基于HNC控制器的執行器電液位置速度復合控制與應用

杜恒，顏濱曲，陳暉，陳傳銘，陳淑梅

(1.福州大學機械工程及自動化學院，福建福州350000;2.浙江大學流體動力與機電系統國家重點實驗室，浙江杭州310027)

0 前言

電液位置、速度伺服系統是液壓系統中常見的兩種伺服控制系統，電液位置速度的復合控制在工程實際中應用普遍，特別是在許多高速、高精度控制場合如高速電液伺服轉向系統、高速壓鑄系統等領域，不僅要求有高的位置精度，而且對執行器運動過程的速度也有一定的要求，以提高裝備的運行性能或產品的生產質量［1］。

實際的高速執行器控制系統受多種因素的影響，如死區非線性、滯環非線性、負載波動等，高精度的位置速度復合控制有一定的難度，特別對高速場合。由于高速產生劇烈振動使得高速與高精度難以兼顧，解決該問題的一般方法是先產生一條運動軌跡，再設計相應控制器進行跟蹤［2］。考慮到工程應用的安全可靠，常采用PLC 進行控制，雖然PLC 控制普通液壓系統可滿足要求，但對于高速高精度控制系統而言，一般PLC 的掃描周期偏低，若選擇超高速PLC，其價格又極為昂貴，所以提出一種可實現高速高精度控制且易于工程應用的系統顯得尤為重要。

本文作者針對高速高精度電液位置速度復合控制的特點，采用Rexroth 的HNC100 專用電液控制器作為主控單元，應用內置的高速制動控制模式(Position depending braking)和位置閉環控制模式(Servo control)，滿足不同的速度和精度的控制需求。搭建相應試驗臺進行簡化類比試驗，驗證該方法的可行性，為工程應用提供一種新的嘗試。

1 數學建模與分析

實際高速執行器工作過程存在兩種典型工況，一是運動過程負載變化較小、速度極快;二是運動過程負載變化大，速度較前者慢。這兩種典型工況有一定的異同點，相同之處:位置精度要求高且負載存在波動;不同之處:前者速度極快，難以閉環控制，后者速度較慢，可閉環控制。

為進一步明確二者特點，同時論證HNC 控制算法適用于典型工況的理論基礎，結合HNC 控制器并建立相應數學模型進行理論分析。

HNC 系列控制器為Rexroth 公司根據其在電液控制方面積累的豐富經驗與技術，開發出針對單軸、多軸的液壓專用控制器［3］。硬件方面，采用高速處理芯片，在保證全部程序穩定運行前提下，掃描周期最低可達0.5 ms，約為普通PLC 掃描周期1/10;軟件方面，具有各種復雜及專用的控制策略，其中針對位置控制模式，就包含變增益、狀態反饋、制動曲線功能以及各種針對閥的非線性處理。可見，HNC 控制器可用于電液伺服控制，在高速高精度控制方面仍可適用。

針對高速執行器的典型工況，HNC 存在多種適用的控制模式，其中高速制動控制和位置閉環控制模式更適合實際高速執行器工作過程存在的兩種典型工況。

下面先針對兩種典型工況控制的共同點進行分析，高速執行器的運動可簡化為典型的閥控缸系統，如圖1所示。

閥控缸系統，在沒有彈性負載或者負載剛度變化較小的時候，傳遞函數為［4］:

式中:ωh為液壓固有頻率;Kce為總的流量－壓力系數;ζh為液壓阻尼比。

當存在彈性負載時，系統傳遞函數為［5］:式中:ω1為液壓彈簧剛度與阻尼系數(低頻速度剛度)之比;ω2為負載剛度與阻尼系數之比;ωr為液壓彈簧和負載彈簧串聯耦合時的剛度與阻尼系數之比。

與無彈性負載時相比，彈性負載的作用使系統變成0 型系統，并給系統的設計和調整帶來困難。若系統按帶載時整定好參數，在空載時穩定性就要變差。反之，若按空載條件整定好系統的參數，在帶載時又會使頻寬降低［5］。

