液壓舉升機(jī)構(gòu)的高精度同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真*

劉 忠 梁承杰 資富年

（湖南師范大學(xué)機(jī)電技術(shù)裝備研究所，湖南長(zhǎng)沙410081）

所謂同步系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)多個(gè)執(zhí)行器以相同位移、相同力或相等速度運(yùn)動(dòng)的液壓回路［1］。大型設(shè)備因負(fù)載力很大或布局的關(guān)系，需設(shè)多個(gè)液壓執(zhí)行器同時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，例如液壓壓樁機(jī)中的機(jī)身升降液壓缸系統(tǒng)；混凝土泵車的機(jī)械臂架液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；鑿巖鉆車的多臂舉升液壓系統(tǒng)；攤鋪機(jī)的熨平板升降缸和料斗液壓缸系統(tǒng)等。在這些機(jī)器和設(shè)備中，由于執(zhí)行元件存在的非線性摩擦阻力、液壓系統(tǒng)的泄漏、液壓元件的制造精度不同或長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)使其工作特性發(fā)生變化以及負(fù)載的不均勻等［1］原因，使兩臺(tái)或多臺(tái)液壓缸或馬達(dá)產(chǎn)生較大的同步誤差，從而嚴(yán)重影響機(jī)器的正常工作，甚至損壞液壓元件。因此，液壓同步控制有著廣泛的意義。

1 液壓舉升機(jī)構(gòu)同步控制原理

盡管目前液壓同步系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，但實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)液壓同步驅(qū)動(dòng)主要是開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種基本形式。常用的開環(huán)同步回路［1］有：（1）利用同步閥實(shí)現(xiàn)單向同步運(yùn)動(dòng)回路，同步精度主要依賴于同步閥的分流精度。（2）通過串聯(lián)兩液壓缸實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)回路，同步精度主要依賴于兩缸的工作面積的接近度。（3）利用雙聯(lián)液壓泵實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，回路的同步精度主要受泵的排量、容積效率和負(fù)載的影響，且要求兩缸的工作面積相等。由于開環(huán)同步控制回路不能有效消除或抑制外界干擾等不利因素的影響，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，因此常用于對(duì)同步精度要求不高的場(chǎng)合。

隨著工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對(duì)同步系統(tǒng)的精度要求越來越高，工程機(jī)械中液壓同步系統(tǒng)大多均采用閉環(huán)同步控制方式實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到高精度的要求。液壓同步閉環(huán)控制回路是對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)、反饋，從而構(gòu)成反饋閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和機(jī)電液一體化。目前，常用的閉環(huán)同步控制回路有：（1）電液伺服閥組成的液壓閉環(huán)同步控制回路，如圖1，回路具有高的響應(yīng)速度和同步精度，但這種閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高且抗污染能力差，所以使它的廣泛應(yīng)用受到很大的限制。（2）電液比例閥組成的液壓閉環(huán)同步控制回路，如圖2，回路具有較高的同步精度、造價(jià)較低、抗污染能力強(qiáng)、性能良好。但電液比例控制系統(tǒng)易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)和死區(qū)范圍較大，且與開關(guān)控制相比，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，尤其是比例閥的驅(qū)動(dòng)放大電路非常復(fù)雜。（3）數(shù)字控制閥組成的液壓閉環(huán)同步控制回路，該類閥是近年逐漸發(fā)展起來的新型機(jī)電液一體化控制元件，它的最大特點(diǎn)就是可直接與計(jì)算機(jī)接口，不需A/D轉(zhuǎn)換，該類閥也具有高的抗污染能力并且內(nèi)泄漏小。因此，它組成的液壓同步控制系統(tǒng)控制方便、可靠性高、重復(fù)精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接控制。而在液壓同步閉環(huán)控制中，提高控制精度和響應(yīng)速度，克服滯后性仍是高精度液壓工程機(jī)械中需要解決的問題。基于以上分析，設(shè)計(jì)了以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制錐閥來實(shí)現(xiàn)大流量、高精度、高響應(yīng)同步閉環(huán)控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

系統(tǒng)采用的脈寬調(diào)制式（PWM）高速開關(guān)閥價(jià)格低、抗污染能力強(qiáng)、工作可靠、重復(fù)精度高、成批產(chǎn)品的性能一致性好。但由于高速開關(guān)閥本身結(jié)構(gòu)限制而允許通過的最大流量較小，因此不能應(yīng)用于大流量控制系統(tǒng)［2］中。而把高速開關(guān)閥作為一個(gè)先導(dǎo)閥控制一個(gè)邏輯錐閥，則可進(jìn)行大流量的比例控制。

