集成液壓執行器的智能控制

房家軍，郁漢琪

(南京工程學院，江蘇 南京 210000)

1 集成液壓執行器的智能控制的發展現狀

典型的液壓系統是以液壓缸為執行器的,在這個系統中加入位移傳感器、壓力傳感器及控制器就能構成位移及壓力的閉環控制系統。它具有液壓伺服系統的一般性優點,能滿足多數應用要求[9]。位置閉環控制是線性液壓傳動在不同機器和生產設備中的一種非常頻繁的應用。液壓缸可用于兩側活塞桿或差動活塞-差動缸。第一個具有對稱屬性，第二個具有非對稱屬性。閉環控制應保證定位的準確性。利用反饋和合適的控制器，也可以影響驅動的動態，實現驅動的快速響應，滿足了很多技術要求。此外，通常重要的是能夠在不同的模式下操作驅動器，例如，在向后高速運動的情況下，可以切換到力控制。目前伺服驅動的典型實現是基于使用精確和高動態的伺服閥，但成本較高。如果采取基于比例閥的使用，則成本易于接受。

伺服閥廣泛應用在伺服系統中，是將電信號轉化為液壓信號的關鍵元件，伺服系統的品質直接受到伺服閥性能的影響[10]。這兩種類型的閥門通常使用具有4個控制邊緣的線軸，它代表可變的液壓阻力，從液壓回路結構的角度來看，構建了完整的液壓惠斯通橋[1，5，6，8]。圖1顯示了使用4個可變液壓阻力控制液壓缸的情況，這4個阻力代表了伺服閥線軸的4個控制邊緣。白色填充箭頭表示控制邊沿正方向通過線軸運動打開，黑色填充箭頭表示控制邊沿負方向通過線軸運動打開。

圖1 使用具有可變4個控制邊的控制閥控制液壓缸

由于4個控制邊是使用一個線軸實現的，因此所有的液壓阻力都會同時改變其值——根據線軸位置Xs的不同，橫截面面積。根據線軸類型的不同，開口是相同的，或者，如果使用特殊的線軸，它們可以在控制邊緣的兩對的給定比例上有所不同。采用4個比例流量閥實現全液壓橋，可以分別控制每個閥門，并針對不同的控制任務設置不同的控制算法。它們用于液壓缸的位置控制和下一個控制任務將在下面內容中介紹。

2 閥門控制線性加速器的數學模型

帶有閥門控制液壓缸和電源裝置的液壓回路的結構如圖2所示。由于技術的發展，在許多應用中都要求活塞桿耗盡氣缸的垂直位置。圖2標記了描述液壓驅動狀態的主要變量。

圖2 垂直位置帶有閥控差動缸的液壓回路

可以使用描述液壓回路主要部件的數學模型來分析液壓系統的動態特性: 差動液壓缸、控制閥、具有液壓能力的電源裝置。該傳動裝置的不對稱性是由于活塞和環形側不同面積造成的幾何不對稱性引起的，其特點是面積比不同：

(1)

氣缸室中壓力不對稱的補償是可以實現使用閥門與軸與不同的流量范圍SVA，SVB的特點是比率：

(2)

對液壓執行器性能的分析來自于各部件的數學模型。液壓缸用運動方程[3，7]描述：

(3)

其中FT是庫侖摩擦力，b是粘性摩擦系數。氣缸室中的壓力由兩個微分方程定義：

(4)

(5)

液壓容量取決于箱體體積和體積模量K:

(6)

QL、QLA、QLB描述了內漏流和外泄漏流，h是氣缸的沖程。通過方程描述了每個控制邊緣的通過控制閥的流量

(7)

i=PA，AT，PB，BT.

常數B描述了閥孔流動增益，xs是線軸位置。線軸動力學可以用具有時間常數Tsv和阻尼比ξsv的二階項進行建模，這與線軸的運動方程相對應

(8)

其中u是唯一的控制閥的命令信號。

流量氣通過不同的控制邊緣PA、AT、PB、BT取決于相應控制邊緣上的實際壓降ΔPi，這就導致了執行器的不對稱行為--腔內壓力不對稱和速度增益不對稱。腔內壓力不對稱影響最大推拉載荷力。計算了在比率=2的不同閥門開口的速度-負載特性，如圖3所示。

在開環中控制的氣缸活塞的非對稱速度-載荷特性導致活塞速度不同。這意味著開環系統的速度增益取決于運動方向-活塞速度[1，3，5]。閉環位置控制的設計必須考慮到這一情況。物理上的增益由運動的方向不同，并且為此控制的質量 (準確性、跟隨錯誤、干擾消除)取決于運動的方向。圖3中所描述的是差動缸的非對稱特性。

圖3 速度α=2,β=1的非對稱執行器的負載力特性

特別是在左側的負載荷力可以消除使用控制閥與不同的流量面積的特點為比例β。執行器具有圖4所示的速度-負載特性。表1總結了兩個運動方向的主系統變量的穩態值，并考慮了通過閉環位置控制的情況[3]。

