一种多缸液压同步系统的控制策略及其仿真研究.pdf

2 0 1 2年 3月 第 4 o卷 第 5期 机床与液压 MAC HI NE T0OL HYDRAULI CS Ma r ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 5 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 4 1 一 种多缸液压同步系统的控制策略及其仿真研究 杨卫 志，张 小栋 ，张进进 西安交通 大学机械工程学院，陕西西安 7 1 0 0 4 9 摘要针对液压控制系统中广泛存在的同步控制问题，提出一种新的基于模糊 P I D增量式输出的主从方式控制策略， 并通过在 MA T L A B下编写仿真程序对某型号机床的液压同步控制系统进行建模和仿真。结果表明该控制策略的控制效果 很好，对液压同步控制系统的设计和调试具有一定的指导意义。 关键词多缸液压同步控制系统；控制策略；建模；仿真 中图分类号T HI 1 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 51 3 22 Th e Co nt r o l S t r a t e g y f o r M u l t i - c y l i n de r Hy dr a uli c Sy n c hr o n o us S y s t e m a nd S i mu l a t i o n Re s e a r c h Y A N G We i z h i ， Z HA N G X i a o d o n g ． Z H A N G J i n j i n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 4 9，C h i n a Ab s t r a c t A n e w ma s t e r s l a v e mo d e c o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n f u z z y - P I D a n d i n c r e me n t a l o u t p u t wa s p u t f o r w a r d f o r h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s c o n t r o l p r o b l e ms w h i c h wi d e l y e x i s t e d i n h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m． B y mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n i n MA T L AB f o r t h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f s o me t y p e ma c h i n e t o o l ，t h e c o n t r o l s t r a t e gy i s p r o v e d e f f e c t i v e ，and i t als o p r o v i d e s g u i d anc e for t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m． Ke y wo r d s Mu l t i c y l i n d e r h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s s y s t e m ；C o n t r o l s t r a t e gy ；Mo d e l i n g；S i mu l a t i o n 随着现代工业装备的大型化和建筑施工等现实要 求，在液压系统中同步执行机构被广泛使用。这些机 构在运行过程中往往要求高精度的同步运动。要保证 液压执行机构的高精度同步运动，除了努力提高液压 缸及液压阀的制造精度、减少液压油泄漏、减少运动 副的摩擦等客观的机械因素外 ，使用合适的控制 方法对于同步控制系统的精度有着决定性的作用。作 者针对某型号液压机研制过程中遇到的液压同步问题 提出了一种针对性的同步控制策略，并通过在 MA T L A B环境下建模，验证该控制策略的控制效果。 1 多缸同步运动系统结构模型 在六 工 位 液 压 拉 伸 机 中，6个 工 作 工 位相互成 6 0 。 