一種雙余度雙缸作動系統設計與驗證

沈先坤，劉倚欣

（航空工業南京機電，江蘇 南京 210011）

0 引言

工業上常采用電驅動、液壓驅動等方式控制兩液壓缸同步運動，以實現對同一控制對象的位置驅動[1-4]。若同步性能不佳，將產生較大位置紛爭，會對作用對象產生形變，嚴重的甚至會將作用對象撕裂。相比于電驅動，液壓驅動帶載能力強，穩定性高，適用于大功率場合[5]。

液壓驅動主要形式有同步閥作動方案和伺服作動控制方案。同步閥作動方案是采用分流集流閥（又稱同步閥），通過壓差機械反饋實現流量的均衡分配，達到兩作動筒的位置輸出。同步閥對液壓元件的加工精度要求較高，存在一定的局限性。伺服作動方案采用伺服位置閉環實現兩作動筒的位置輸出，實現對雙缸的同步運動控制。目前伺服作動系統通常采用單余度設計方案[6]，當系統中出現一次關鍵故障時，系統將失去作動功能，同時可能會導致系統失控，造成重大事故。對于具有高可靠性需求的應用場合，需要高可靠性的雙缸同步作動系統應具備一次故障失效或一次故障安全的能力。本文針對高任務可靠性的雙缸同步作動系統開發需求，設計一套具有主/備工作模式雙缸同步作動系統，系統的可靠性、安全性以及同步性能可滿足使用要求。

1 系統總體構成

雙余度雙缸同步作動系統由雙余度伺服控制器、雙余度電液伺服閥、液壓缸、反饋傳感器等部件構成，其構成框圖如圖1 所示。

圖1 雙余度雙缸同步作動系統構成

2 系統設計

2.1 電液伺服閥設計

電液伺服閥結構組成如圖2 所示。該電液伺服閥具備主/備工作模態，主通道優先工作。當主通道工作時，主通道電磁閥1接通，模式閥3 處于工作模態，換向閥2 接收電流驅動信號進行配流輸出，驅動液壓缸7 運動；當主通道失效時，切斷電磁閥1，模式閥3 切換工位，接通備份通道電磁閥2，模式閥6 進入工作模態，換向閥5 接收電流驅動信號進行配流輸出，繼續驅動液壓缸7 運動，當主通道和備份通道電磁閥全部切斷時，液壓缸兩腔通過節流閥溝通，具備阻尼隨動。

圖2 電液伺服閥結構組成

2.2 控制器設計

為了實現雙余度控制系統功能，控制器采用雙余度設計方案，如圖3 所示，兩塊伺服控制模塊A/B 同時與指令系統和執行機構交聯，兩塊伺服控制模板硬件一致，可互換，主要功能包括接收外部供電進行二次電源轉換為執行機構傳感器提供激磁電源、傳感器信號解調、CCDL、伺服計算、功率驅動、BIT 檢測、故障綜合。伺服控制模塊A/B 采用主/備工作模式，伺服控制模塊通過采集底板預設通道號確認自身主/備工作模式。

2.3 控制算法

為達到位置同步控制效果，進一步抑制位置紛爭，本項目在PID 控制的基礎上采用了主從同步位置跟蹤與主動通道變增益相結合的控制方法，控制原理如圖3 所示。主動運動控制通道和同步跟隨控制通道分別控制作動筒A 和作動筒B，兩個控制同時接受位置控制指令，與作動筒位置信號進行綜合求差，經伺服計算驅動伺服閥配流，控制作動筒A/B 運動。同步跟隨通道與主動運動通道之間的位置差引入控制通道。跟隨誤差經跟隨增益放大后對同步跟隨控制通道的控制信號進行補償，增強驅動輸出，保證同步跟隨通道與主動運動通道位置強跟隨；主動運動控制通道根據跟隨誤差及時調整增益，通過有限范圍內的主動降速進一步提高位置同步性能，如圖4 所示。

