一種水壓比例同步控制系統(tǒng)的研究

吳 珊,毛旭耀,吳德發(fā)

(1.中南民族大學(xué)工商學(xué)院基礎(chǔ)課部,湖北 武漢 430223;2.華中科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引 言

液壓同步控制系統(tǒng)在許多領(lǐng)域具有廣泛的用途.傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)以礦物油作為工作介質(zhì),相比較而言,由于水介質(zhì)容易獲得、不燃、安全性高、體積模量大以及環(huán)境友好和易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),以水作為工作介質(zhì)的水壓同步控制系統(tǒng)在許多場應(yīng)用具有獨(dú)特的優(yōu)勢.

根據(jù)控制模式分,液壓同步控制有兩種類型:開環(huán)控制和閉環(huán)控制.文獻(xiàn)[1]介紹了一種水壓驅(qū)動的水下舞臺,采用開環(huán)的機(jī)械同步控制方式,水壓缸的速度由節(jié)流閥來控制.對于閉環(huán)控制系統(tǒng),常見的有兩種方式,一是以比例閥作為控制元件的比例同步控制系統(tǒng),另一種是以伺服閥作為控制元件的伺服同步控制系統(tǒng).

國內(nèi)外關(guān)于水壓同步控制的研究并不多見.在水壓控制技術(shù)研究方面,1995年,KOSKINEN K.T. 等人研究了幾種水壓控制閥的特性,并建立了水壓控制系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)系統(tǒng)[2].芬蘭坦佩拉工業(yè)大學(xué)等單位的學(xué)者研究了ITER項目中水壓驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人及機(jī)械手的控制問題[3-5].在控制方法上,Sanada K.基于控制理論提出了一種魯棒力控制器用于水壓伺服控制系統(tǒng)[6].

研究了一種帶位置反饋的水壓比例同步控制系統(tǒng).兩個水壓缸為非對稱缸,采用比例閥流量閥控制.在理論建模仿真分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并設(shè)計了一種自適應(yīng)控制器.通過這些研究,以期為水壓同步控制系統(tǒng)的設(shè)計和現(xiàn)場應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 系統(tǒng)組成和原理

圖1所示為水壓雙缸同步控制系統(tǒng)原理圖.系統(tǒng)可以分成三個模塊:動力源模塊,水壓缸執(zhí)行元件模塊以及計算機(jī)輔助測試和控制模塊 (CAMCM).

圖1 雙缸同步控制系統(tǒng)原理圖

動力源模塊由電動機(jī)、水泵、水箱、壓力控制閥和管道等組成.執(zhí)行元件模塊包括兩個水壓缸,兩個單向節(jié)流閥及兩個比例流量控制閥.CAMCM模塊包括工控機(jī)、兩個位移傳感器和信號處理電路等.控制元件采用Danfoss提供的VOH30PE型比例流量閥.

系統(tǒng)采用線性自適應(yīng)PID控制方法,如圖2所示,選擇主從控制策略,一個缸作為主動缸,由兩個單向節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)速,而另一個缸作為從動缸,由兩個比例流量控制閥來進(jìn)行控制.

圖2 自適應(yīng) PID控制器原理

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 比例流量控制閥

比例流量控制閥的輸出流量與輸入的電信號成正比.Satoru Hayashi等人對VOH30PE型流量控制閥進(jìn)行了較深入的研究[7],其傳遞函數(shù)可可表示為

(1)

2.2 水壓缸

從動缸的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)原理及主要參數(shù)如圖4所示.關(guān)于水壓缸的摩擦力問題,文獻(xiàn)[8]、[9]進(jìn)行了較深入的研究.在在缸的建模過程中,忽略摩擦力的影響,可以得出從動缸的控制方程.

圖3 水壓缸結(jié)構(gòu)模型無桿腔的流量

圖4 系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

無桿腔的流量為

(2)

式(2)中V1=V01+A1y.

有桿腔的流量為

(3)

式(3)中V2=V02+A2(L-y).

活塞的受力方程為

(4)

忽略泄漏和水的壓縮性,則

(5)

設(shè)負(fù)載壓力pL=p1-np2,可得缸的傳遞函數(shù)為

(6)

式(6)中：

2.3 系統(tǒng)傳遞函數(shù)

系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖4所示.設(shè)負(fù)載F=4 000 N.

圖5所示為系統(tǒng)的三角波響應(yīng).此時主動缸的速度為±400 mm/s.仿真結(jié)果表明,從動缸的最大跟蹤誤差為10 mm,此誤差出現(xiàn)在從動缸的換向運(yùn)動過程中.