沿圆周 方 向布置在 圆形工作台 板上 ，工作过程中要 求工作台板上下运动 带动各个工位上的模 具一起 上 下 运 动 完成 产 品 的拉 伸 加 工 。工 作台板的运动通过下 图 1 液压同步系统结构图 端 3 个 1 2 0 。 均匀摆放的液压缸来驱动，机械结构如 图 1 所示 工作台板下端与曲肘机构固定 ，同时曲肘 机构与液压缸的活塞杆相连。拉伸机工作过程中，通 过活塞杆的运动来控制曲肘机构的状态 ，并最终带动 工作台板上下运动；此时要求各个液压缸在运动过程 中保持高精度的同步，否则会导致曲肘机构卡死或设 备损坏。 2 多缸同步运动系统控制策略选择 由于开环控制方式的同步控制系统没有反馈补 偿，无法克服负载不同、油缸制造精度差异、液压油 泄漏等原因带来的误差；对于精度要求较高的场合 ， 往往采用液压闭环控制系统 。通过对输出量进行检 测、反馈，从而构成反馈闭环控制，这在很大程度上 可以消除或抵制对同步性能不利因素的影响，可期望 获得高精度的同步性能。因此，为了预先对系统的同 步性能进行分析，作者构建了如图2所示的闭环位置 伺服控制系统。 伺 服 阀 及 放 大 器 卜 1 f ● 液 压 伺 服 阀 及 放 大 器 H 卜 P L C 站 t 伺 服 阀 及 放 大 器 一 ． ] _ _- 『_ 石 图2 多缸闭环位置伺服控制系统原理图 该六工位拉伸机采用 P L C作为主控制器 ，工作 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 0 7 作者简介杨卫志，在读研究生，主要从事机、电、液一体化控制系统的研究与设计。Em a i l y o u r s y ang _ 2 0 0 8 1 6 3 ． c o m。 第 5期 杨卫志 等一种多缸液压同步系统的控制策略及其仿真研究 1 3 3 过程中P L C不断地采集光栅尺反馈 回来 的各液压缸 的位置信号 ，通过对位置信号进行相关的控制算法处 理，控制器输出流量信号来控制各个伺服阀的动作 以 使各液压缸实现同步运动。现有伺服阀的响应频率最 高已达到4 0 0 H z ，能够对 P L C输出的控制信号进行快 速的响应；同时光栅尺的测量精度可达到 1 0 m 。 针对液压机 的工 作状 况 ，在 “ 主从 方 式 ” 控 制 的同步 系统 中 ，要求 主动缸运 行平稳 ，速度 较快 ，不 允许出现超调 ；从动缸的运动要求跟随l生好，误差满 足生产工艺的要求。为此，作者设计了如图3所示的 控制系统仿真模型。 巫 u r t 。 。 。 。 。 。 。 。 。。 一 。 伺服 阀 传感 器 图3 多缸同步系统控制策略示意图 在上述控制策略中，选择控制器 2和 3的输出信 号作为流量控制的增量信号而不是直接的流量控制信 号，这样可以大大提高系统的稳定性和跟随控制的精 度 。 3仿真验证 在构建出如上所述的控制系统后，需要对控制系 统的效果和控制策略的优劣作一个定性的研究。为此， 作者采用对液压位置伺服系统建模和在 MA T L A B环境 下仿真的方法检测上述液压同步控制系统的性能。 3 ． 1 液 压位 置伺服 系统模 型 根据伺服阀主滑阀的流量方程与力平衡方程建立 的阀控缸的传递函数如下 ，、 Y 。 s K H 而 Sl 十 S十 l l ＼ ／ K sf 2 s 1 1 ＼ 棚 ／ 3 ． 2液压 同步控制效果仿真研究 为了研究分析方便 ，固定闭环伺服系统的固有频 率 ∞ 和 。液压位置伺服系统 中 的通常取值为 0 ． 1 ～ 0 ． 2 ，这里取 0 ． 1 5 。根据实际设计过程中液 压缸的参数计算出液压缸的固有频率为 ∞ 4 7 0 H z ， 为了表示主动缸和从动缸的特性差异 ，设置主动缸的 4 7 0 H z ，从动缸 的 6 0 4 6 0 H z 。 在 “ 主从 方式 ” 的 同步 控制 中，控 制 效果 主要 取决于从动缸跟随主动缸的跟随效果，因此，作者重 点研究在不 同的控制方法下从 动缸跟 随效果 的差异 。 根据控制系统的工作要求 ，假设输入电压信号 r 1 0 V，对应的液压缸输出位置 Y 2 5 0 m m，则 光栅尺反馈系统数 H 0 ． 0 4 。通过调节开环增益 可 以使闭环系统工作在稳定条件下 ，这里取使从动缸 和主动缸均能稳定工作的K值 1 0 0 0 。 根据控制器 P L C的运行情况 ，选择采样间隔为 l 0 m s ，即t 0 ． 0 1 S 。在这里，主动缸的控制算法不是 作者研究 的重点 ，因此 选择 常规 的 P I D控制 ，P I D参 数选择为 k 。 0 ． 4 ，k d 0 ． 5 ，k i 0 ． 0 l 。对于从动缸 ， 分别选用 P I D控制和模糊 P I D控制进行比较。 1 从 动缸 P I D控制效果仿真 从动缸 的 P I D参数经过多次调节 ，选择控制效果 较优 的 P I D参数 k 。 