液压绞车运动跟踪前馈控制方法研究.pdf

2 0 1 0年 8月 第 3 8卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ．1 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 6 ． 0 2 0 液压 绞车运动跟踪前馈控制方法研究 陈锷 ，杨文林 三一重型装备有 限公 司，辽宁沈阳 1 1 0 0 2 7 摘要当液压绞车跟踪特定运动时，其响应速度是影响运动跟踪控制性能的重要因素。为了提高液压绞车运动跟踪精 度，设计跟踪运动前馈控制器并进行跟踪运动控制试验 ，结果表明，液压绞车的非线性 因素对跟踪运动的控制精度有重要 影响。利用最小二乘辨识方法实时辨识液压绞车的系统模型参数 ，在系统辨识的基础上设计 自适应前馈控制器。仿真结果 表明，液压绞车运动跟踪自适应前馈控制可以得到较高的控制精度。 关键词液压绞车；运动跟踪 ；前馈控制 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 【 2 0 1 0 1 60 5 5 2 Re s e a r c h o n t he M o t i o n Tr a c ki ng Fe e d f o r wa r d Co n t r o l o f Hy dr a u l i c W i nc h CHEN E． YANG W e n l i n S A N Y H e a v y E q u i p m e n t C o ． ，L t d ． ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 0 2 7 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e r e s p o n s e s p e e d o f h y d r a u l i c w i n c h d e e p l y a f f e c t s t h e c o n t r o l p r e c i s i o n w h e n t h e h y d r a u l i c w i n c h t r a c k s a d e t e r mi n e d mo v e me n t ．Mo t i o n t r a c k i n g f e e d f o r wa r d c o n tr o l l e r wa s d e s i g n e d t O i mp r o v e t h e mo t i o n t r a c k i n g p r e c i s i o n o f h y d r a u l i c w i n c h ．T h e mo t i o n t r a c k i n g t e s t r e s u l t s h o ws t h a t t h e n o n - l i n e a r f a c t o r o f h y d r a u l i c wi n c h a f f e c t s t h e mo t i o n t r a c k i n g p r e c i s i o n ．T h e l e a s t s q u a r e s p a r a me t e r s i d e nt i fic a t i o n wa s u s e d t o r e a l - t i me a me n d t h e mo de l p ara me t e r s o f h y d r a u l i c wi n c h．The a d a pt i v e f e e d f o r ward c o n t r o l l e r wa s d e s i gn e d b ase d o n t h e mo d e l o f h y d r a u l i c w i n c h w h i c h Was g o t f r o m p ara me t e rs i d e n t i fi c a t i o n ．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s h o w s t h a t t h e a - d a p t i v e f e e df o r wa r d co ntro l l e r i mp r o v e s t he c o n t r o l p r e c i s i o n o f mo t i o n t r a c k i n g． Ke ywor ds Hy d r a u l i c wi nc h；Mo t i o n t r a c k i n g；F e e d f o r wa r d c o nt r o l 绞车是用 于提升 、下放重 物的动力设备 ，绞 车通 常分为电动绞车和液压绞车两大类。