一種雙余度雙缸作動系統(tǒng)設(shè)計與驗證

沈先坤，劉倚欣

（航空工業(yè)南京機電，江蘇 南京 210011）

0 引言

工業(yè)上常采用電驅(qū)動、液壓驅(qū)動等方式控制兩液壓缸同步運動，以實現(xiàn)對同一控制對象的位置驅(qū)動[1-4]。若同步性能不佳，將產(chǎn)生較大位置紛爭，會對作用對象產(chǎn)生形變，嚴(yán)重的甚至?xí)⒆饔脤ο笏毫?。相比于電?qū)動，液壓驅(qū)動帶載能力強，穩(wěn)定性高，適用于大功率場合[5]。

液壓驅(qū)動主要形式有同步閥作動方案和伺服作動控制方案。同步閥作動方案是采用分流集流閥（又稱同步閥），通過壓差機械反饋實現(xiàn)流量的均衡分配，達(dá)到兩作動筒的位置輸出。同步閥對液壓元件的加工精度要求較高，存在一定的局限性。伺服作動方案采用伺服位置閉環(huán)實現(xiàn)兩作動筒的位置輸出，實現(xiàn)對雙缸的同步運動控制。目前伺服作動系統(tǒng)通常采用單余度設(shè)計方案[6]，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一次關(guān)鍵故障時，系統(tǒng)將失去作動功能，同時可能會導(dǎo)致系統(tǒng)失控，造成重大事故。對于具有高可靠性需求的應(yīng)用場合，需要高可靠性的雙缸同步作動系統(tǒng)應(yīng)具備一次故障失效或一次故障安全的能力。本文針對高任務(wù)可靠性的雙缸同步作動系統(tǒng)開發(fā)需求，設(shè)計一套具有主/備工作模式雙缸同步作動系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性、安全性以及同步性能可滿足使用要求。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

雙余度雙缸同步作動系統(tǒng)由雙余度伺服控制器、雙余度電液伺服閥、液壓缸、反饋傳感器等部件構(gòu)成，其構(gòu)成框圖如圖1 所示。

圖1 雙余度雙缸同步作動系統(tǒng)構(gòu)成

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電液伺服閥設(shè)計

電液伺服閥結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。該電液伺服閥具備主/備工作模態(tài)，主通道優(yōu)先工作。當(dāng)主通道工作時，主通道電磁閥1接通，模式閥3 處于工作模態(tài)，換向閥2 接收電流驅(qū)動信號進行配流輸出，驅(qū)動液壓缸7 運動；當(dāng)主通道失效時，切斷電磁閥1，模式閥3 切換工位，接通備份通道電磁閥2，模式閥6 進入工作模態(tài)，換向閥5 接收電流驅(qū)動信號進行配流輸出，繼續(xù)驅(qū)動液壓缸7 運動，當(dāng)主通道和備份通道電磁閥全部切斷時，液壓缸兩腔通過節(jié)流閥溝通，具備阻尼隨動。

圖2 電液伺服閥結(jié)構(gòu)組成

2.2 控制器設(shè)計

為了實現(xiàn)雙余度控制系統(tǒng)功能，控制器采用雙余度設(shè)計方案，如圖3 所示，兩塊伺服控制模塊A/B 同時與指令系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)交聯(lián)，兩塊伺服控制模板硬件一致，可互換，主要功能包括接收外部供電進行二次電源轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機構(gòu)傳感器提供激磁電源、傳感器信號解調(diào)、CCDL、伺服計算、功率驅(qū)動、BIT 檢測、故障綜合。伺服控制模塊A/B 采用主/備工作模式，伺服控制模塊通過采集底板預(yù)設(shè)通道號確認(rèn)自身主/備工作模式。

2.3 控制算法

為達(dá)到位置同步控制效果，進一步抑制位置紛爭，本項目在PID 控制的基礎(chǔ)上采用了主從同步位置跟蹤與主動通道變增益相結(jié)合的控制方法，控制原理如圖3 所示。主動運動控制通道和同步跟隨控制通道分別控制作動筒A 和作動筒B，兩個控制同時接受位置控制指令，與作動筒位置信號進行綜合求差，經(jīng)伺服計算驅(qū)動伺服閥配流，控制作動筒A/B 運動。同步跟隨通道與主動運動通道之間的位置差引入控制通道。跟隨誤差經(jīng)跟隨增益放大后對同步跟隨控制通道的控制信號進行補償，增強驅(qū)動輸出，保證同步跟隨通道與主動運動通道位置強跟隨；主動運動控制通道根據(jù)跟隨誤差及時調(diào)整增益，通過有限范圍內(nèi)的主動降速進一步提高位置同步性能，如圖4 所示。

