某液壓伺服系統振動分析及改進

宋麗華，張廣闊

（1.大連四達高技術發展有限公司，遼寧大連 116023；2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

傳統液壓系統的動作不是特別精確，因為大部分液壓閥是開關閥，控制方式常常是開環控制，或者使用不精確的反饋機制，例如限位開關或由操作員控制的操作桿。隨著液壓系統在航空航天領域的發展，液壓傳動系統已經不能滿足對其精度高、響應快、定位準等的高要求，因此，液壓伺服控制系統逐漸發揮其優勢并應用越來越廣泛[1]。本文所研究的設備為航空航天領域某機構試驗系統，旨在研究液壓同步伺服系統的應用[2]，從機構實際應用中遇到的問題著手，分析并找到解決方案，為液壓伺服控制系統在實際應用中提供參考。

1 機構組成

如圖1 所示，機械結構為液壓油缸雙缸同步控制機構，2 個油缸的缸桿端同時鉸接在機械結構件上，無桿腔為自由端；當油缸無桿腔供油時，雙缸同時伸出，要求雙液壓缸具有較高的同步精度，推動機械結構件圍繞轉軸進行擺動，從而使機械結構完成一定范圍內的角度運動。

2 系統控制原理

圖1 機械結構

如圖2 所示，為本機構液壓同步伺服控制原理圖[3]，圖中2個液壓缸各自由1 個伺服閥控制，伺服閥采用國際知名品牌德國力士樂4WSE2E 系列帶集成電子元件的噴嘴擋板伺服閥，控制信號為±10 mA；2 個液壓缸分別內置德國巴魯夫公司的BTL7 系列磁滯伸縮位移傳感器，信號為SSI 數字接口，分辨率1 μm，同步模式輸出；同時，系統壓力檢測通過配備高精度壓力傳感器來實現，選用德國賀德克公司HDA4800 系列金屬膜片式壓力傳感器，響應時間＜1 ms。

電氣控制系統采用采用美國DELTA 的RMC150 運動控制器，實現2 個液壓軸嚴格同步，其控制器硬件及RMC 軟件系統，如圖3 所示。RMC150 能夠輕松實現重載荷的精確移動，對電液執行器可以實行精確地閉環控制。使用閉環控制主要是因為它的靈活性、準確性、速度可控性以及在不同工況（例如負載變化）下保持精確調節的能力。控制器有了精確的位置和壓力反饋后，可以選擇以下5 種控制模式中的1 種：①位置控制，②力控制，③位置或力控制，④限力情況下的位置控制，⑤主阻尼控制。

圖2 系統控制原理

圖3 DELTA 控制器

由于系統為雙缸同步控制，因此采用閉環位置控制模式，位置PID 控制算法。將持續的反饋和閉環控制相結合，閉環控制將反饋裝置發送的位置反饋信號和理想位置做比較，實現2 個油缸同步精度控制。

3 問題及分析

試驗之初，將機構連接軸脫開，使2 個油缸空載運行，經過多次往復運動，2 個油缸的同步性很好。但是當液壓油缸缸桿與機械結構相連，再進行同步運動時，隨著油缸位移的增加，設備產生明顯抖動現象，導致設備無法繼續進行試驗。經過排查液壓回路及機構，分析并排除了常規導致系統產生振動的原因，例如管路內空氣未排盡、機械結構干涉等，發現此并非問題所在。

進一步從液壓控制原理上進行分析，由于2 個油缸均鉸接在同一個機械結構上，圍繞軸心轉動時，不考慮裝配和安裝間隙等因素的情況下，可以認為2 個油缸和機械結構是剛性連接體。當其中1 個油缸的位置固定后，另外1 個油缸只有唯一的對應位置，不適合采用液壓強制嚴格同步控制。由于位置的實時調整，系統產生的內力會造成2 只油缸的受力不一致，從而引起機構抖動。

圖4 改進的系統原理

圖5 DELTA 的RMC150運動控制

4 系統改進

基于上述原因考慮，對系統進行了優化改進，改進后的系統原理，如圖4 所示。此方案更改為將2 只油缸的大腔與大腔相連通、小腔與小腔相連通，由2個伺服閥分別控制2 個液壓缸的模式，更改為1 個伺服閥控制2 個液壓缸的模式。相當于2 個油缸等效成1 個油缸，由1 個伺服閥進行控制。

對改進后的系統重新進行試驗，空載運行依然良好，加載后系統振動現象消失。如圖5 所示，從DETAL 控制器RMC150 軟件的運動圖中可以看出，液壓油缸雙缸的跟隨性很好，同步精度較高。

5 總結

運動控制的最高境界就是通過最佳的控制方法對系統實現精準的位置、速度和加速度控制。在做高精度、高頻響的伺服系統時，除了配置高精度、高響應的位置、壓力反饋元件外，也要從機械結構和系統的匹配合理性出發進行設計，使控制與系統達到更優。這對伺服系統的設計和應用以及控制系統功能實現，都具有一定的現實意義。