电液伺服系统同步控制研究

构图
图 2 外 力扰动型施力系统
收稿日期: 2010 03 23 作者简介: 顾凯 ( 1983 ) , 男, 山东聊 城人, 助 教, 硕士, 主要 从事自动控制与液压 控制方面的科研和教学工作。
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液压与气动
2010年第 6期
假设以右边的施力系统为研究对象, 左边的位置 系统为受力对象。得到施力机构的力方程
模糊自适应 P ID 控制器的实现分为两部分。第一 部分为利用 M atlab 的模糊控制箱 ( Fuzzy Contro l Box ) 实现自适应 模糊 P ID 算法; 第二部分 利用 M atlab 的 Rea l T im e W o rkshop( RTW ) 将生成的自适应模糊 P ID 算法转化 为 可执 行的 C 代码, 并 嵌 入 MFC 编写 的 W in32程序中, 最终实现自适应模糊 P ID 控制器 [ 5] 。
给定一正弦位置信号, 控制液压缸 I做位置闭环, 同时控制液压缸 II做力闭环, 调节控制参数, 确保两 缸可以夹持住试件, 并画出同步位置运动曲线和对顶 力曲线。
当正弦位置信号频率为 0. 5 H z时, 得到两缸位置 跟踪曲线和对顶力曲线, 如图 3、图 4所示; 其中在零 值波动的位置曲线为两缸位置同步误差曲线。
2010年第 6期
液压与气动
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电液伺服系统同步控制研究
顾 凯, 李长春, 周 欣
Study on synchronization control of electro hydraulic servo system
GU Ka,i L I Chang chun, ZHOU X in
(聊城大学 汽车与交通工程学院, 山东 聊城 252000)
本文以电液伺服阀控非对称缸为研究对象, 对同 步对顶伺服系统进行分析, 建立同步控制系统位置扰 动型力学模型, 提出位置闭环 力跟随控制策略, 通过 试验实现了对试件的同 步夹持, 并 提 出 并 应 用模 糊 P ID 自适 应 控 制 算 法 对 力 闭 环 进 行 校 正, 实 验 证 明, 该算法可以有效减少系统位置扰动, 提高力控 制精度。
中图分类号: TH 137 文献标识码: B 文章编号: 1000 4858( 2010) 06 0001 03
1 引言 随着液压技术在工程领域中的应用日益扩大, 大
型设备负载能力增加或因布局的关系需要多个执行元 件同时驱动一个工作部件, 因此同步控制就显得越来 越重要了。但由于每一个液压系统的泄漏、控制元件 间的性能差异、各执行元件间负载的差异、系统各组成 部分的制造误差等因素的影响 [ 1] , 将造成多执行机构 的同步误差, 如果不有效地加以控制并克服这种同步 误差, 系统将不能正常工作。
参考文献: [ 1] H og an, P. , Burrow s, C. R. , ! Synchronizing U nevenly L oaded
H ydrau lic Cy linders∀, F luid Pow er System and T echno logy [ C] . Proceed ing s of the ASM E Interna tiona lM echan ica l En g ineer ing Congress and Exposition, Ch icago, IL, N ovem ber 6 - 11, 1994, 1: 75- 80. [ 2] 刘长年. 液压伺 服系统 优化设 计理论 [M ]. 北京: 冶金 工业出版社, 1989. 121. [ 3] 李 洪 人. 液压 控 制系 统 [ M ]. 北京: 国防 工 业出 版 社, 1990. 57. [ 4] 刘春芳, 吴 伟. 双电液 伺服 系统 同步 模糊 控制 研究 [ J]. 液压与气动, 2005, ( 9): 19. [ 5] 楼顺天, 等. 基于 M ATLAB 的系 统分 析与设 计 模糊 系统 [M ]. 西 安: 西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社, 2001, 36 - 37.
