一種液壓滑臺自適應控制系統的設計與仿真

鄭凱

(西安交通工程學院, 機械與電氣工程學院, 陜西, 西安 710300)

0 引言

液壓滑臺被廣泛應用在工業與日常生產活動的各個方面,而特殊環境所產生的突變載荷等外部干擾因素影響會造成液壓滑臺重復定位精度不準確等問題[1]。而作為整個系統的核心部分,其能否對液壓系統進行有效控制,直接影響了液壓滑臺的位置精度,進而對液壓滑臺的正常工作與運行產生干擾,因此如何進一步提高液壓滑臺控制系統的穩定性與重復定位精度成為值得研究的問題。本文設計了一種提高液壓滑臺定位精度的自適應控制系統(以下簡稱自適應控制系統)。通過將比例反饋環節應用于液壓滑臺的執行控制系統,提高液壓滑臺在速度與載荷等特殊條件下的工作精度,擴大液壓動力滑臺的使用范圍與效率。

1 液壓滑臺總體結構及工作原理

1.1 液壓滑臺基本結構

本文參照《機械行業標準(JB/T1995-1999)》液壓動力滑臺的技術條件。液壓滑臺的核心結構與液壓控制系統分別如圖1、圖2所示。

圖1中,1為底座,2為線軌,3為滑臺,4為滑塊,5為液壓缸。

圖2中,1為液壓源,2為油箱,3為溢流閥,4為電磁換向閥,5為節流閥,6為液壓缸。

1.2 工作原理

圖2中的SB1按鈕接通時,電磁換向閥的線圈(KY1)得電,此時閥芯處于左位,液壓油經油口A流入左腔,壓力升高并帶動活塞桿伸出,當伸出至限位開關(SQ2)時,電磁換向閥4處于中位,活塞桿停止動作。

圖2中SB2按鈕接通時,電磁換向閥的線圈(KY2)得電,此時閥芯處于右位,液壓油經油口B流入右腔,活塞桿退回,當退回至限位開關(SQ1)時,停止動作。其液壓滑臺的系統原理仿真,如圖3所示。

圖3 液壓滑臺的系統仿真

由圖3可知,當控制按鈕SB1接通時,三位四通換向閥的線圈KY1得電后液壓缸伸出,進而在FluidSIM構建的仿真系統中得到壓力輸出的相關參數。通過仿真實驗驗證了液壓滑臺模型的可行性,為后續自適應仿真模型的建立提供了基礎。

1.3 液壓滑臺的基本參數

依據圖1、圖2,給出了液壓滑臺的基本參數[2],如表1所示。

2 滑臺液壓系統的數學模型

2.1 滑臺液壓系統受力分析

由圖2可知,本文以非對稱液壓缸組成滑臺液壓系統,其核心結構的原理圖,如圖4所示。

圖4 非對稱缸核心結構原理圖

如圖4所示,當處于工作狀態,此閥芯向右移位時,液壓缸的輸出力與負載間存在一定平衡關系,其平衡方程[3]為

(1)

式中,mt為負載總質量,BP為負載粘性阻尼系數,K為彈簧剛度,FL為活塞上外負載力,AP為活塞的有效作用面積,PL為系統的工作壓力,xP為位移的變化量。

本文以液壓動力滑臺的非對稱液壓系統為研究對象,進行了必要假設及數學模型的建立[4]:

(1) 忽略液非對稱液壓系統管道中的流量與壓力損失;

(2) 系統所承載的負載總質量不變;

(3) 液壓系統的粘性阻尼系數忽略不計;

(4) 液壓系統的油路管道對稱,且恒壓。

2.2 系統壓力與位移變化量

根據式(1)可知,當活塞的有效作用面積、活塞上外負載力、彈簧剛度不變時,液壓系統的工作壓力與活塞的位移變化之間成一定比例關系。結合本文2.1中所述的仿真模型,將式(1)簡化為

AppL=Kxp+FL

(2)

式中,K為比例系數,FL為活塞上的外負載力,AP為活塞的有效作用面積,PL為系統的工作壓力,xP為位移的變化量。

其作用于系統活塞上的外負載力若恒定,且活塞的有效作用面積不發生變化時。則液壓系統工作壓力差(PL)與位移變化量位(xp)之間的比例關系為

PL=kxP

(3)

式中,k為比例系數

根據式(3),列舉在不同系統工作壓力下所對應的活塞位移變化量,如表2所示。

表2 系統工作壓力與位移變化量

本文結合表1的數據,以式(3)為基礎,構建以比例系數(k)為變量的數學模型,并結合MATLAB軟件進行分析[5-7],得到了系統的比例系數。

(4)