圖5 系統(tǒng)三角波函數(shù)響應(yīng)

3 試驗(yàn)研究

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)原理圖,來搭建如圖6所示的水壓雙缸同步控制試驗(yàn)平臺.圖7為試驗(yàn)結(jié)果.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,從動缸能很好地跟隨主動缸.但當(dāng)水壓缸換向時,出現(xiàn)跟隨誤差增大的現(xiàn)象,其最大誤差為10 mm,這與仿真結(jié)果是一致的.

圖6 雙缸同步控制系統(tǒng)測試平臺

圖7 雙缸同步控制試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語

從理論分析和試驗(yàn)結(jié)果對比可以看出,兩者具有良好的一致性.特別是數(shù)學(xué)模型定量地預(yù)測了試驗(yàn)過程中當(dāng)水壓缸換向時同步誤差增大的現(xiàn)象,理論分析和試驗(yàn)結(jié)果均得出系統(tǒng)的同步控制誤差在2.5%左右.同時,試驗(yàn)結(jié)果證明線性自適應(yīng)控制器是比較有效的.

與此同時,可以看出系統(tǒng)的同步控制精度還不夠理想,這主要受以下幾個方面的影響:

1) 水壓比例流量控制閥的性能.本系統(tǒng)中所選用的VOH30PE型流量閥的控制性能不夠理想,具體表現(xiàn)在閥的線性度不好,滯環(huán)大(達(dá)到8%),響應(yīng)速度不快(150 ms左右),而且兩個流量控制閥的一致性不好.

2) 水壓缸的影響.根據(jù)測試的結(jié)果,水壓缸的啟動壓力和沿程阻力波動比較大,這從一個方面反映了水壓缸的摩擦力比較大,而且在運(yùn)行的過程中摩擦力不均勻.

3) 對于水壓缸在換向過程中出現(xiàn)的同步誤差增大的問題,其主要原因是由于采用不對稱缸,換向過程中無桿腔和有桿腔的進(jìn)出油進(jìn)行了切換,而且流量產(chǎn)生了突變和運(yùn)動方向的改變,必然帶來控制誤差的增大;系統(tǒng)中電磁換向閥的響應(yīng)時間為110～130 s,其響應(yīng)速度甚至快于流量控制閥,這必然使得在換向的瞬間從動缸產(chǎn)生位置滯后.

4) 除了PID方法外,在后續(xù)的工作中可以研究更合適的控制方法.

符號說明

Ksv比例閥系數(shù)ωsv比例閥固有頻率(1/s)ξv比例閥阻尼系數(shù)y水缸位移(m)V01無桿腔初始體積(m3)β水的體積模量(MPa)V02有桿腔初始體積(m3)L缸的行程(m)

參考文獻(xiàn):

[1]郭志恒,李利,劉銀水,等.水壓驅(qū)動水下舞臺的設(shè)計與試驗(yàn)研究[J].液壓與氣動,2010(4)：4-6.

[2]Konskinen K T, Vilenius M J, Virvalo T,et al. Water as a Pressure Medium in Position Servo Systems[C]//The Proceedings of the Fourth Scandinavian International Conference on Fluid Power.FINLAND：1995:859-871.

[3]Wu Huapeng, Handroos Heikki, Pessi Pekka et al. Development and control towards a parallel water hydraulic weld/cut robot for machining processes in ITER vacuum vessel[J]. Fusion Engineering and Design,2005(75-79,SUPPL):625-631.

[4]Kekalainen Teemu, Mattila Jouni, Virvalo Tapio. Development and design optimization of water hydraulic manipulator for ITER[J].Fusion Engineering and Design,2009,84(2-6):1010-1014.

[5]Nieminen Peetu, Esque Salvador, Muhammad Ali1 et al. Water hydraulic manipulator for fail safe and fault tolerant remote handling operations at ITER[J]. Fusion Engineering and Design,2009,84(7-11):1420-1424.

[6]Sanada K. A Method of Designing a Robust Force Controller of a Water-Hydraulic Servo System[J].The Proceedings of the Institution of Mechanical Engineerings, 2002:135-141.

[7]Satoru Hayashi, Atsushi Shirai, Nan-nan Guo,et al.Static and Dynamic Characteristics of A Pressure-Compensated Flow Valve[C]//Proceedings of the Fifth International Conference on Fluid Power Transmission. SWDN:2001:156-160.

[8]Lauri Laitinen, Klaus Heiskanen, Jyrki Kajaste,et al. Friction Phenomena in a Water Hydraulic Cylinder at Low Pressure Levels[C]//the Eighth Scandinavian International Conference on Fluid Power, Finland, 2003:421-431.

[9]程文芳.水壓雙缸位置同步控制系統(tǒng)的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2008.