基于位移傳感閉環控制的多液壓缸同步研究

譚勇

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司冷軋廠 四川攀枝花617023）

1 前言

隨著工業和工程的發展，在各個領域廣泛使用多液壓缸驅動負載，如冶金行業、海洋工程，國防領域，橋梁工程等［1－2］，而且對同步精度的要求越來越高。

現在，多缸同步控制系統常采用電液伺服閥或電液比例閥的閉環控制［3］，液壓伺服和比例同步控制系統是指采用各種電液比例閥、電液伺服閥或數字閥構成電液伺服機構［4］。該同步系統的優點是采用閉環控制模式，可以對輸出變量進行不斷地檢測和反饋，使輸入信號、系統類型和系統干擾造成的誤差及時得到抑制，在滿足快速性和系統穩定性要求的同時，獲得較高的控制精度。

目前常用控制算法有：PID控制及相關的改進控制算法，自適應控制，滑模變結構控制和智能控制［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到同步，但是實際中液壓缸制造誤差的不同、負載的不同、以及控制元件特性差異等會造成多個液壓缸出現不同步現象。

一般的液壓同步回路限制了多液壓缸的同步精度，需要使用先進的控制器實現不均勻負載的液壓缸同步，每個液壓缸的控制都需要單獨控制［6］。

液壓同步的控制策略很多，開環控制采用同步回路，閉環控制采用“同等方式”和“主從控制”等控制策略。采用閉環控制往往可以獲得較高的控制精度，為了實現高精度的同步，研究人員做了大量工作，取得了相關的研究成果［7－8］。為了獲得較好的同步精度和動態響應，參考大量相關文獻以及同類研究經驗，試采取“主從控制”控制策略和模糊PID相結合方法。

2.1 控制方式

單個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，位移信號與設定位移值的差值作為控制器的控制信號。

圖1 單缸位移控制方案

采用的是帶電反饋的直動型比例換向閥，控制器的控制信號越大，控制閥芯的位移也越大，即閥芯的行程與電信號成正比。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出閥芯的實際位置，并把與閥芯行程成正比例的電信號（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計，所以能檢測閥芯在兩個方向的位置。PID控制器把用斜坡和階躍函數發生器校正過的指令值和實際值相加。實際值和指令值的正負不同，因此，只將指令值和實際值的絕對值差值，即誤差信號，用來作為控制器的信號。

2.2 控制策略

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

圖2 主從控制多缸同步控制方案

3 設計和仿真

模糊PID控制在原理上具有極好的魯棒性與較好的動靜態控制性能，能夠滿足當系統結構特性發生變化時在線的調整PID控制器中的各個參數［9］，達到多液壓缸同步控制的最佳效果。

多缸同步系統選取二維輸入，三維輸出模糊控制器，偏差和偏差變化率為輸入量，以PID控制器三個參數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。

根據多個液壓缸同步控制的特點，確定了模糊PID控制規則。在實際同步運行過程中，根據控制量將經過模糊推理所得到控制量的模糊集合進行解模糊處理。針對四個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

設置液壓缸的位移280mm，仿真結果如圖4所示，液壓缸運行過程中最大同步誤差約為0.4mm。

圖4 同步仿真結果

4 實驗回路設計

4.1 實驗回路設計

設計的四缸同步回路如圖5所示，四個液壓缸都裝有位置傳感器，控制器主要由PLC組成，數據采集卡采集液壓缸的位移信號，操作臺發出指令控制第一液壓缸的速度及位移，輸出位移信號作為其他液壓缸的輸入指令。

圖5 四缸同步液壓回路

根據液壓回路搭建實驗平臺，采用四個帶有位置傳感器的液壓缸，位移傳感器可以不斷的檢測活塞桿的位移信號，控制器不斷地修正位移誤差，最終達到各液壓缸同步。

4.2 實驗結果

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

5 結論

在分析了各種同步控制方法基礎上，針對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，設計了模糊PID控制器，并通過建立Simulink仿真模型，得出可以達到較高的同步精度。并通過設計同步實驗回路，采用PID與PLC相結合，進行控制模塊的設計和制作，最后搭建同步控制實驗臺并進行了同步實驗，進一步驗證了該控制方案的控制精度。采用模糊PID控制和PLC控制，可以根據需要擴展同步控制液壓缸數為4、8、12、16、24、32…，同步精度可以控制在0.5mm以內。