圖3 雙余度控制器功能原理框

圖4 雙缸同步算法原理

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件基于DSP 硬件平臺進行嵌入式軟件開發(fā)，整個系統(tǒng)軟件的控制流程為串行方式，當(dāng)執(zhí)行完前一個任務(wù)后，才會執(zhí)行下一個任務(wù)?？刂屏鞒倘鐖D5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件控制流程

系統(tǒng)軟件主要包含功能模塊如下。

（1）上電初始化。

系統(tǒng)成功上電后，軟件對處理器寄存器、軟硬件接口進行初始化，讀取板卡ID 號，確認(rèn)本伺服控制模塊為主控通道或備份通道。

（2）上電BIT。

系統(tǒng)完成上電初始化后，進行上電自檢測，對處理器、電源、存儲器等伺服控制模塊硬件的電氣資源進行狀態(tài)檢測。

（3）指令解析。

進入周期任務(wù)后，對指令系統(tǒng)發(fā)送的指令數(shù)據(jù)包進行解析。

（4）傳感器信號采集。

對作動筒位置傳感器、閥芯位置傳感器、閥驅(qū)動電流等反饋信號進行周期采集。

（5）CCDL。

將本伺服控制模塊的狀態(tài)信息發(fā)送給另一個伺服控制模塊，同時接收來自另一伺服控制模塊的信息。

（6）BIT 檢測。

在周期任務(wù)中周期執(zhí)行自檢測，測試對象包括伺服控制模塊硬件的電氣資源和執(zhí)行機構(gòu)運動模型及其反饋傳感器信號。

（7）余度管理。

將本通道采集獲取和CCDL 互傳的兩余度指令和傳感器信號進行余度表決輸出。

（8）故障處理。

當(dāng)主控制通道檢測到影響伺服控制的關(guān)鍵故障時，主控制通道切除本通道的驅(qū)動輸出，同時將本通道的故障處理結(jié)果通過CCDL 發(fā)送至備份控制通道。當(dāng)備份控制通道接收到主控通道發(fā)送的模式切換信號且本通道狀態(tài)正常，則立即接通伺服，接替主控制通道繼續(xù)執(zhí)行同步位置控制。

（9）伺服計算。

運行同步控制算法，計算伺服閥驅(qū)動指令。

（10）驅(qū)動輸出。

更加伺服計算結(jié)果，控制硬件驅(qū)動接口；根據(jù)故障處理結(jié)果，打開或關(guān)閉本通道驅(qū)動輸出。

（11）信息上傳。

將通道狀態(tài)信息周期上傳至指令系統(tǒng)。

3 仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，在AMEsim 環(huán)境下創(chuàng)建系統(tǒng)仿真模型。模型由主控制通道和備份控制通道構(gòu)成雙余度主-備控制架構(gòu)，可通過時序控制實現(xiàn)由主控通道向備控通道的進行切換。

仿真過程主要針對系統(tǒng)主/備通道切換及其位置同步功能進行可行性驗證，仿真試驗設(shè)計如下。

（1）對跟隨通道增加負(fù)載，驗證同步方案在負(fù)載下的雙缸同步特性。

（2）在雙缸同步運動狀態(tài)進行主/備狀態(tài)切換，驗證系統(tǒng)通道切換功能。

如圖6 所示，對跟隨通道施加負(fù)載后，主動通道通過變增益進行了自動降速，對末端同步誤差控制增強，最大同步誤差由0.5mm 降至0.32mm。

圖6 加載同步特性曲線

在主動通道與跟隨通道設(shè)置6ms 通道異步度，如圖7 所示，在第1s 時刻運動狀態(tài)下完成主/備通道切換，同步方案具有較好的瞬態(tài)抑制效果，切換過程產(chǎn)生的瞬態(tài)跳動為0.2mm。

圖7 模式切換特性曲線

4 實驗驗證

為進一步驗證該系統(tǒng)方案的可行性，用兩臺額定流量為7L/min 的電液控制閥、兩臺行程為101mm 的作動筒和一臺伺服控制器搭建實驗環(huán)境，實驗結(jié)果如圖8 所示，系統(tǒng)響應(yīng)階躍指令進行全行程運動，雙缸同步運動，全行程運動過程中最大跟隨誤差0.4mm，跟隨誤差變化幅度0.8mm，最大跟隨誤差為作動缸全行程的0.39%。

圖8 階躍響應(yīng)實驗曲線

5 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種具備主/備工作模式的雙余度雙缸同步作動系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的雙缸同步系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有一次故障工作的能力，具備較高的任務(wù)可靠性。同時對控制算法進行了優(yōu)化，采用了主從跟蹤與變增益相結(jié)合的控制策略，對位置同步性能進行了仿真和實驗研究。仿真和實驗結(jié)果證明：該雙缸同步系統(tǒng)控制策略正確可行，且具備較好的位置同步精度，可適用于對可靠性要求較高的應(yīng)用場合。