液压绞车是使液 压元件和 机械零部件相结合 ，利用液压 马达直接或通 过减速箱来拖动滚筒旋转 ，从而实现提升和下降作 业 。液压绞 车具 有 液压 系统 固有 的优 点 功率 密度 大 、结构紧凑 、安全可靠等 ，从而使其在工程机械等 领域得到 了广泛的应用 。 由于 电液 比例阀具有价格低 、抗污染能力强和可 靠性高等特点，能满足一般的工程应用要求，液压绞 车通常采用电液 比例 阀控液压马达的控制方式。作者 针对某 液压绞 车跟踪 特定运 动曲线 的工程 需求 和液压 绞车的最 大速度 低 于跟 踪运 动 的最 大速 度 的实 际情 况，开展欠功率条件下液压绞车的运动跟踪前馈控制 研究 。 1 液压绞车机构与建模 液压绞车通常包括卷筒 、减速器 、液压马达 、电 液 比例 阀、平衡阀 、液压站等装置 。由于液压绞车通 常需要提升重物 ，因此在液压绞车的控制 回路上增加 平衡 阀 ，以防止重物 下降时对 液压 系统产生冲击 。液 压绞 车的速度 由电液 比例 阀控制 ，电液 比例 阀的数学 模型为 G 1 式 中Q s 为电液 比例 阀的输 出流量 ，U s 表 示 电 液 比例 阀的控制 电压 ，K为 比例控制 器的增益 ；T为 电液比例 阀的响应 时间。 阀控液压马达的传递函数为 Q _ Kc o ／V , 十一 十l O 。 h O h 式 中 为液压系统 固有频 率 ； 为液 压系统 阻尼 由于液 压绞车 是一 个 大惯 性 、大负 载 系统 ，因 此设计一 个前馈 控制 器 ，通 过改 善 液压 绞车 的响应 速度 ，可 以提 高 液 压 绞 车 的 主 动 升 沉 补 偿 控 制 效 率 。 设前馈控制器的传递函数为 G s ，由电液 比例 阀控制 电压到液压绞车速度 的传递 函数为 收稿 日期 2 0 0 9 0 81 8 作者简介陈锷 1 9 6 8 一 ，男，本科，高级工程师，研究方向为流体传动与控制。通信作者杨文林，电话1 3 9 0 9 8 8 3 2 9 6 ， Ema i l y a n g _we n l i n 1 6 3 ．c o m。 5 6 机床与液压 第 3 8卷 G o s G 。 去 _‘ 3 1_ 一- b 1- 1 ∞ h 假设 液压绞车期望速度为 ，以 作为前馈控制 器 的输入 ，则控制器 G s 的设计需要 满足 G G o 一Y0 则 G 丽 1 2 ． 4 d ． 、 通过代入液压系统的参数可知 ，如果液压绞车跟 踪运动的频率比较低，则液压绞车的传递函数可以近 似为 G o 丽 K ‘矗 则 1 5 2 液压绞车跟踪运动控制试验 为了验 证液 压绞 车 运 动 跟 踪 前 馈 控 制 方 法 ，利 用液压 绞 车进行 已知运 动 的跟踪控 制试 验。液压 绞车 前馈 控制 速度 响应及跟 踪速 度误 差曲线如图 l 所示。 液压绞 车跟 踪运 动 控制性 能指标用 相对误 差 6 表示 ，则 图 l 液压绞车运动跟踪前馈 控制速度 响应及误差 1 N 6 X⋯I O O ％ 6 6 一 L o s i T o I 由图 1 可知 ，采用前馈控制 的液压绞车对跟踪运 动的相对误差为 2 0 ％。 3 液压绞车非线性仿真分析 从液压绞车跟踪运动控制试验结果可知 ，液压系 统的非线性影响跟踪运动前馈控制的精度 。液压绞车 是典型的非线性系统 ，主要是 电液 比例 阀的流量方程 是非线性的。通常情况下 ，电液 比例 阀的输出流量与 比例阀的阀芯位移存在非线性关系 ，而且受液压系 统负载压力的影响。因此 ，在跟踪运动控制的频率范 围内 ，将液压绞 车简化成一阶惯性系统 ，其系统增益 和时间常数都是时变的。 将液压绞车模 型的时间常数 和系统增益按照液压 绞车跟 踪运 动前 馈控 制试 验的结 果进 行设 定 ，则 液， 、 压绞车 跟踪运 动前 馈控 制 仿真曲线如图 2所示。 由图 2仿真曲线可知 ， 考虑 液 压 系 统 非 线 性 时 ， 液压 绞车运 动跟 踪前 馈控图2 液压绞车运动跟踪 制的相对误差 为 2 0 ％ ，与 前馈控制仿真曲线 前馈控 制试 验结论 基本 一 致 。 4液压绞车 自适应前馈控制 液压绞车的非线性因素导致液压绞车的模型具有 时变特性 ，因而对液压绞车运动跟踪控制的精度具有 重要影响。如果利用液压绞车 的控制电压与液压绞车 输出速度值进行液压绞车模型参数辨识 ，从而在线修 正液压绞车模型的参数 ，则可以提高液压绞车的运动 跟踪控制精度。液压绞车跟踪运动 自适应前馈控制框 图如 图 3所示 。 图3 液压绞车跟踪运动自适应前馈控制框图 把绞车模型转换成差分方程的形式可得 y 一 ≥ ，， 一 1 K ≥ u 一 1 7 式中 表示采样时间。根据 u和Y值用渐消记忆的 最s J -_乘法来辨识得到 T 、K的值。 液压绞 车 跟踪 运 动 自 适应前 馈 控 制 曲线 如 图 4 所示。 根 据 仿 真 结 果 可 知 ， 液压 绞车 运动跟 踪 自适 应 前 馈 控 制 的 相 对 误 差 为 7 ． 8 ％，明显高于前馈控制 时 的运 动 跟 踪 控 制 精 度 。 