1.1 高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

系統(tǒng)采用的是貴州紅林機(jī)械廠研制生產(chǎn)的高速螺線管式電磁閥——HSV系列二位二通高速開關(guān)閥。其結(jié)構(gòu)如圖4所示，其工作原理如下：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出PWM信號(hào)是線圈通電時(shí)，銜鐵1產(chǎn)生的電磁推力通過頂桿5使球閥6向右運(yùn)動(dòng)，供油球閥6最終緊靠在供油球閥的密封座面上，使供油口與控制口斷開，控制口沒有液壓油輸出。當(dāng)線圈斷電時(shí)，供油球閥6在供油口和控制口壓差的作用下向左運(yùn)動(dòng)，使供油球閥6打開，控制口有液壓油輸出。

1.2 高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制錐閥的工作原理

圖5中1是內(nèi)帶阻尼孔的邏輯錐閥，2是脈寬調(diào)制式高速開關(guān)閥。當(dāng)高速開關(guān)閥在圖中狀態(tài)時(shí)，錐閥控制腔P1和進(jìn)油腔壓力PS相等，通過錐閥阻尼孔和高速開關(guān)閥的油液為零，控制腔油液封閉不流動(dòng)，此時(shí)錐閥關(guān)閉；當(dāng)高速開關(guān)閥斷電時(shí)，高速 開關(guān)閥處于打開狀態(tài)，控制油腔通過高速開關(guān)閥流回油箱，由于控制油腔壓力P1通過阻尼孔而下降，錐閥芯開啟。由于高速開關(guān)閥是采用PWM控制，通過調(diào)節(jié)調(diào)制率D（即占空比）的大小，可以改變通過高速開關(guān)閥的流量，進(jìn)而得到不同的控制腔壓力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)通過錐閥流量的調(diào)節(jié)［3］。

1.3 新型同步控制系統(tǒng)原理

如圖3所示，圖中9為主動(dòng)缸，10為從動(dòng)缸。主動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)位移由安裝在活塞桿上的位移傳感器11測(cè)出。相應(yīng)地，從動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)位移由位移傳感器12測(cè)出。系統(tǒng)基本的工作原理是：以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥，控制邏輯錐閥實(shí)現(xiàn)大流量的比例控制。具體的工作過程表述如下；當(dāng)換向閥3和4通電工作在左側(cè)狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)AT89S52產(chǎn)生用于控制高速開關(guān)閥的PWM信號(hào)。當(dāng)高速開關(guān)閥開啟時(shí)，錐閥控制腔油壓下降使錐閥開啟，油缸有桿腔泄油，兩缸同時(shí)向右運(yùn)動(dòng)，即活塞桿伸出。反之，錐閥關(guān)閉，油缸有桿腔不泄油。當(dāng)兩缸在運(yùn)動(dòng)中不同步時(shí)，由兩位移傳感器分別測(cè)量?jī)筛椎奈灰浦挡⑼ㄟ^ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)AT89S52中，通過比較和計(jì)算后輸出相應(yīng)的調(diào)制率值的PWM控制信號(hào)，從而改變通過錐閥的流量，進(jìn)而得到缸的不同運(yùn)動(dòng)速度，以達(dá)到兩缸同步。此處，輸出PWM控制信號(hào)有兩種工作方式：一是隨動(dòng)控制輸出方式以主動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)位移為基準(zhǔn)，從動(dòng)缸跟隨主動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)并以兩缸的位移差作為高速開關(guān)閥的輸入信號(hào)。即單片機(jī)AT89S52的輸出信號(hào)用于調(diào)節(jié)高速開關(guān)閥8的調(diào)制率從而改變從動(dòng)缸中的流量的大小以達(dá)到加快或減慢從動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)速度的目的，并同時(shí)保持高速開關(guān)閥7的調(diào)制率不變以使主動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)速度不變。如當(dāng)從動(dòng)缸的位移小于主動(dòng)缸的位移時(shí)，通過單片機(jī)調(diào)大高速開關(guān)閥8的調(diào)制率以增大通過錐閥6的流量，從而使從動(dòng)缸加快運(yùn)行以達(dá)到與主動(dòng)缸同步。反之，減小高速開關(guān)閥8的調(diào)制率以減慢從動(dòng)缸的運(yùn)行速度。二是差動(dòng)控制輸出方式，即單片機(jī)輸出信號(hào)同時(shí)調(diào)節(jié)高速開關(guān)閥7和8的調(diào)制率從而同時(shí)改變兩缸的運(yùn)動(dòng)速度。如當(dāng)從動(dòng)缸的位移小于主動(dòng)缸的位移時(shí)，通過單片機(jī)調(diào)大高速開關(guān)閥8的調(diào)制率并減小高速開關(guān)閥7的調(diào)制率。則主動(dòng)缸減慢其運(yùn)行速度而從動(dòng)缸加快其運(yùn)行速度以共同實(shí)現(xiàn)同步。其同步響應(yīng)速度比第一種要快。活塞桿縮回時(shí)原理一樣。系統(tǒng)中SSR的作用是放大單片機(jī)輸出的微弱電壓信號(hào)以驅(qū)動(dòng)高速開關(guān)閥。

