液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制類型與控制策略

1、液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制類型與控制策略 王秋敏本文由【中文word文檔庫】 搜集整理。中文word文檔庫免費(fèi)提供海量教學(xué)資料、行業(yè)資料、范文模板、應(yīng)用文書、考試學(xué)習(xí)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等word文檔內(nèi)容摘要 本文主要介紹了液壓同步控制系統(tǒng)的分類、各類型的比較、控制策略的應(yīng)用以及液壓同步控制系統(tǒng)在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。關(guān) 鍵 詞 液壓同步技術(shù) 閉環(huán)控制 控制策略隨著航天航空技術(shù)和現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，金屬加工設(shè)備、冶金機(jī)械、工程機(jī)械及航天與航空驅(qū)動(dòng)裝置等對(duì)高精度的同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的需要愈加迫切。其中，液壓同步驅(qū)動(dòng)占據(jù)了非常重要的地位。這是因?yàn)橥渌津?qū)動(dòng)方式相比，液壓同步驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、組成方便、易于控制和

2、適宜大功率場(chǎng)合等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)液壓同步驅(qū)動(dòng)一般主要有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種基本形式。開環(huán)控制的液壓同步驅(qū)動(dòng)，由于它完全靠液壓控制元件本身的精度來控制執(zhí)行元件的同步驅(qū)動(dòng)，而不對(duì)執(zhí)行元件的輸出進(jìn)行檢測(cè)與反饋，所以它不能消除或抑制對(duì)高精度同步的不利影響。液壓同步閉環(huán)控制依靠對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)與反饋，從而構(gòu)成反饋閉環(huán)控制，在很大程度上消除或抑制不利因素的影響，而獲得高精度的同步驅(qū)動(dòng)。所以液壓同步閉環(huán)控制已經(jīng)越來越得到人們的重視，特別是隨著現(xiàn)代控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，該種控制形式幾乎在所有需要高精度液壓同步驅(qū)動(dòng)的各類主機(jī)上都得到了較好的應(yīng)用。一、 液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)的形式分類迄今，液壓同步閉環(huán)控制的

3、實(shí)現(xiàn)形式很多。（1）按實(shí)現(xiàn)的任務(wù)（或控制輸出）的不同，液壓同步閉環(huán)控制分為力同步閉環(huán)控制、速度同步閉環(huán)控制和位置同步閉環(huán)控制三種形式。（2）按被控執(zhí)行元件的數(shù)量不同，液壓同步閉環(huán)控制又有雙執(zhí)行元件和多執(zhí)行元件同步閉環(huán)控制之分。（3）按被控執(zhí)行元件的類型與結(jié)構(gòu)、安裝形式與運(yùn)動(dòng)方向的不同，可以將液壓同步閉環(huán)控制分為液壓缸同步閉環(huán)控制與液壓馬達(dá)同步閉環(huán)控制。由于液壓執(zhí)行元件的安裝形式與運(yùn)動(dòng)方向?qū)ν娇刂频男阅苡兄苯拥挠绊?，因此，液壓同步閉環(huán)控制又能細(xì)分成臥式和立式兩種形式。針對(duì)液壓缸又可分為雙作用與單作用兩種不同的結(jié)構(gòu)。（4）按控制元件的不同，液壓同步閉環(huán)控制分為下列五種類型：機(jī)液伺服閥等組成的同

4、步閉環(huán)控制、電液伺服閥等組成的同步閉環(huán)控制、電液比例閥等組成的同步閉環(huán)控制、數(shù)字閥等組成的同步閉環(huán)控制及各種電控變量泵等組成的同步閉環(huán)控制。另外，按上述分類方法得到的各種液壓同步閉環(huán)控制又能相互結(jié)合，從而形成龐大的液壓同步閉環(huán)控制的分類體系。二、 液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)比較對(duì)于液壓同步閉環(huán)控制各種形式而言，由于各種控制元件間在結(jié)構(gòu)及性能上存在的差異，液壓執(zhí)行元件-單作用液壓缸與雙作用液壓缸的結(jié)構(gòu)及安裝方式的不同等原因造成了相應(yīng)控制形式間都有著各自的鮮明特點(diǎn)。（1）不同控制元件組成的同步閉環(huán)控制的比較電液伺服閥控制：電液伺服閥是種高精度、高頻響的電液控制元件，由它組成的液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)不

