随着液压技术在工程领域中的广泛采用, 不同液压机构之间的同步问题日益得到重视。由于每一套液压机构负载存在差异、元件性能不同以及制造误差, 损耗等使得多执行机构在同步运动中会产生误差。电液伺服系统是一种由电信号处理装置和液压动力机构组成的反馈控制系统, 通过使用电液伺服阀, 将小功率的电信号转换为大功率的液压动力, 从而可实现一些重型大功率机械设备的伺服控制, 具有结构简单、控制精度高、易于实现自动控制等特点。本文以阀控非对称缸形式的电液伺服机构为研究对象, 采用计算机控制技术, 在提高控制精度的同时, 降低同步误差。
1 同步升降系统简介
液压支架同步升降系统为周边四位结构, 四个液压缸处于四个支点处。整个系统要求在升降过程中速度平稳一致, 防止梁体扭曲变形。一般多点同步升降电液伺服系统具有两种形式:阀控和泵控方式。阀控式由集中泵站提供动力源, 压力油通过控制阀组的分配进入液压缸, 系统通过各路阀件通断控制流量, 从而实现同步;泵控式的动力源为分散形式, 每个缸体由独立油泵驱动, 油泵为变频调速电机驱动, 通过调节油泵电机转速来调节各路流量, 实现同步控制。本系统采用高精度比例换向伺服阀控制液压缸实现高精度同步效果, 整个升降系统由控制部分和液压升降装置构成。液压升降装置由液压缸、液压泵站、三位四通比例换向伺服阀、平衡阀及连接管构成, 单点升降装置液压系统如图1所示。
系统工作时要求四个液压缸位置同步、速度同步, 这将由控制器发出的信号控制实现, 控制器接收位置传感器发回的位置信号, 与指令输入信号进行比较运算, 发出比例伺服换向阀的控制信号。控制器由PC机、A/D及D/A转换构成;具体控制编程实现。
2 同步升降控制系统构成及建模
电液伺服升降同步控制系统由四个同步子系统构成, 四个动力机构的组成和主要液压、电器元器件基本参数如下。
(1) 比例伺服阀:四个系统均采用BOSCH公司NG6非线性 (60%) 比例伺服阀。基本参数如下:额定供油压力:21MPa;额定流量:2 4 l/mi n;额定工作电流:士1 0 mA;频宽50Hz;响应时间 (100%) :<10ms。
(2) 比例溢流阀BOSCH公司NG6比例溢流阀, 公称压力为31.5MPa;响应时间 (100%) :<30ms。
(3) 四个动力机构共用一个液压泵, 泵的额定压力:12MPa;额定流量:50l/min。
(4) 非对称液压缸基本参数:缸径:140mm;杆径:100mm;行程:3000mm;工作压力:12MPa。
(5) 位移传感器:四套同步子系统使用相同的MRU磁致伸缩传感器。工作电源:±12V分辨率:优于0.002%FS;精度:±0.lmm;额定信号输出:0~5V (两液压缸活塞杆缩到底即0mm处, 位置传感器输出0v) 。
该同步升降控制系统由四路相同的阀控缸液压缸回路组成, 系统建模时以一路为研究对象再综合分析。非接触式磁致伸缩位移传感器用来检测液压缸的活塞运动位移量, 以构成液压缸的活塞位置控制闭环。控制器的输出指令经过D/A转换卡, 向比例伺服阀放大器输入控制电压, 经放大器给比例电磁铁提供电流若忽略衔铁运动速度对电流动态过程的影响 (表现为运动反电动势) , 则其传递函数由下式表示:
式中, K为比例伺服阀放大器的增益;
T为与线圈动态电感、电阻及放大器内阻等有关的电磁铁电流环节时间常数。
比例电磁铁的动态输出力拉氏变换后可表示为:Fd (S) =KFI (S) (2)
直控式比例伺服阀的滑阀运动特性可表示为:...
