闭环控制电液步进液压缸及试验精度分析.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 8 卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I e S J u n ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 l D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 1 ． 0 2 0 闭环控制电液步进液压缸及试验精度分析 郜立焕，史小波，李建仁 ，张利娜，朱建国 兰州 I 理工大学流体动力与控制学院，甘肃兰州 7 3 0 0 5 0 摘要简述 A L MX 一 3 0 0 3 T C型闭环控制电液步进液压缸的工作原理与设计特点 ，分析提高其控制精度的途径。应用线 性时不变系统的分析方法和 MA T L A B数值计算软件对试验采样数据进行理论分析和计算，得出其精度指标，能够满足连铸 机生产要求 。 关键词闭环控制；电液步进缸；采样；精度 中图分类号 T H1 3 7 文献标 识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 ． 1 0 6 7 2 Th e S t u d y a n d Ac c u r a c y An a l y s i s o n Cl o s e d- - l o o p Co n t r o l El e c t r o h y d r a u l i c S t e p p i n g Cy l i n d e r G AO L i h u a n，S HI Xi a o b o ，L I J i a n r e n，Z HANG L i n a ，Z HU J i a n g u o L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，L a n z h o u G a n s u 7 3 0 0 5 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e wo r k i n g p r i n c i p l e a n d d e s i g n f e a t u r e s o f AL MX- 3 0 0 3 T C t y p e c l o s e d - l o o p c o n t r o l e l e c t r o - h y d r a u l i c s t e p p i n g c y l i n - d e r w e r e e x p o u n d e d ． T h e wa y s t o i mp rov e p r e c i s i o n w e r e a n a l y z e d ． Th e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s an d c a l c u l a t i o n o f s a mp l e d a t a we r e ma d e b a s e d o n a n aly s i s me t h o d o f l i n e a r t i me i n v a r i a n t s y s t e ms a n d MAT L AB，t h e p r e c i s i o n i n d e x wh i c h me t t h e p rod u c i n g r e q u i r e me n t o f CCM Was g o t ． Ke y wo r d sC l o s e d - l oo p c o n t r o l ； E l e c t r o h y d r a u l i c s t e p p i n g c y l i n d e r ；S a mp l i n g ； Ac c u r a c y 闭环控制电液步进液压缸是机 、电、液高度集成 化产 品，是 由步进电机 、编码器 、内置式机械反馈伺 服阀、液压缸等构成的增量式数字控制的机液伺服机 构。