電液伺服系統能源壓力閉環控制算法研究

張小紅，陳克勤，曹英健，戴 瑩，劉 璐

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電液伺服系統能源壓力閉環控制算法研究

張小紅，陳克勤，曹英健，戴 瑩，劉 璐

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

為了減少電液伺服系統能源無用功的損耗和系統發熱，介紹一種能源壓力閉環控制算法。采用分段變增益調速和三冗余壓力表決算法，實現能源壓力閉環控制。建立了液壓能源蓄能器數學模型和控制算法模型，通過了仿真分析和試驗驗證，表明控制算法有效，顯著降低系統無用功的損耗和發熱。

液壓能源；壓力閉環控制；三冗余

0 引 言

液壓伺服系統具有響應速度快、負載剛度大、功率體積比大的優點，使其在導彈或火箭控制系統中得到廣泛應用。然而液壓伺服系統對溫度變化較為敏感，長時間工作時，隨著溫度的升高會使泄漏量增大，導致液壓伺服系統性能降低，同時也影響伺服系統元件的使用壽命[1]。

飛行器長時飛行需求，對電液伺服系統工作時間提出更加嚴酷要求[2]。為了提高飛行器的再入機動性和能量利用效率，液壓系統正朝著高壓化、大功率、重量輕、體積小、節能、變壓力、變流量和負載敏感調節等方向發展，實現高壓、變壓力和變流量功能，是解決液壓系統無效功耗和溫升問題的有效途徑[3]。

依靠蓄壓器提供瞬態流量和功率，本文將蓄能器充氣壓力作為控制量對電液伺服系統實行壓力分檔控制，根據兩種不同工況實現變壓力的分段變增益和三冗余表決能源壓力閉環控制算法，以有效減少系統無用功的損耗，減少系統的發熱。

1 液壓能源蓄能器數學模型

電液伺服系統由電動液壓能源、伺服作動器和伺服控制驅動器等單機組成，如圖1所示。

直流無刷電機驅動油泵為伺服系統提供液壓動力，伺服控制驅動器接收控制指令，采集伺服作動器的位移信號形成閉環控制信號，伺服作動器根據控制信號驅動伺服閥進行液壓功率放大，通過活塞桿的伸縮帶動負載運動。

伺服系統液壓能源蓄能器在啟機工作過程中氣體狀態轉移如圖2所示。

圖1 電液伺服系統原理

圖2 蓄能器氣體狀態轉移

在蓄能器向負載排液過程中氣體狀態的變化可按絕熱過程計算，由蓄能器氣體狀態轉移可得蓄能器流量、壓力方程[4]：

結合蓄能器特性，得到液壓源工作中的動態數學模型如式（4）所示。

式（3）、式（4）描述了液壓源在工作過程中輸出壓力隨負載流量間的動態數學關系。

2 壓力閉環控制算法

圖3 能源閉環控制原理

電機速度伺服控制采用分段變增益控制算法，伺服控制驅動器接收液壓能源上能源高壓傳感器、充氣壓力傳感器的信號，經處理后，根據壓力閉環控制算法，計算出電機占空比，由電機控制單元調整電機轉速，使系統壓力穩定地工作在（12±1）MPa（低工況）、（21±1）MPa（高工況），分別如圖4、圖5所示。

圖4 低工況壓力-占空比控制策略曲線

圖5 高工況壓力-占空比控制策略曲線

低工況電機占空比1與能源壓力控制算法如下：

高工況電機占空比2與能源壓力控制算法如下：

3 壓力閉環控制仿真模型

利用Matlab/Simulink建立液壓能源系統模型，電機模型簡化如圖6所示，各參數的定義及取值如表1所示。

圖6 能源閉環控制回路

表1 能源閉環控制模型的主要參數

Tab.1 Main Parameters of Power Supply Pressure Close-loop

序號參數取值 1系統壓力Ps/MPa低工況12，高工況21 2常數n1.4 3啟機前充氣壓力P0/MPa9 4蓄能器最大排油時剩余體積V0/L0.437 5泄漏量Q0/(L·min-1)4.7 6油泵排量Q1/(mL·r-1)1.26 7電機力矩系數Kt/((N·m)·A-1)0.07 8電機與油泵轉動慣量Jv/(kg·m-2)1.23×10-4 9電機電感L/H1.3×10-4 10電機電阻R/Ω0.066 11電機電壓U/V低工況56，高工況96 12油泵效率λ190% 13電機效率λ275%