5、僅具有較高的響應(yīng)速度，而且同步控制精度高。電液伺服閥組成的液壓同步閉環(huán)控制一般適用于高同步精度要求的各類主機(jī)。電液比例閥控制：電液比例閥是一種新型的電液控制元件，雖然它比電液伺服閥的頻率響應(yīng)低，但因其造價(jià)較低、抗污染能力高，性能良好，所以由它組成的同步閉環(huán)控制已大量用于系統(tǒng)頻率響應(yīng)適中而需要較高同步精度的主機(jī)上，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。數(shù)字閥控制：數(shù)字控制閥是八十年代初期才逐漸發(fā)展起來的另一種機(jī)電液一體化控制元件。它的最大特點(diǎn)就是能適應(yīng)計(jì)算機(jī)控制的需要，直接用數(shù)字量來實(shí)現(xiàn)控制，而省去了一般計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中所必備的D/A轉(zhuǎn)換器。另外該閥也具有較高的抗污染能力。因此，由它組成的液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)

6、控制方便、可靠性高、重復(fù)精度高、結(jié)構(gòu)簡單，且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接控制。當(dāng)然這種控制形式的同步控制精度要受到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖數(shù)、脈寬占空比及計(jì)算機(jī)硬、軟件的影響。機(jī)液伺服閥控制：與上述三種形式相比，由機(jī)液伺服閥等組成的同步閉環(huán)控制的一個(gè)明顯特點(diǎn)就是它采用機(jī)械反饋檢測(cè)形式閉環(huán)控制。因而其組成簡單、造價(jià)較低，一般適用于控制精度不高，系統(tǒng)頻響不高的需同步驅(qū)動(dòng)的主機(jī)。而泵控馬達(dá)或泵控缸液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)，相對(duì)閥控缸與馬達(dá)系統(tǒng)效率高、響應(yīng)慢，一般適用于大功率和頻響不高的場(chǎng)合。（2）臥式和立式兩種形式的比較由于臥式液壓缸同步閉環(huán)控制中的液壓缸水平安裝且活塞桿或缸筒水平運(yùn)動(dòng)，所以不存在重力負(fù)載的作用，也

7、不會(huì)造成兩個(gè)動(dòng)力方向上的動(dòng)力學(xué)性能的不一致而使同步控制系統(tǒng)精度發(fā)生變化。相比之下，立式液壓缸同步缸閉環(huán)控制就存在因液壓缸豎直安裝導(dǎo)致的重力負(fù)載的作用，且會(huì)引起油缸在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上的動(dòng)態(tài)性能不一致，給正反兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的高精度同步控制帶來困難。這種重力負(fù)載的“干擾”現(xiàn)象，對(duì)大負(fù)荷的同步提升或下降是尤其嚴(yán)重的。（3）非對(duì)稱和對(duì)稱兩種形式的比較非對(duì)稱液壓缸是種單桿輸出的液壓缸，其結(jié)構(gòu)上的最大特點(diǎn)就是進(jìn)、回油腔承壓面積不相等。它的主要優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單、制造容易、單邊滑動(dòng)密封的效率及可靠性高、工作空間小。對(duì)稱液壓缸是種雙桿雙向輸出的液壓缸，它的最大特點(diǎn)是進(jìn)、回油腔承壓面積相等，但其構(gòu)造較復(fù)雜、滑動(dòng)磨擦阻力增

8、大、需要的運(yùn)行空間也大。鑒于兩種液壓缸的上述特性，非對(duì)稱液壓缸的液壓同步閉環(huán)控制在正、反向的同步控制性能就存有很大的差異，這給分析和控制實(shí)現(xiàn)帶來了麻煩。相反，對(duì)稱液壓缸的液壓同步閉環(huán)控制就不存在這一同步控制性能上的差異。三、控制策略的應(yīng)用采用液壓同步閉環(huán)控制的目的，就是要利用閉環(huán)控制的自身特點(diǎn)來獲得被控多個(gè)執(zhí)行元件與負(fù)載的輸出量的高精度同步。對(duì)于液壓同步閉環(huán)控制來說，“同等方式”和“主從方式”是通常采用的兩種控制策略?！巴确绞健奔粗付鄠€(gè)需同步控制的執(zhí)行元件跟蹤設(shè)定的理想輸出而都分別受到控制并達(dá)到同步驅(qū)動(dòng)。“主從方式”是指多個(gè)需同步控制的執(zhí)行元件以其中一個(gè)的輸出為理想輸出，而其余的執(zhí)行元件均受