随着步进电机及其驱动技术的进步，其性能大幅 度提高，并且已有用于大推力场合的成功实例。 作者针对在某钢厂连铸生产线结晶器振动装置上 采用的 A L MX - 3 0 0 3 T C型 闭环控制 电液步进 液压 缸进 行研究 ，应用线性时不变系统的分析方法对试验采样 数据进行理论分析， 得到比较准确的精度指标。 、 1 工作原理 A L M X ． 3 0 0 3 T C型闭 环控 制 电液步进 液 压缸 是 日 本 I H I 公司为国内某钢厂连铸结晶器振动装置设计生 产的一个集精密机械、电气、液压于一体的高技术专 用产品，它以其高精度、高寿命 、结构紧凑成为用于 该钢厂连铸结晶器振动的关键设备之一。 A L M X 一 3 0 0 3 T C型电液步进液压缸结构原理如图 1 所示 ，它通过一个步进电机经过一对精密齿轮驱动一 个丝杠转动，丝杠带动螺母使其轴向移动，螺母带动 阀芯移动，阀芯移动使得伺服阀开口变化，导致单出 杆油缸两腔的压力变化 ，油缸的活塞杆随之运动，最 终使得油缸的活塞杆处于一个新的平衡位置，实现油 缸活塞杆的随动；同时，绝对位置编码器通过一个精 密齿轮与驱 动丝杠 的齿轮相啮合 ，检测活塞 杆的运动 速度与位置 ，进行闭环反馈控制 ，进一步提高控制精 度。根据不同的工作需求，需要实现特定的振动波 形，则可将编好的程序输入微机控制器内存中，工作 时微机控制器把程序译成一系列频率不同的正或负脉 冲信号传给步进电机，进而由步进电机驱动伺服阀芯 以相应的频率和方向产生位移信号，从而控制液压缸 按要求实现运动，满足工作要求。 图 1 闭环控制电液步进 缸原 理示意 图 该结晶器振动闭环控制 电液步进缸的设 计特点 1 充 分考 虑 了负载 的情况 ，油缸采 用 了非对 称设计 ，减少 了系统平均流量 ，从而实现节 能。 2 充分考虑 了最 高 5 H z 振 动频率工 况 ，采用 了步进电机、滚珠丝杠螺母、随动式直接位移反馈伺 服阀的整体控制方案，与外置伺服阀控制油缸相 比， 抗污染能力强 ，工作可靠性、运行平稳性好。 3 采用了编码器反馈的闭环控制，能对系统 收稿 日期 2 0 0 9 0 6一l 5 作者简介郜立焕 1 9 5 0 一 ，男 ，副教授，主要从事流体传动与控制 液压的教学和科研工作。电话 1 3 5 1 9 6 7 3 3 6 1 ， Ema i ls hx b1 9 8 4 1 63 ． e o m。 6 8 机床与液压 第 3 8卷 温度、压力负载、内泄及死 区等因素的影响进行补 偿 ，并进一步提高了控制精度 。 2 提高精度的方法分析 提高该闭环控制电液步进缸的行程精度，可以通 过两种途径实现 1 同时提高编码器和步进电机 的精度，如滚珠丝杠的导程为 1 0 m m，步进电机和编 码器的脉冲周期由2 0 0栅格每圈提高到 1 0 2 4栅格每 圈，则电液步进缸精度由0 ． 0 5 h i m提高到 0 ． 0 1 m m； 2 减小滚珠丝杠的导程 ，但会降低运行速度。 3 试验精度分析 3 ． 1 电液步进缸运动数据的采样 电液步进缸试验时采集到的运动曲线，不但包含 输入、输出曲线，还叠加了干扰信号 噪声 。直接 用采样所得到的数据不能准确地判断电液步进缸运动 的各项精度指标，需要对采样的数据进行分析处理， 滤掉干扰信号 噪声 ，即可得到接近实际的运动曲 线，对此运动曲线的参数进行计算，可得出比较准确 的各项精度指标。 结晶器振动电液步进缸实现正弦或非正弦振动 时，对所研究的电液步进缸的输入和输出数据进行有 限次实时采样，得出两组离散时间序列信号输入信 号采样序列 [ n ] 以及输出信号采样序列 Y [ n ] 。为简 化 问题 ，在这里 只对振动装置中的一个 电液步进缸进 行数据采样，不分析双缸同步精度。 采样序列杆状图如图2 所示。 采 样数 a 输入信号 采样数H b 输出信号 图 2 采样序列杆状图 3 ． 2 连续时间信号的函数表达式 对应离散时间序列信号 [ ] 、 Y[ n ] 的连续时间 信号为 t 、 y t 。 不考虑采样开关的闭合时间，视为理想采样过 程。根据香农采样定理使连续信号完全从采样信号 中恢复过来的采样周期 满足条件 ， ’ 一 T 2 o 9 h Ⅲh 式中∞ 为连续频谱的最大角频率； 0 9 为采样角频率。 当 1-O 。 2 t o h ，F o u r i e r 变换式 x j , o y j t o 0 。 