圖4 速度α=2,β=2的非對稱執行器的負載力特性

表1給出了比率α和比差β、系統壓力P0、特定電壓流動QJMEN和壓實PJMEN所表征的亞速反應器系統變化的穩態值。

表1 主系統變量的穩態值

3 四閥控制

圖5顯示了使用4個獨立的液壓電阻R1、R2、R3、R4控制的差動缸的液壓電路，它們可以構成完整的惠斯通橋。電阻的值通過輸入信號u1、u2、u3和u4進行控制。可以分別控制進入氣缸左右室的流動，從而用氣缸實現可變任務。也可以只使用3個、兩個或一個電阻來控制氣缸。

圖5 使用4種獨立的液壓阻力控制液壓缸

4個輸入信號u1、u2、u3和u4允許單獨或分組操作電阻-兩個電阻R1和R2，接下來兩個電阻R3和R4作為兩個3/3控制閥。閥門配置提供了不同的控制選項，驅動的最終特性只取決于合適的控制信號的生成。

智能生成的控制信號u1、u2、u3和u4允許:①控制由使用的經典的 4/3控制閥。 ②對差動缸不對稱特性的補償。③位置控制。④速度控制。⑤力量控制。⑥將這些任務組合在相同的控制閥上。⑦采用兩座半橋 (如B室) 的組合控制，平衡重力，通過A室控制活塞運動。

在試驗臺上對所述液壓控制電路的功能進行了測試，并在下面內容中介紹了設計的液壓執行器取得的一些成果。

4 集成執行器

液壓全惠斯通橋采用四種比例固體操作的雙向彈簧閥實現。圖6顯示了數據表中使用的閥門的參數。這些閥門的優點是，當它們關閉時，每個閥門都起到止回閥的作用，從連接點1到連接點2可能會有流量。在相反的方向閥門是關閉的。通過控制，打開從2到1的流動路徑，流量取決于輸入信號。該閥門允許低泄漏堵塞，也適用于負載。

圖6 比例流量控制閥，目錄數據

4個比例閥是在液壓缸的一個組成部分的歧管中制造的[4]。試驗臺上的集成液壓執行器如圖7所示。

圖7 集成液壓執行器

在試驗臺上測量了不同閥門開口的靜態特性P-Q和Q-U特性，并利用抖動信號盡可能地補償了所獲得的滯后性。通過控制算法的設計，考慮了閥門的測量實際性能，所使用的控制器盡可能地補償了閥門的非線性。

采用3種控制系統對四比例控制閥的線性液壓執行器進行控制。第一個是實驗室控制系統，第二個控制系統被設計為嵌入式控制系統，最后還對工業控制系統進行了測試。活塞位置使用帶有數字輸出信號的集成位置傳感器進行測量。

控制器和位置傳感器之間的通信是使用CAN總線的。利用串行線將嵌入式控制系統連接到PC機，對控制算法進行參數化，并觀察測量數據。通過使用工業控制器進行控制，取得了較好的效果。

實現的控制算法允許在兩種基本模式下控制液壓執行器:開環和閉環控制。

活塞位置使用控制算法進行控制，該算法控制所有4個比例閥。對于4個比例閥，命令值在4個命令值u1、u2、u3和u4中拆分。控制算法還補償了它們的非線性，保證了實現所需的定位精度。單獨控制每個控制閥的可能性允許使用命令信號實現差動缸的補償，也可以實現其他控制任務，如非常精確的位置控制、壓力控制、使用和控制比例閥作為安全閥[2，3]。由于非線性比例閥特性和重疊補償的線性化，這些所有的控制變量都是可能的。

圖8給出了使用工業控制系統的位置控制測量結果。

工業控制系統還涉及用于控制比例閥的電子電路和輸出放大器。在許多工業應用中，具有作用的外部負載力所實現的位置控制的精度是可以接受的。

5 結語

本文所提出的線性液壓執行器由4個比例控制閥實現的全液壓橋控制，可實現位置，速度和力的控制。所述概念的優點還在于簡單地實現了諸如定位，高速后退運動和力控制的組合任務。驅動功能的變化只在控制水平上使用特定的控制算法，運行于相同的液壓電路。另一種控制概念是基于通過單獨的比例控制閥獨立控制兩個氣缸室，這些比例控制閥直接集成在氣缸上的歧管中。在利用數學模型和仿真進行分析的基礎上，對驅動性能進行了解釋。

該控制器可以集成到機器的控制系統中，也可以作為分層控制系統的一部分，作為獨立的控制器實現。在實驗室試驗臺上試驗得到的測試結果證實了執行器滿足閉環控制液壓驅動許多工業應用要求的能力。

圖8 使用工業控制系統的閉環位置控制測量結果