根據式(4)可得k≈11.71

3 控制系統的設計

本文結合PID算法中的比例環節,選用Micro-chip公司較為成熟的DSPIC30F2010數字信號處理芯片[8-9]為控制核心。通過PID控制器的比例控制環節不斷對參數進行調整,從而實現對比例換向閥的有效控制,進而保證系統壓力有效輸出。

圖5為控制系統的主要工作過程。首先位移傳感器完成檢測,輸出位移變化增量(XP),其次比例反饋環節,按照系統設定好的比例系數(k),向電磁比例換向閥輸入適當強度的控制電流,改變其開口大小,完成系統壓力、流量、位移的控制,進而達到消除偏差,提高系統的穩定性,實現自適應調節的目的。

圖5 控制系統流程

4 系統仿真與分析

本文利用AMESim仿真軟件[10],在進行系統草圖的繪制的基礎上建立系統仿真模型,同時完成核心參數的設置,并進行仿真運行。分別建立一般與自適應控制系統相應的仿真模型,并對兩種模型進行仿真實驗,得到各自的工作特性曲線。

4.1 系統模型的建立

打開AMESim軟件的電子器件、機械庫,完成2種系統的草圖繪制,并為對應的元件賦予子模型[11]。由于本設計所用元件均來自AMESim軟件標準庫,可直接進行參數設置,既賦予對應的值[12],最后通過運行查看相應結果,得到其動態曲線。

4.1.1 一般控制系統的仿真模型

(1) 建立仿真模型,如圖6所示。

圖6 一般控制系統的仿真模型

圖6中,1為液壓馬達,2為控制信號,3為比例換向閥,4為液壓缸,5為質量塊,6為自由端。

(2) 設定子模型參數,如表3所示。

表3 一般控制系統的子模型參數

4.1.2 自適應控制系統的仿真模型

(1) 建立仿真模型,如圖7所示。

圖7 自適應控制系統的仿真模型

圖7中,1為液壓馬達, 2為比例反饋, 3為比例換向閥, 4為液壓缸, 5為質量塊, 6為位移傳感器, 7為自由端。

(2) 設定子模型參數,如表4所示。

表4 自適應控制系統的子模型參數

4.2 系統仿真與分析

本文在4.1建立的仿真系統的基礎上,對一般控制系統與自適應控制系統進行仿真實驗。

4.2.1 控制系統的壓力變化

依據圖6、圖7,本文對照表2、表3中的參數,對建立的仿真模型賦值并仿真,得到2種不同控制系統的壓力變化特性曲線,如圖8所示。

圖8 壓力變化特性曲線

將圖7中的A處進行放大處理,如圖9所示。

圖9 圖7-A處的局部放大

由圖9可知,在系統工作的開始階段,自適應控制系統的響應速度高于一般控制系統,同時自適應控制系統的壓力變化特性曲線更加平滑,穩定性優于一般控制系統。

4.2.2 控制系統的流量變化

依據圖6、圖7,參照表2、表3中的核心參數進行仿真,得到2種不同控制系統的流量變化特性曲線,如圖10所示。

圖10 流量變化特性曲線

由圖10可知,在自適應系統的控制下,系統流量震蕩明顯減少,同時自適應控制系統的流量變化特性曲線更加平滑,穩定性優于一般控制系統。

4.2.3 控制系統負載的位置變化

依據圖7,對照表3中的參數進行設置與仿真,得到了在自適應系統的控制下外部負載(質量塊)的位移變化特性曲線,如圖11所示。

圖11 位移變化特性曲線

由圖11可知,在自適應系統的控制下,外部負載(質量塊)的位移變化先達到穩定狀態,穩定性優于一般控制系統。

由圖9～圖11可知,通過對一般控制系統與自適應控制系統的壓力、流量、位置的變化特性分析。證明在相同時間與外部負載的作用下,自適應系統對滑臺的控制使其運行更加穩定,進而為滑臺的精確控制提供了基礎。

5 總結

本文以提高液壓滑臺的控制精度為目標,分析了滑臺液壓系統的動態特性問題,并以液壓動力滑臺的液壓執行系統為研究對象,將基于比例控制環節的自適應控制系統應用于液壓動力滑臺,結果表明:

(1) 在自適應控制系統的控制下,系統壓力達到穩態的時間比一般控制系統縮短了0.2 s;

(2) 在自適應控制系統的控制下,系統流量震蕩明顯減少,系統的響應性得到了很好的優化。

下一階段,本研究將進在工程應用中進一步研究并驗證自適應控制系統在大流量、大輸出力液壓滑臺系統中的合理性以及控制精度等問題。