步控制系統(tǒng)常采用電液伺服閥或電液比例閥的閉環(huán)控制［3］，液壓伺服和比例同步控制系統(tǒng)是指采用各種電液比例閥、電液伺服閥或數(shù)字閥構(gòu)成電液伺服機(jī)構(gòu)［4］。該同步系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是采用閉環(huán)控制模式，可以對(duì)輸出變量進(jìn)行不斷地檢測(cè)和反饋，使輸入信號(hào)、系統(tǒng)類型和系統(tǒng)干擾造成的誤差及時(shí)得到抑制，在滿足快速性和系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的同時(shí)，獲得較高的控制精度。

目前常用控制算法有：PID控制及相關(guān)的改進(jìn)控制算法，自適應(yīng)控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制和智能控制［5］。

2 控制策略選擇

理論上，相同液壓缸輸入流量相同的情況下就能達(dá)到同步，但是實(shí)際中液壓缸制造誤差的不同、負(fù)載的不同、以及控制元件特性差異等會(huì)造成多個(gè)液壓缸出現(xiàn)不同步現(xiàn)象。

一般的液壓同步回路限制了多液壓缸的同步精度，需要使用先進(jìn)的控制器實(shí)現(xiàn)不均勻負(fù)載的液壓缸同步，每個(gè)液壓缸的控制都需要單獨(dú)控制［6］。

液壓同步的控制策略很多，開環(huán)控制采用同步回路，閉環(huán)控制采用“同等方式”和“主從控制”等控制策略。采用閉環(huán)控制往往可以獲得較高的控制精度，為了實(shí)現(xiàn)高精度的同步，研究人員做了大量工作，取得了相關(guān)的研究成果［7－8］。為了獲得較好的同步精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，參考大量相關(guān)文獻(xiàn)以及同類研究經(jīng)驗(yàn)，試采取“主從控制”控制策略和模糊PID相結(jié)合方法。

2.1 控制方式

單個(gè)液壓缸的位移控制如圖1所示，采用電液比例方向閥控制液壓缸的位移，液壓缸的位移傳感器采集位移信號(hào)，位移信號(hào)與設(shè)定位移值的差值作為控制器的控制信號(hào)。

圖1 單缸位移控制方案

采用的是帶電反饋的直動(dòng)型比例換向閥，控制器的控制信號(hào)越大，控制閥芯的位移也越大，即閥芯的行程與電信號(hào)成正比。行程越大，則閥口通流面積和通過的流量也越大。電感式位移傳感器可檢測(cè)出閥芯的實(shí)際位置，并把與閥芯行程成正比例的電信號(hào)（電壓）反饋至電放大器。由于位移傳感器的量程按兩倍閥芯行程設(shè)計(jì)，所以能檢測(cè)閥芯在兩個(gè)方向的位置。PID控制器把用斜坡和階躍函數(shù)發(fā)生器校正過的指令值和實(shí)際值相加。實(shí)際值和指令值的正負(fù)不同，因此，只將指令值和實(shí)際值的絕對(duì)值差值，即誤差信號(hào)，用來作為控制器的信號(hào)。

2.2 控制策略

“主從控制”控制策略，是在多個(gè)液壓缸中選擇其中一個(gè)為主缸，其余油缸設(shè)為從缸，以主缸的輸出作為其他液壓缸的輸入，從而進(jìn)行跟蹤達(dá)到同步的目的，控制方案如圖2所示。

圖2 主從控制多缸同步控制方案

3 設(shè)計(jì)和仿真

模糊PID控制在原理上具有極好的魯棒性與較好的動(dòng)靜態(tài)控制性能，能夠滿足當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性發(fā)生變化時(shí)在線的調(diào)整PID控制器中的各個(gè)參數(shù)［9］，達(dá)到多液壓缸同步控制的最佳效果。

多缸同步系統(tǒng)選取二維輸入，三維輸出模糊控制器，偏差和偏差變化率為輸入量，以PID控制器三個(gè)參數(shù)的增量為模糊控制器的輸出量，通過控制電液比例閥的閥芯位移控制流量，從而控制液壓缸的位移。

根據(jù)多個(gè)液壓缸同步控制的特點(diǎn)，確定了模糊PID控制規(guī)則。在實(shí)際同步運(yùn)行過程中，根據(jù)控制量將經(jīng)過模糊推理所得到控制量的模糊集合進(jìn)行解模糊處理。針對(duì)四個(gè)液壓缸的同步控制回路，將模糊PID控制模塊封裝，建立模糊PID控制的Simulink仿真模型如圖3所示。

圖3 主從控制四缸同步仿真模型

設(shè)置液壓缸的位移280mm，仿真結(jié)果如圖4所示，液壓缸運(yùn)行過程中最大同步誤差約為0.4mm。

圖4 同步仿真結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)驗(yàn)回路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的四缸同步回路如圖5所示，四個(gè)液壓缸都裝有位置傳感器，控制器主要由PLC組成，數(shù)據(jù)采集卡采集液壓缸的位移信號(hào)，操作臺(tái)發(fā)出指令控制第一液壓缸的速度及位移，輸出位移信號(hào)作為其他液壓缸的輸入指令。

圖5 四缸同步液壓回路

根據(jù)液壓回路搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用四個(gè)帶有位置傳感器的液壓缸，位移傳感器可以不斷的檢測(cè)活塞桿的位移信號(hào)，控制器不斷地修正位移誤差，最終達(dá)到各液壓缸同步。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)回路中，采用電液比例換向閥與液壓缸組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用其中一個(gè)液壓缸作為主缸，該液壓缸活塞桿的位移信號(hào)作為另外3個(gè)液壓缸的輸入信號(hào)，通過位移反饋控制比例換向閥電流使四缸保持同步，采集到四個(gè)液壓缸的位移曲線如圖6所示，可見4個(gè)液壓缸位移曲線是基本重合的，最大同步誤差約為0.5mm。

5 結(jié)論

在分析了各種同步控制方法基礎(chǔ)上，針對(duì)多液壓缸同步控制提出一種基于主從控制策略的液壓缸同步方案，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，并通過建立Simulink仿真模型，得出可以達(dá)到較高的同步精度。并通過設(shè)計(jì)同步實(shí)驗(yàn)回路，采用PID與PLC相結(jié)合，進(jìn)行控制模塊的設(shè)計(jì)和制作，最后搭建同步控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了同步實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該控制方案的控制精度。采用模糊PID控制和PLC控制，可以根據(jù)需要擴(kuò)展同步控制液壓缸數(shù)為4、8、12、16、24、32…，同步精度可以控制在0.5mm以內(nèi)。