一 般采样周期 为 m s 级，能够满足采样定理的 条件。离散时间信号 [ n ] 、 Y [ r t ] 包含了连续时间信 号 t 、 Y t 的全部信息，连续时间信号的函数表达 式完全可以根据采样所得到的离散时间序列信号来建 立 。 将行向量 [ n ] 、 Y [ n ] 改写为列向量 n ， Y j ， ‘ n 写成矩 阵 A[ ， Y ] ，对 A进行快速 F o u r i e r 变换 ， 1 、 C 亩J 卯 A 式中Ⅳ为对连续时间信号 t 、 Y t 在一个周期内 的采样数，即离散时间信号 [ n ] 、 Y [ ] 的变化周期。 矩阵c每一列 Ⅳ个元素包含了0 ≤ ≤N一1 上的 ， 为复数形式的 F o u ri e r 级数 t 的系数 厂 t c 0 互[ c e 一 e ] 因此 ，电液步进液压缸 的输入输出连续时 间信号 函数可写成实数形式的 F o u ri e r 级数。 电液步进缸输入连续时间信号函数的实数形式为 f a o l ／ 2． [ Ⅱ M c o s k 2 r ／ N T t b 。 s i n k 2 “ r r ／ N T t ] 1 0 I2c l i a l j b l c 1 l k1 ， 2， 3 ， ⋯ ， N一1 电液步进缸输出连续时间信号函数的实数形式为 Y t a o2 ／ 2 l∑[ 0 c o s k 2 r／ N T t 6 s i n k 2 r ／ N T t ] 2 a 0 22 c 1 2 a 一 j b c f 1 2 k 1 ， 2 ， 3 ， ⋯ ， N一1 3 ． 3 精度参数的数值计算 根据连续时间信号函数公式 1 、 2 便可以 进行该电液步进缸精度参数的数值计算。此时只要求 出函数式 1 、 2 在取值区间0 ≤ ≤Ⅳ 的最大值 P f m “y z ～ 1 ＼t l t 2 ／ 下转第 5 5页 第 1 1 期 郭亚军 等交流伺服系统串级控制器应用设计 5 5 等效正弦及斜波输入值 7 5 。 ／ s 时相应的误差曲线 ，图 4 、6为单回路控制时的误差曲线 即仅有位置环是 P I D控制 ，从 图 3 _ _ 6可以看 出 ，串级控制的误差 明 显小于单回路控制的误差 ，整个系统工作稳定，改善 了系统的控制性 能。 0 ． 4 0 ． 2 嫡 n o ．0 ． 2 ．0． 4 辆 图3 正弦串级控制 图4 正弦单回路控制 响应误差曲线 响应误差曲线 0 2 4 6 8 10 时 间， s ．0 ． 1 5 痫。 o 2 0 账 一0． 2 5 0 2 4 6 8 1 0 时 间， s 图5 斜波串级控制 图6 斜波单回路控制 响应误差曲线 响应误差曲线 4结论 采用 D S P作为数字永磁电动机伺服系统控制的 核心器件，提出了串级控制方案，控制系统的程序使 用 c语言编写 ，经 C C S编译生成汇编代码。速度环 P I 控制器减小了系统偏差和消除静差 ，位置环控制 器通过二阶前馈补偿 ，大大提高了系统跟踪精度。通 过实验确定了各控制器的参数 ，结果表明，所设计的 串级控制器能够满足系统快速跟踪的要求。 参考文献 【 l 】 舒志兵， 等． 交流伺服运动控制系统 [ M] ． 北京 清华大 学出版社 ， 2 0 0 6 6 8 7 1 ． I 2 】洛再飞， 蒋静坪， 许振伟． 交流伺服系统及先进控制策略 综述[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 2 6 71 0 ． 【 3 】王瑞明， 蒋静坪， 曾玉金． 智能复合控制的交流伺服系统 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 3 1 7 11 7 5 ． 【 4 】 柴华伟， 马大为 ， 李志刚， 等． 交流伺服系统最优内模滑 模控制器设计与应用 [ J ] ． 南京航空航天大学学报， 2 0 0 7， 3 9 4 5 1 0 5 1 3 ． 【 5 】 张涌松， 舒志兵． 基于永磁同步电机的滑模变结构仿真 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 7 2 8 8 2 9 2 ． 【 6 】王竹林， 俞迪峰， 徐生林． 