4 三冗余壓力表決算法

為提高液壓能源系統的可靠性，液壓能源系統配置了兩個能源高壓和一個充氣壓力傳感器測量液壓系統的壓力，利用這3路不同特性的信號對液壓能源實施三冗余壓力閉環控制，在任意一路信號出現異常的情況下，均能自動識別出異常信號排除其干擾，保證系統正常工作[7]。

設計的算法如下：

由于充氣壓力位于蓄能器端是經過蓄能器濾波以后的信號，信號平穩，因此在設計算法時優先考慮；當充氣壓力相對于兩路能源高壓均差距過大時，為防止信號采集時野點干擾判斷將連續判斷的時間設為100 ms，即當連續超過100次異常時可判定充氣壓力異常，切換至能源高壓2進行壓力閉環控制。

兩個能源高壓信號有高頻噪聲，用于控制不利于系統穩定，因此經過濾波后與充氣壓力一起經過三冗余壓力決策算法后，用于壓力閉環控制。

該三冗余壓力表決算法可以適應各種異常情況，可顯著提高液壓系統的工作可靠性。

5 仿真和試驗結果分析

系統試驗中，液壓能源充氣壓力為9 MPa，連接油管和4臺伺服作動器，進行了兩種工況下的啟機測試，圖7為實際試驗結果與仿真結果對比。

圖7 建壓對比曲線

由圖7可知，低工況建壓時間為2.3 s；高工況建壓時間為3 s，滿足任務書規定的建壓時間要求，建壓完成后，壓力平穩，無波動。由于仿真過程中未考慮作動器等非線性因素影響，故試驗結果與仿真計算建壓過程中曲線存在一定差異，但建壓時間及建壓后能源壓力基本一致，能夠滿足使用要求。

在12 MPa壓力條件下，與采用傳統的恒速變量泵能源的系統相比，作動器在靜態工作條件下，電機電流消耗實測由15 A降到10 A。在21 MPa壓力條件下，電機電流消耗則由25 A降到20 A；此外，工作9 min后，溫度由135 ℃降至70 ℃以內。能源消耗降低顯著，系統降溫效果良好，系統的工作壽命和本質可靠度顯著提高。

6 結 論

a）采用分段變增益和三冗余表決能源壓力閉環控制算法對伺服系統能源壓力實施分檔實時閉環控制，建壓后，壓力平穩，無波動，建壓時間滿足技術要求；

b）可有效減少系統無用功的損耗，減少系統的發熱，在某伺服系統中已得到廣泛地應用。

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Research on the Close-loop Pressure Control Algorithm of a Power Supply in Electro-Hydraulic Servo Systems

Zhang Xiao-hong, Chen Ke-qin, Cao Ying-jian, Dai Ying, Liu Lu

(Beijing Research Institute of Precision Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing, 100076)

A close-loop pressure control algorithm for a power supply in electro-hydraulic servo systems is introduced to reduce power supply loss and heating. A piecewise variable gain and triple redundancy pressure voting algorithm are used to implement the close-loop supply pressure control. The mathematical model for the hydraulic accumulator and the control model are presented, simulation and experiment performed. It shows that the control algorithm is effective to significantly reduce the power loss and therefore the generated heat.

Electro-hydraulic; Power supply; Control algorithm

1004-7182(2018)01-0074-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20180115

V44

A

2017-04-22；

2017-05-15

國家科技支撐計劃資助項目（2015BAF32B01）

張小紅（1984-），男，工程師，主要研究方向為伺服系統總體設計