Q L = K x x - K ppL 其中, K x 和 K p 的零位值可分别写成
Kx =
C dw 2Cdw
1 p s, 零重叠阀
; 1 p s = Q 0, 负重叠阀
Kp =
!3w2r∀2c, 零重叠阀
Cdw ps
1 = Q2p0s, 负重叠阀
其中, Q 0 = 2Cdw
1 ps; rc 为阀芯阀套之间的径向
本文以北京市科委支持项目为背景, 以北京交通 大学液压伺服控制实验室夹持同步控制试验平台的阀 控非对称液压缸为研究对象, 对夹持同步控制进行试 验研究。 2 系统描述
夹持同步控制实验平台为 两个阀控非对 称缸系 统, 系统结构框图如图 1所示。
两个系统共用一个液压泵站, 泵站采用恒压变量 泵, 供油压力为 5 MP a, 同时有冷却器和蓄能器。两缸 均装有位移传感器, 右缸装有力传感器。
通过试验得到自适应调节后的对顶力闭环曲线, 如图 9~ 图 11所示。
图 9 0. 5 H z模糊自适应调节对顶力曲线
图 10 1 H z模糊自适 应调节对顶力曲线
图 11 2 H z模糊自适 应调节对顶力曲线
整理数据得到模糊自适应 P ID控制前后力闭环的 均方差, 如表 1所示。
表 1 模糊自适应 PID调节前后 力闭环均方差
图 3 0. 5 H z位置同步曲线
图 4 0. 5 H z对顶力曲线
改变正弦位置信号频率, 得到 1 H z, 2 H z的位置 跟踪曲线和对顶力曲线, 分别如图 5~ 图 8所示。
图 5 1 H z位置同步曲线
图 6 1 H z对顶力曲线
5 力跟随控制模糊自适应 P ID 校正 位置闭环 力跟随控制的数学模型为一个位置扰
m y + K sy = K sy f + F 其中, K s 为弹性系数, m 为加载对象的折算质量。
液压缸的力方程 F = ApL
其中, A 为活塞有效面积。 液压缸的负载流量方程
QL
=
C tpL +
V 4e
pL
+
Ay
其中, C t 为总泄漏系数, e 为弹性模数。
伺服阀的负载流量方程 [ 3]
系统数字控制器主要由研华工控机 ( IPC610)、研 华数据采集卡 ( PCL - 816)、调理电路组成。控制软件 用 V isual C+ + 6. 0编写。 3 系统建模
如果受力对象是一个位置系统, 它运动与否主要 由本身决定, 施力系统仅仅起着加载作用。这种施力 系统称为位置扰动型施力系统 [ 2 ] 。图 2是对顶同步系 统的原理图, 从图中可以看出, 子系统 I为一个位置系 统。当采用位置闭环 力跟随同步控制策略时, 子系统 II为施力系统。可以看出这是一个标准的位置扰动型 施力系统。
∃n (调节前 ) ∃ c (调节后 )
# = 0. 5 H z 0. 0725 0. 0321
#= 1Hz 0. 1052 0. 0317
#= 2 Hz 0. 0943 0. 0237
由表 1可以看出, 加入自适应模糊 P ID调节后, 力 闭环曲线有了明显的改善, 力闭环的均方差变为原来 的 30% 左右, 证明自适应模糊 P ID 调节有效地减小了 来自子系统 I的位置扰动, 增强了力闭环的控制 精度。 6 结论
缸 I运动的效果。
为了保证液压缸 II夹持试件时速度尽可能慢, 以
使整个过程平稳, 力阶跃响应的超调量尽可能的小, 设
计了从位置闭环切换到力闭环的加载过程, 即检测压
力值小于设定值时为位置控制, 大于设定值时再切换 到力闭环控制, 直至加载稳定。同时为了设备安全, 根 据力传感器量程设计位置保护闭环, 以避免意外产生 两缸对顶失控的情况。
动型的力控模型。压力反馈信号随着子系统 I的位置
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图 7 2 H z位置同步曲线
图 8 2 H z对顶力曲线
变化会在瞬间产生很大的变化, 在力控制的波形中就 会产生如图 4、图 6、图 8所示的 ! 尖峰 ∀。由于子系统 I的位置扰动是随 机的, 如果 P ID 调 节参数 不变, 当 ! 尖峰 ∀出现时, 力闭环调节很难迅速跟踪上力闭环误 差信号的变化。这是我们就需要通过模糊自适应控制 来实时的调整 P ID参数, 减小子系统 I的位置扰动对 子系统 II的影响, 提高力闭环的精度。
式 ∀控制 [ 4] , 位置闭环控制和力闭环控制是位置闭环
力跟随控制策略实现的基础。对于液压缸 II, 力闭环
控制给定一个恒定的压力值, 当液压缸 I向右运动时,
两缸的对顶力增大, 为了保持闭环, 液 压缸 II会自动
向右移动; 反之, 当液压缸 I向左运动时, 两缸的对顶
力减小, 液压缸 II会自动向左移动, 达到 ! 跟随 ∀液压
摘 要: 该文以电液伺服系统的常用执行机构阀控非对称缸为研究对象, 对同步对顶伺服系统进行分析 和试验研究, 建立同步控制系统位置扰动型力学模型, 提出位置闭环 - 力跟随控制策略, 通过试验实现了对 试件的同步夹持, 并提出模糊 P ID自适应控制, 提高了控制精度。
关键词: 阀控非对称缸; 同步控制; 力跟随控制
间隙; ∀为液体黏度; 为预开口量。
联立得到位置扰动型施力机构的力学模型
F ( s) =
AK x Kt
m s+ Ks
1
x
(
s)
+
A K
2 t
syf
(
s)
4
mV eK sK
s3
t
+
m s2 Ks
+
4
V eK
t
+
A2 K sK
t
s+