交流伺服系统中P I D参数模糊 自整定控制器[ J ] ． 机电工程 ， 2 0 0 9 ， 2 6 1 5 7 5 9 ． 【 7 】 陈先锋， 舒志兵， 赵英凯． 基于矢量控制的P M S M位置伺 服控制系统电流滞环控制仿 真分析 [ J ] ． 电气传动， 2 0 0 6， 3 6 6 1 9 2 2 ． 【 8 】陈荣， 邓智权， 严仰光． 基于 L Q S F的伺服系统速度调节器 的设计与研究[ J ] ． 电工技术学报， 2 O O 4 ， 1 9 7 3 8 4 3 ． 上接 第6 1页 【 2 】Z H A N G Z C ． T h e r e a l i z a t i o n o f d i g i t a l i z a t i o n o f fl u i d p o w e r s y s t e m s b y p u l s e d i s t al f l o w[ C] ／ ／P r o c e e d i n g s o f t h e f o u r t h i n t e r n a t i o n al s y mpo s i u m o n fl u i d p o we r t r a n s mi s s i o n a n d c o n t r o l I S F P 2 0 0 3 ．B e i j i n g I n t e rna t i o n a l A c a d e mi c P ub l i s he r s， 2 0 036 7 66 8 0． 【 3 】 张志成． 实现流体系统数字化的新思想脉冲数字流 法[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 4 8 1 4 ． 【 4 】 张志成． 流体系统同步运动数字化控制的脉冲数字流法 [ J ] ． 重型机械， 2 0 0 4 5 1 31 7 ． 【 5 】 张志成． 代码形式脉冲数字流的实现及意义 [ J ] ． 中国 机械工程， 2 0 0 7 ， 1 8 8 8 9 9 9 0 3 ． 【 6 】 路甬祥 ， 等． 液压气动技术手册 [ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 2 6 7 0 6 7 2 ． 【 7 】 雷天觉 ， 等． 液压工程手册[ M] ． 北京j 机械工业出版社， 1 99 0 1 6 821 68 3． 【 8 J 赵丁选 ， 等． 光机 电一体化设计使用手册 下册 [ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 3 4 5 5 4 5 8 ． 上接第 6 8页 即可获得该电液 步进缸 的精度参数。 应用数值计算软件 M A T L A B容易求出 P 3 一 2 ．7 6 3 80 0 50 0 0 0 70 3 p l I ＼ ． ． J 电液步进缸输出输入信号的时问差为 t 2一t l0 ． 0 2 0 3 s 相位差为 t 2 一 t 1 2 ,t r ／ N T 0 ． 6 3 7 7 r a d 3 6 ． 5 4 。 电液步进缸输人输出信号振幅差为 t 1 一 一 Y t 2 0 ． 2 3 6 2 m m 4结论 通过以上分析计算可以看出 1 应用线性时不变系统的分析方法对 电液步 进液压缸进行精度性能参数计算是可行的； 2 该闭环控制电液步进液压缸输入输出信号 相位滞后为 3 6 ． 5 4 。 ，振幅差为 0 ． 2 3 6 2 m m，能够满 足连铸机生产的要求； 3 若同时采集连铸结晶器振动工作的两个 电 液步进缸的输入输出信号，用该方法即可得出两缸的 相位差和振 幅差 ，获得 同步性能指标。 参考文献 【 1 】 刘海昌， 吴张永， 袁子荣 ， 等． 滑阀式电液步进缸的精度 分析[ J ] ． 重庆工学院学报， 2 0 0 3 6 2 5 2 7 ． 【 2 】 胡寿松． 自动控制原理[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 1 2 7 82 8 2． 【 3 】 梁虹． 信号与系统分析及 M A 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