伺服液壓缸壓下系統動態特性測試方法研究

楊清華

（江蘇城市職業學院，江蘇 常州 213001）

現代機械加工業的飛速發展需要高精度的傳動技術，液壓傳動是重工業領域起主導作用的傳動技術，這就對精確實現液壓驅動提出了更高的要求。近幾年來，擁有較快響應速度和較高控制精度的伺服液壓缸在液壓行業的應用日趨廣泛［1］。

液壓缸性能好壞很大程度上決定了整個液壓系統的性能，因此探索液壓缸性能的檢測方法有著實用意義，液壓缸只有經過性能檢測，滿足控制精度之后才能批量投產使用［2］。液壓缸的測試分為靜態測試和動態測試，靜態測試反映液壓缸的常規性能，而動態測試反映液壓缸的控制精度。本文將結合某大型鋼廠的液壓壓下伺服系統，運用PID控制理論研究伺服液壓缸的閉環頻域響應特性，此次采用無負載測試獲取閉環液壓系統動態特性，以實現精確的定位，要求壓下系統位置控制精度±0.05 mm，超調量＜10%，壓下系統位置控制響應時間80ms，動態響應指標是在±0.1mm幅值下系統頻寬7～9Hz。

1 系統測試方法

本系統采用伺服閥對測試系統實現位置閉環控制，通過在回油腔安裝電液比例溢流閥的方法進行系統的背壓加載，利用壓力傳感器和位移傳感器實時測量和監測活塞位移和負載力，活塞的位移由傳感器檢測并反饋給PID控制器，此測試系統是位置閉環控制系統，可簡單準確地測定液壓缸頻率響應特性。

伺服液壓缸規格：?1050×?970－30，工作壓力無桿腔31.5MPa，有桿腔3MPa/10MPa（背壓）；信號控制器為數字式軸控制器，可實現閉環控制和NC編程控制；緩沖放大器的作用是連接PLC模擬輸出和模塊化的輸出，另一側連接的是位移傳感器和伺服閥，緩沖放大器解決了PLC的輸出與伺服閥的驅動不相容的問題，同時提供信號濾波功能。系統控制圖和測試液壓系統圖如圖1、圖2所示。

圖1 測試系統控制圖

圖2 測試系統液壓原理圖

在測試液壓系統中，D791伺服閥用作四通節流型流量控制閥，最大流量可達到250L/min，此閥的作用是控制液壓缸的位置和壓力。本系統采用無負載測試，電液比例溢流閥控制液壓缸反腔壓力，對液壓缸進行模擬加載。壓力傳感器和位移傳感器實時檢測液壓缸反腔壓力和液壓缸的位移并向速度控制系統和模擬加載系統發出指令信號，實現閉環控制。

2 系統測試及結果分析

伺服液壓缸的動態特性測試，所運用的主要方法是頻率響應測試方法和階躍響應測試方法［3］。

PID控制器的參數的確定是控制的關鍵技術，PID控制器參數整定的方法很多，本文采用湊試法整合出控制參數［4］。

2.1 閉環階躍響應測試

調節泵組壓力分別為5MPa和10MPa時，將伺服液壓缸的有桿腔背壓調節為3MPa，調整系統P、I參數為最優值，最終確定P參數為45，I參數為120，并進行閉環階躍響應測試。由實驗結果可知壓下系統在±0.1mm階躍幅值下，響應時間42 ms，滿足位置控制精度和響應時間的要求。表1為泵組壓力為10MPa的實驗數據

表1 泵組壓力為10MPa的實驗數據

2.2 油缸閉環頻域響應測試

將恒壓泵組的壓力調節為10MPa，伺服液壓缸有桿腔背壓為3MPa，進行閉環控制，進行±0.1 mm幅值的頻域響應測試，逐步增大激勵信號的頻率，直至幅值比≤12dB，相位差≤180°。根據測試數據以及曲線，繪制Bode圖（幅頻特性如圖3所示，相頻特性如圖4所示），圖3中特性曲線與－3 dB刻度線的交點值即為幅頻寬，圖4中相頻特性曲線與－90°刻度線的交點即為相頻寬，由此方法測出系統頻寬為7～9Hz，滿足系統的動態響應指標要求。

圖3 系統幅頻特性曲線

圖4 系統相頻特性曲線

3 結論

本系統采用在回油腔安裝電液比例溢流閥的方法進行系統背壓加載，并采用電液伺服閥實現了位置閉環控制，利用計算機輔助測試系統處理結果，并繪制出被測試伺服液壓缸的動態響應特性曲線。

本測試方法克服了傳統的對頂缸加載系統體積龐大、造價昂貴的缺點。實踐證明該測試系統工作可靠，使用方便，測試效率高，該伺服缸測試系統已在某公司投入使用，具有一定的推廣價值。

［1］ 關景泰.機電液控制技術［M］.上海：同濟大學出版社，2003.

［2］ 馬廉潔.液壓與氣動［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［3］ 孟繼梅，韓曉明.基于閉環控制的壓力控制系統研究［J］.液壓與氣動，2009（9）：31－33.

［4］ 付曙光，陳奎生.伺服液壓缸靜動態性能測試系統研究［J］.中國工程機械學報，2010（8）：91－95.