可見，針對高速執行器的兩種典型工況均存在的負載波動的影響，可采用變增益控制方式對負載波動進行抑制［5］，而HNC 可以方便快捷地實現變增益控制，且僅需在增益控制部分設置即可。

上述對兩種典型工況相同點進行了分析，此外，由于其運動速度有一定差別，故過程控制存在差異。

工況一:當速度極快時，由于閥控缸位置控制系統的開環傳遞函數可簡化為［5］:

上述模型為I 型系統，則閉環系統穩定條件為:

式(4)給出了保證系統穩定條件下允許的最大速度放大系數Kv值。由于ξh容易變化且不易測試，計算值誤差又偏大，對于ξh值為0.1 ～0.2 左右的位置伺服系統，則穩定條件一般為［5］

此時受限于閥的頻寬與液壓諧振頻率，位置速度復合控制難以做到實時控制，且系統易振蕩，則此時可以采用HNC100 的高速制動控制模式，該算法特點是在執行器運動過程中采用位置開環控制，接近目標指令時轉為位置閉環控制，該方法既可保證運動過程的高速，又能保證最終的位置精度。

HNC 控制器為減少制動過程的超調，設置了兩種實用的制動曲線，即線性制動曲線與開方制動曲線［6］，如圖2所示。采用線性制動控制可使制動過程速度變化與位移成線性關系，同時加速度隨時間遞減，即系統接近終值時，適當減少增益，可實現制動過程無沖擊，提高制動定位精度［7］。采用開方制動控制，制動過程加速度恒定，在制動最后階段仍存在加速度，即有軟沖擊，這不利于位置控制，此模式僅在工藝要求恒減速時選用，一般系統選擇線性制動控制模式。

圖2 HNC100 制動曲線函數

然而，由于控制器輸出給閥件的信號為固定值，則負載不同可造成實際速度的波動，為保證運動過程中實際速度接近指令值，可采用HNC100 的速度修正功能，修改控制器給閥的輸出，盡可能使實際速度接近指令值，進而保證系統穩定、減少過程速度的誤差，同時保證最終位置控制的高精度，但此法較適合極高速度下，過程負載變化不大的場合。

對于負載波動較大的場合，一般多為彈性負載，此時系統為0 型系統，采用以上所述的變增益方法可以保證系統的穩定，但變增益往往導致過程速度變化即運動速度精度差，同時0 型系統常存在穩態精度與快速性矛盾［8］，對此需采用HNC 的位置閉環控制模式。該控制算法中的位置命令信號采用斜坡信號，并對加減速過程進行優化處理，采用軌跡跟蹤控制，則控制位置的同時也控制速度。雖然此法目標期望是跟蹤誤差最小，但最終位置和過程速度精度也能達到工程要求，該算法較適用于該工況。

2 試驗平臺搭建與試驗

為檢驗上述控制模式的有效性，搭建相應試驗系統，該系統主要由對頂油缸、比例閥、位移傳感器、HNC100 控制器、安裝有WEIN-PED5.10 和Win-View3.5 的計算機以及其他相關設備組成。通過WIN-PED 對系統參數進行設置，結合WinView 對試驗結果進行數據采集與在線診斷，如圖3所示。

圖3 試驗平臺及WIN-PED 界面

2.1 高速制動控制

針對以上提到的工況一，結合試驗臺做類比試驗。由于該工況負載波動較小，則設定負載油缸壓力為定值2 MPa，速度設定為試驗臺最高速100 mm/s，利用HNC 的高速制動模式進行位置控制，通過G01編程指令，指定位置命令值為100 mm，精度設定為0.1 mm，速度命令值設置為100 mm/s。主系統壓力為10 MPa，負載油缸壓力為2 MPa。采用線性制動曲線。考慮到閥的死區影響，采用閥非線性補償功能，參數設置如圖4所示。