F=m xv+Dxv+F+Kvs (xv+xc) +FD (3)
m为阀运动部件质量;
D为粘性阻尼系数;
Kvs为复位弹簧刚度;
xc为弹簧预压缩量;
根据式1、2、3可得出比例伺服阀开环数学模型, 为提高比例伺服阀的阀芯位移控制特性, 对阀芯位移实现电信号反馈, 阀芯位移反馈增益为Kx, 其闭环传递函数最终可用一阶和二阶两个因式表示。当用一阶环节表示比例伺服阀特性时, 有:
通过确定系统各环节的参数, 最终可得到阀控液压缸系统数学模型为:
根据阀控液压缸的三个基本方程推导得出阀控液压缸同步控制系统的误差传递函数数学模型。传递函数中流量增益K;的值会随着比例伺服阀的阀口压差的变化而变化, 公式中的部分参数值也会随着液压系统油温、压力等参数的变化而变化。因此系统控制策略的研究和选择, 对于获得良好的控制性能显得尤为重要。
3 阀控液压缸式位置系统中PID控制器研究
3.1 PID控制概述
PID控制是比例积分微分控制的简称。PID控制是在工业过程中历史最久、生命应用最广泛的基本控制算法。PID控制的优点是原理简单, 使用方便, 鲁棒性较强。也就是说, 其控制品质对特性变化灵敏度比较低, 调节器参数调整比较容易;具有无余差能力, 精度较高;可用于各类工业过程控制, 并已商品化。计算机过程控制的基本算法也仍然是PID控制, 据估计工业控制中PID应用占90%以上。
3.2 控制算法在计算机中的实现
3.2.1 信号输入
采用计算机 (包括微型计算机) 来实现离散PID控制时, 一台计算机往往要控制多个回路。输入信号须经过多路开关采样, 送往放大器及A/D转换器, 然后由CPU进行运算。输入信号必须经过模拟和数字滤波。计算机控制多个控制回路必须按顺序进行。不同物理量的采样时间可以不同。对于每一个控制回路, 每巡回一次完成输入采样、PID运算和输出三个步骤。输入信号除模拟量外, 还有开关量和脉冲量, 他们不需要A/D转换。
3.2.2 信一号的量化
在计算机中是用二进制代码进行运算的, 因此, 输入的测量值和设定值都必须经量化变为数字量。
3.2.3 信号的非线性化处理
有许多变送器输出的标准信号与被控量之间关系不是线性的, 为使它们的关系线性化, 需对代表流量的差压变送器输出进行开方;对流量进行温度、压力补偿;对代表温度的热电偶输出的电势进行分段线性化, 可采用下式计算
式中T为温度, E为热电偶电势, ai为系数, 其值因热电偶类型和物理单位而异。
3.2.4 输出
信号非线性处理后经过圆整误差、抑制噪声后进行输出。计算机输出有模拟量、脉冲量和开关量三种。数字计算机运算结果经过D/A转换后就是模拟输出, 它经电器转换后可操纵调解阀。在采样间隔必须采用保持器进行保持。脉冲量输出可以直接驱动步进电机, 这时采样算法应采用增量型。步进电机带动电位器, 转换成电流信号, 再经电器转换来操纵调解阀。开关量输出用来控制阀门的开闭或电动机的启停, 常用于连锁保护或程序 (顺序) 控制。
4 结语
系统分成两步进行了测试。在工控机进行同步控制系统控制软件和电模拟试验。其主要准备工作是采购位移传感器、工控机、PCI接口板卡、高精度的伺服电源等。主要是调试控制软件的运行质量, 验证其可行性, 同事对各传感器进行测试, 试验其位移反馈信号能否与工控机的容量和运算速度相互匹配。是否能够满足整个同步控制系统的精度要求。然后对液压支架试验台的液压系统进行调试, 确保PLC能够正确读入和输出控制信号, 逻辑程序准备无误的情况下, 在一定的时间间隔下测得四个液压缸的实际位置数值, 通过对数据的处理, 验证所选控制策略的控制效果良好。
摘要：本文分析了液压同步系统的研究现状及存在的问题, 并据此设计出运用电液比例伺服阀实现四缸同步的液压控制系统, 建立了升降同步控制系统的解析模型, 在分析模型时作了一些假设, 并忽略了某些参数的影响, 进而从分析简化的数学模型得出了优化系统静, 动态特性的条件。针对建模结果存在的同步误差, 分析了误差产生的原因, 提出了减小误差的方法。
关键词：同步控制,电液伺服机构,PID控制
参考文献
[1] 刘金馄, 等.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社, 2003.
[2] 刘春芳, 吴伟.双电液伺服系统同步模糊控制研究[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[3] 王积伟, 陆一心, 吴振顺.现代控制理论与工程[M].北京:高等教育出版社, 2003.
[4] 路角祥.液压气动技术手册[M].北京:机械工业出版社, 2002.
[5] 吴根茂, 邱敏秀, 王庆丰.新编实用电液比例技术[M].杭州:浙江大学出版社, 2006.