因此利用 参数 辨识 方 法实 图 4 液压绞车运动跟 踪 自适应前馈 控制仿真曲线 时修正液压绞车的系统参数 的自适应前馈控制可以明 显改善液压绞车的运 动跟踪控制精度 。 5结论 由于真实 的液压系 统存 在参数 时变 等非 线性 特 性 ，对液压绞 车运动跟踪前馈控制的效率存在较大的 影响，研究了基于液压系统参数辨识的液压绞车运动 跟踪前馈控制方法。仿真结果表明基于参数辨识 的液 压绞车运动跟踪前馈 自适应控制可以得到较高的控制 精度 。 下转第6 5页 第 1 6期 戴本俊冷轧热镀锌线 C P C系统动态响应分析 6 5 此时 5 ． 1 3 d B满 足系统要求 ，由新 的零分 贝 线与幅值曲线相交得到穿越频率 6 0 2 9 ． 2 r a d ／ s ，即 此时 K ∞ 2 9 ． 2 1 8 0 5 ． 6 31 0 ～ 1 2 7 ． 4， 得 K 2 ． 2 61 0 ～ A ／ V。 系统频带宽 B ／ 2 7 r 2 9 ． 2 ／ 6 ． 2 8 4 ． 6 9 3 Hz 达到 了原有控制 系统 的频宽要求 。 3 ． 2 系统 仿 真分析 在确定控 制系统 的数 学模型后 ，便可 以采用 M a t l a b和控制 系统 S i m u l i n k工 具箱 对 C P C控制 系 统 的数学模 型进行 分析。 在 S i m u l i n k中建 立无 负 载干扰 力 的 C P C系统仿 真模 型 ，如图 5所示 。 图 5 C P C控制系统的仿真模型 图 6为其 阶跃 响应 曲线 ，从 图上可得 出系统 的动 态响应的性能指标 F o r m I nl 1 b 0u t l 图 6阶跃 响应 指标 上升时间t 0 ． 0 2 3 2 s ，峰值时间t P 0 ． 0 6 2 6 s ， 超调量 M 3 0 ． 8 ％ ，调整时间 t 0 ． 3 0 4 S 允许误 差范 围 2 ％ 。 和现有生产线引进 的纠偏控制系统相 比，作者设 计 的控制 系统其 各项 性能 指标 均 满足 现场 生产 的要 求 。 4结论 作者分析 了 C P C电液伺 服控 制 系统 主要元 件 的 动态特性 ，建立 了冷 轧连 续热 镀锌 生产 线 C P C控 制 系统 的数学模 型 ，通 过 Ma t l a b仿 真软 件模 拟 了动 态 响应特性 。研究表明 ，所设 计系统的稳定 性能和响应 速度良好，与生产线现有的全套引进系统相比，其各 项性能指标要求均达到较高要求，为今后该系统及设 备的 国产化工作提供了理论依据 。 上接第 5 6页 参考文献 【 1 】肖体兵， 吴白海． 深海采矿升沉补偿系统非线性仿真模 型的建立和实验 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 4 ， 1 5 9 7 9 2 79 5． 【 2 】 杨逢瑜， 刘峰， 杨瑞， 等． 动态矩阵控制在电液位置伺服 系统中的应用[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 6 3 1 41 7 ． 【 3 】陈柏金， 黄树槐， 高峻峰， 等． 自由锻造液压机控制策略 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 8 ， 4 4 1 0 3 0 4 3 0 7 ． 【 4 】K i m i a g h a l a m B a h r a m， H o m a i f a r A b d o l l a h ， B i k d a s h M a r w a n ． F e e d b a c k a n d F e e d f o r w a r d C o n t r o l L a w f o r a S h i p Cr a n e w i t h Ma r y l a n d R i g g i n g S y s t e m[ C] ／ ／ A m e r i c an C o n t r o l C o n f e r e n c e ． 2 0 0 0． 2 1 04 7 1 0 51 ． 上接 第 1 0 5页 反 而更容 易失去 密封作用 。 经过 多 次 试 验 的 摸 索 ，发 现 合 适 的 压 缩 率 在 2 5 ％左右 ，这样 既 不会 因过 压缩 而 导 致塑 性变 形失 效 ，也不会 因压缩不足而失去密封作用 。 参考文献 【 1 】田茂贵． 高压螺纹密封件[ J ] ． 机床与液压， 1 9 9 3 2 ． 【 2 】 李建设． 液控单向阀刚柔密封结构的可靠性 [ J ] ． 机床 与液压 ， 1 9 9 3 5 ． 【 3 】郑金生． 卡套式管接头密封及泄漏分析 [ J ] ． 机床与液 压 ， 1 9 9 2 4 ． 【 4 】 吴瑞明， 周晓军， 雷良育． 液压缸密封工艺分析[ J ] ． 机 床与液压 ， 2 0 0 3 6 3 0 6 3 0 7 ， 3 2 4 ． 【 5 】 严永福． 机床 防漏措施及结构分析[ J ] ． 机床与液压， 1 9 9 1 4 ．