通過調節PDT1 參數，得到試驗結果曲線如圖5，其測量位置最大值為100.45 mm，超調量為0.45 mm，穩定值為100.01 mm，速度穩定于115.00 mm/s左右，波動幅度約為10.00 mm/s。由于速度穩態值誤差較大，則可修正HNC 的Control variant 中adjustment 選項，即電壓與速度的關系，以修正輸出速度大小。

圖4 閥的非線性補償窗口

圖5 位置制動控制曲線

通過多次調整參數，得到較好的實際運動曲線，其位移超調量為0.30 mm，位置穩態誤差為0.07 mm，位置響應精度基本不變，速度穩定于101.20 mm/s 左右，波動幅度約為5 mm/s，速度穩態值誤差為6.20 mm/s，精度提高且滿足工程要求。故對運動過程負載變化較小、速度極快的工況，HNC 的位置制動控制模式可很好地滿足控制要求。

2.2 全程位置閉環控制

針對以上提到的工況二，由于負載波動較大，則負載油缸壓力分別設定為1 MPa，2MPa，3 MPa，以模擬負載變化。采用HNC 位置閉環控制模式，同樣采用G01 編程指令，位置命令值為100 mm，位置精度為0.1 mm。速度設置為100 mm/s，閥非線性補償、PDT1 參數設置與高速制動控制一致。為提高速度精度，該控制模式需要對速度控制參數面板進行設置，如圖6所示。

圖6 速度控制參數設置窗口

經過多次調節參數，試驗結果如圖7所示，各參數穩態值列于表1。從圖7 可以看出，在不同負載下的速度位移曲線基本重合，且從表1 可更直觀看出，在位置閉環控制模式下，實際位移曲線與速度曲線基本不受負載波動影響，且位置和速度精度滿足工程需要。

圖7 不同負載壓力下的位移速度曲線

表1 全程位置閉環控制下的位移速度穩態值

3 總結

(1)在高速執行器的電液位置速度復合控制場合，HNC 專用控制器可滿足軟硬件要求，其內置多種控制模式，可應用于多種工況，其控制算法適應性強，且調整方便，可有效應用于工程實際;同時，其響應快速，定位精度高，特別適用于執行器的高速、高精度控制。

(2)HNC 的高速制動模式，適用于速度極快工況，實現先開環后閉環控制，應用速度修正功能，可實現過程速度調整并保證最終位置精度，類比試驗結果表明，HNC 可有效實現上述功能;HNC 位置閉環控制模式，可抵抗負載擾動，能在負載波動較大的工況下保證位置與速度精度，避免高速執行器運動過程中負載變化對速度產生的影響，構建變負載試驗，結果表明HNC 可實現精確位置控制，保證過程的速度精度，且不受負載變化影響。基于HNC 的高速執行器控制為此類工程應用提供了一種簡便、有效的方法。

［1］柏艷紅，權龍.電液位置速度復合伺服系統控制策略［J］.機械工程學報，2010，46(24):150－155.

［2］SHI Xinxin，CHANG Siqin.Extended State Observer-based Time-optimal Control for Fast and Precise Point-to-point Motions Driven by a Novel Electromagnetic Linear Actuator［J］.Mechatronics，2013，23(4):445－451.

［3］張冀南.電液軸控制系統在壓機中的應用［J］.液壓氣動與密封，2005(2):39－41.

［4］YAO Jianjun，DI Duotao，JIANG Guilin，et al.High Precision Position Control of Electro-Hydraulic Servo System Based on Feed-Forward Compensation［J］.Research Journal of Applied Sciences，Engineering and Technology，2012，4(4):289－298.

［5］李洪人.液壓控制系統［M］.北京:國防工業出版社，1981.

［6］Help Document of WIN-PED［M］.Application Version 5.10，Rexroth Bosch Group，2004.

［7］徐旭，車延博.現代運動控制系統中的運動控制器及其應用［J］.機床與液壓，2007，35(7):153－154，15.

［8］喬文剛，蔡衛娟，劉海法，等.壓力機電液比例位置控制系統仿真與PID 校正分析［J］.機床與液壓，2008，36(3):110－112.