9、到控制來跟蹤這一選定的理想輸出并達(dá)到同步驅(qū)動(dòng)。兩者相比，為獲得高精度的同步輸出，則要求按“同等方式”工作的液壓同步閉環(huán)控制系統(tǒng)中的各執(zhí)行元件、反饋、檢測(cè)元件及控制元件等的性能間應(yīng)具有嚴(yán)格的匹配關(guān)系，這顯然給工業(yè)實(shí)現(xiàn)增加了難度。圖1-1至圖1-4由上述兩種控制策略派生出的四種具體控制方案的方塊圖。圖1-1 獨(dú)立反饋校正同步控制方塊圖其中，圖1-1為獨(dú)立反饋校正同步控制方塊圖。可見，它是對(duì)兩個(gè)支路分別進(jìn)行獨(dú)立的反饋校正控制，從而使兩支路的輸出都跟蹤設(shè)定的理想輸出達(dá)到同步目的。圖1-2 為共反饋共校正同步控制方塊圖。從圖中可以看出它是當(dāng)兩執(zhí)行元件與負(fù)載固聯(lián)后，用一套反饋元件測(cè)量負(fù)載的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，使

10、兩執(zhí)行元件同時(shí)實(shí)施反饋控制以跟蹤所設(shè)定的理想輸出達(dá)到同步的目的。圖1-3 為共反饋 同步誤差校正同步控制方塊圖。即它以單支路最佳跟蹤控制為基礎(chǔ)，以被同步驅(qū)動(dòng)件的輸出作為跟蹤目標(biāo)，通過反饋控制使跟蹤誤差最小，且利用輸出同步誤差對(duì)兩執(zhí)行元件分別進(jìn)行同步補(bǔ)償控制。圖1-4則為狀態(tài)差值反饋校正同步控制方塊圖。它是以兩執(zhí)行元件的相應(yīng)狀態(tài)（位移、速度和加速度）的差值達(dá)到最小為目標(biāo)，通過狀態(tài)差值反饋實(shí)現(xiàn)兩執(zhí)行元件的同步驅(qū)動(dòng)。對(duì)比可以得出：獨(dú)立反饋校正同步控制和共反饋共校正同步控制同屬于“同等方式”控制策略，而共反饋同步誤差校正同步控制和狀態(tài)差值校正同步控制則同屬于“主從方式”控制策略。這四種控制策略中，盡管

11、狀態(tài)差值校正同步控制可以獲得較高的同步精度，但它需要的傳感檢測(cè)元件增多，因此系統(tǒng)的組成復(fù)雜，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與調(diào)整也相應(yīng)困難。四、 液壓同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用液壓折板（彎）機(jī)已大量用在汽車、船舶、收音機(jī)及家電制造業(yè)。為保證板料折彎成形的質(zhì)量，其關(guān)鍵就在于控制推動(dòng)活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)，布置于橫梁兩端的兩個(gè)液壓缸要求同步驅(qū)動(dòng)。為此，對(duì)于精度要求不高的小型液壓折彎機(jī)，一般均采用由機(jī)液伺服閥等組成的機(jī)械反饋式同步閉環(huán)控制；而對(duì)于中型液壓折彎機(jī)，以采用電液伺服閥或比例控制閥或數(shù)字控制閥組成的電反饋式同步閉環(huán)控制為宜；對(duì)于大型液壓折彎機(jī)，則多使用電控變量泵等組成的同步閉環(huán)控制。根據(jù)上述原則對(duì)液壓折彎機(jī)實(shí)行同步驅(qū)動(dòng)，均獲得

12、了較好的效果。汽車縱梁液壓機(jī)是汽車制造行業(yè)不可少的大型設(shè)備之一。該機(jī)一般采用多個(gè)液壓缸并聯(lián)工作，因此各液壓缸的同步驅(qū)動(dòng)就成為其技術(shù)關(guān)鍵?，F(xiàn)在一般都采用比例控制閥等組成的同步閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)多缸的同步驅(qū)動(dòng)。如我國研制的30000KN和35000KN兩種汽車縱梁液壓機(jī)均采用了比例同步閉環(huán)控制控制技術(shù)。具體地說，前者中采用“整機(jī)化為單機(jī)分立”同步方案，即各單機(jī)系統(tǒng)為由位移傳感器和電流比例閥等元件組成閉環(huán)節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，并按“同步方式”控制策略實(shí)現(xiàn)各缸同步的目的。實(shí)踐證明，采用上述液壓同步閉環(huán)控制，整機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)效果明顯，不同步范圍在5MM之內(nèi)，且同步驅(qū)動(dòng)時(shí)平穩(wěn)、無卡住和搖動(dòng)現(xiàn)象。后者為一臺(tái)七缸同步控制的大型液壓機(jī)。它采用以160CY401B電流比例變量泵和位移傳感器等組成的同步閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)的快降、壓制、回程全行程的同步驅(qū)動(dòng)。另外，它還使用了以測(cè)速發(fā)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)瞬磁性速度反饋校正，克服了