圖3 雙余度控制器功能原理框

圖4 雙缸同步算法原理

2.4 系統軟件設計

本系統軟件基于DSP 硬件平臺進行嵌入式軟件開發，整個系統軟件的控制流程為串行方式，當執行完前一個任務后，才會執行下一個任務。控制流程如圖5 所示。

圖5 系統軟件控制流程

系統軟件主要包含功能模塊如下。

（1）上電初始化。

系統成功上電后，軟件對處理器寄存器、軟硬件接口進行初始化，讀取板卡ID 號，確認本伺服控制模塊為主控通道或備份通道。

（2）上電BIT。

系統完成上電初始化后，進行上電自檢測，對處理器、電源、存儲器等伺服控制模塊硬件的電氣資源進行狀態檢測。

（3）指令解析。

進入周期任務后，對指令系統發送的指令數據包進行解析。

（4）傳感器信號采集。

對作動筒位置傳感器、閥芯位置傳感器、閥驅動電流等反饋信號進行周期采集。

（5）CCDL。

將本伺服控制模塊的狀態信息發送給另一個伺服控制模塊，同時接收來自另一伺服控制模塊的信息。

（6）BIT 檢測。

在周期任務中周期執行自檢測，測試對象包括伺服控制模塊硬件的電氣資源和執行機構運動模型及其反饋傳感器信號。

（7）余度管理。

將本通道采集獲取和CCDL 互傳的兩余度指令和傳感器信號進行余度表決輸出。

（8）故障處理。

當主控制通道檢測到影響伺服控制的關鍵故障時，主控制通道切除本通道的驅動輸出，同時將本通道的故障處理結果通過CCDL 發送至備份控制通道。當備份控制通道接收到主控通道發送的模式切換信號且本通道狀態正常，則立即接通伺服，接替主控制通道繼續執行同步位置控制。

（9）伺服計算。

運行同步控制算法，計算伺服閥驅動指令。

（10）驅動輸出。

更加伺服計算結果，控制硬件驅動接口；根據故障處理結果，打開或關閉本通道驅動輸出。

（11）信息上傳。

將通道狀態信息周期上傳至指令系統。

3 仿真分析

根據系統工作原理，在AMEsim 環境下創建系統仿真模型。模型由主控制通道和備份控制通道構成雙余度主-備控制架構，可通過時序控制實現由主控通道向備控通道的進行切換。

仿真過程主要針對系統主/備通道切換及其位置同步功能進行可行性驗證，仿真試驗設計如下。

（1）對跟隨通道增加負載，驗證同步方案在負載下的雙缸同步特性。

（2）在雙缸同步運動狀態進行主/備狀態切換，驗證系統通道切換功能。

如圖6 所示，對跟隨通道施加負載后，主動通道通過變增益進行了自動降速，對末端同步誤差控制增強，最大同步誤差由0.5mm 降至0.32mm。

圖6 加載同步特性曲線

在主動通道與跟隨通道設置6ms 通道異步度，如圖7 所示，在第1s 時刻運動狀態下完成主/備通道切換，同步方案具有較好的瞬態抑制效果，切換過程產生的瞬態跳動為0.2mm。

圖7 模式切換特性曲線

4 實驗驗證

為進一步驗證該系統方案的可行性，用兩臺額定流量為7L/min 的電液控制閥、兩臺行程為101mm 的作動筒和一臺伺服控制器搭建實驗環境，實驗結果如圖8 所示，系統響應階躍指令進行全行程運動，雙缸同步運動，全行程運動過程中最大跟隨誤差0.4mm，跟隨誤差變化幅度0.8mm，最大跟隨誤差為作動缸全行程的0.39%。

圖8 階躍響應實驗曲線

5 結論

本研究設計了一種具備主/備工作模式的雙余度雙缸同步作動系統。與傳統的雙缸同步系統相比，該系統具有一次故障工作的能力，具備較高的任務可靠性。同時對控制算法進行了優化，采用了主從跟蹤與變增益相結合的控制策略，對位置同步性能進行了仿真和實驗研究。仿真和實驗結果證明：該雙缸同步系統控制策略正確可行，且具備較好的位置同步精度，可適用于對可靠性要求較高的應用場合。