2 系統(tǒng)的數(shù)字仿真

應(yīng)用 MATLAB/simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。使用simulink仿真首先需要搭建仿真模型，而搭建仿真模型得基于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)系統(tǒng)工作原理可得到主動(dòng)缸數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。為簡(jiǎn)化模型不考慮系統(tǒng)泄漏、壓力損失及換向閥對(duì)系統(tǒng)的影響。根據(jù)該模型可建立主動(dòng)缸中調(diào)制率D與液壓缸位移y或速度v之間的仿真模型，如圖7所示；以及以調(diào)制率D為輸入量，Q2為輸出量的高速開關(guān)閥控錐閥的封裝仿真模型，如圖8所示。建立仿真模型后就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。設(shè)置仿真參數(shù)，系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1，仿真時(shí)間0.5 s，選擇可變步長(zhǎng) ode15s（stiff/NDF）求解器，下面進(jìn)行高速開關(guān)閥的調(diào)制率（即占空比）分別為20%、50%、70%、90%的系統(tǒng)速度和位移的仿真響應(yīng)對(duì)比分析，系統(tǒng)仿真的速度和位移響應(yīng)曲線結(jié)果如圖9所示。

表1 系統(tǒng)的主要物理參數(shù)

從圖9可以看出調(diào)制率D越大，在相同的響應(yīng)時(shí)間內(nèi)，液壓缸活塞桿的速度越快，位移越大。因此，通過調(diào)節(jié)調(diào)制率D的大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸活塞桿的速度和位移的調(diào)節(jié)。在不同調(diào)制率下的響應(yīng)時(shí)間基本相同，為0.25 s。也就是說調(diào)制率對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間影響不大。但調(diào)制率對(duì)系統(tǒng)的超調(diào)量有一定的影響，從圖9a中可以看出調(diào)制率越大，超調(diào)量就越大。當(dāng)調(diào)制率D為0.2時(shí)的最大超調(diào)量為5%；當(dāng)調(diào)制率D為0.9時(shí)的最大超調(diào)量為7.5%。由此可知系統(tǒng)響應(yīng)快和超調(diào)量小。

假定系統(tǒng)中主回路和跟隨回路對(duì)應(yīng)的閥和缸的主要參數(shù)相等，由于同步系統(tǒng)的誤差受負(fù)載不平衡的影響比較大，在此通過設(shè)置其兩缸所受負(fù)載不平衡來觀察系統(tǒng)中兩缸在負(fù)載不平衡的情況下的同步誤差情況，設(shè)主動(dòng)缸承受負(fù)載8 000 kg，從動(dòng)缸承受負(fù)載12 000 kg時(shí)，在調(diào)制率D為0.5時(shí)，可得到系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線及位移誤差曲線如圖10所示。

圖10a中v1是主動(dòng)缸的速度曲線，v2是從動(dòng)缸的速度曲線。根據(jù)圖中曲線可知，系統(tǒng)具有很高的同步精度，其同步誤差在0.02 mm以內(nèi)，且響應(yīng)時(shí)間在0.25 s左右。如再加以位移傳感器檢測(cè)兩缸位移反饋到計(jì)算機(jī)，并通過PWM方式將相應(yīng)的調(diào)制率D送到兩個(gè)高速開關(guān)閥，進(jìn)而控制活塞缸的速度和位移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)同步系統(tǒng)的閉環(huán)控制。因此，通過施加合適的控制算法，系統(tǒng)在大型機(jī)械臂等需要較高同步控制精度的場(chǎng)合具有很好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

該液壓舉升機(jī)構(gòu)同步控制系統(tǒng)由于采用了以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制錐閥的技術(shù)策略，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）對(duì)高速開關(guān)閥控錐閥實(shí)現(xiàn)同步控制的液壓系統(tǒng)建立其數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)字仿真可知系統(tǒng)同步控制方案是可行的。

（2）由于高速開關(guān)閥閥芯行程很小，因而能以很高的響應(yīng)速度跟蹤控制信號(hào)，便于單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、抗污染能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、能耗低。

（4）以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制錐閥可進(jìn)行大流量的比例控制，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大范圍調(diào)速，并能滿足大型機(jī)械臂對(duì)功率的要求。

（5）高速開關(guān)閥和錐閥在控制上都存在著比較嚴(yán)重的非線性和延遲，在跟蹤快速變化的連續(xù)信號(hào)時(shí)誤差較大，因此必須施加合適的控制算法，才能有效提高控制精度和調(diào)節(jié)范圍。

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