0 ． 5 ， d 1 ，k i 0 ． 0 5 。 通过在 M A T L A B下 编写 M 文件对 同步 系统在 如 上所述的参数下的模型进行仿真 ，得到的跟随效果曲 线 如图 4所示 。 0 ． 0． 0 昌 昌 ．0． 0 一0． 一0 ． 1 s t l a 位置跟随曲线 b 跟随误差曲线 图4 从动缸 P I D控制时的位置 跟随曲线和跟随误差曲线 2 从动缸模糊 P I D控制效果仿真 模糊 P I D控制时，取 k 0 ． 5 ， ∞1 ， 0 ； 误差 e 及 e c 变化范 围为 [一 1 0 ，1 0 ] 。 根据误差及误差变化率的范围，建立 7 个模糊子 集N B，N M，N S ，Z，P S ，P ，P B ，并选用适 当的隶属度 函数 ，建立如表 l 所示的模糊规则 以 k 为例 。通过 M A T L A B仿真得到的从动缸跟随效果 曲线如 图 5所示 。 表 1 k 模糊控制规则表 e c N B NM NS Z o Ps PM P B NB NM Ns zO Ps PM PB PB PB PM PM ps Ps zO PB PB PM PM Ps zo zo PM PM PM Ps ZD Ns NM PM Ps Ps zo Ns NM NM Ps P S Z0 Ns Ns NM NM ZD Z0 Ns NM NM NM NB Z0 Ns Ns NM NM NB NB 下转第 1 3 7页 第 5期 林义忠 等液压集成块典型转弯孔道流场仿真分析 1 3 7 流 ，使压力损失增大；在两管道相交处 ，通流截面 减小 ，根据流量连续性与伯努利方程可知，管路的通 流面积减小使液流在未通过最小截面时收缩效应增 大，形成回流漩涡，同时通过最小截面的高速液流使 扩散作用增强 ，压力损失梯度增 大。与正交直 角转弯 孔道相比较非正交直角转弯孔道 内的流体流动复 杂 ，产 生的漩 涡多且强度大 ，压力损失也明显增大 。 3结论 1 在直角转弯孔道 内，流体转 向所形成的涡 流和二次流是增大液 阻 、产生 系统 能耗 的主要 原 因。 因此 ，在设 计液压集成块时 ，尽量采用无工艺孔容腔 的直角转弯结构，以减少漩涡产生个数 ，削弱漩涡强 度，降低压力损失；同时，如果条件允许 ，最好采用 精密铸造流道，这样可以尽量避免直角转弯，又可得 到表 面光滑的流线型流道 ，从而消除转弯后形成 的涡 旋 ，减少能量损失 。 2 对比正交与非正交直角转弯孔道流体的仿 真结果图可知两管中心线正交相连通，即偏心距等 于0时，形成的小尺度涡较少，壁面和中心线位置的 速度分布比较均匀，流场压降损失比非正交转弯孔道 低，且正交转弯孔道取得的通流效果较好。因此，在 液压集成块管网优化设计时，为减少压降损失，应尽 可能采用两管正交的连通方式。 参考文献 【 1 】张宏 ， 田树军， 刘万辉 ， 等． 基于 C F D的液压集成块典型 流道液阻仿真研究 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 7 ， 1 8 1 8 2 22 322 2 6． 【 2 】王福军． 计算流体动力学分析 C F D软件原理与应用 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 3 】 王永安， 张宏， 田树军． 液压集成块内部孔道流场的 C F D 仿真分析[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 7 ， 1 9 1 7 4 0 6 1 406 4． 【 4 】张宏． 基于管网液流特性仿真的液压集成块优化设计 [ D] ． 大连 大连理工大学 ， 2 0 0 6 ． 【 5 】田树军 ， 张宏， 李利． 液压集成块管 网动态特性仿真 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7， 3 5 4 1 9 6 2 0 0 ． 【 6 】袁昌耀， 博连东， 王佳， 等． 基于 F L U E N T液压集成块管 内数值仿真[ J ] ． 机械， 2 0 0 8 ， 3 5 1 2 l 6 1 8 ． 【 7 】高殿荣， 王益群． 液压集成块内弯曲流道流场数值计算 与分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 6 3 4 3 5 ． 【 8 】张宏， 田树军 ， 高艳明， 等． C F D辅助液压集成块管网优 化设计 [ J ] ． 大连理工大学学报， 2 0 0 7 ， 4 7 5 6 8 9 6 92 上接 第 1 3 3页 t ／ s a 位置跟随曲线 t ／ s b 跟 随误 差 曲线 图 5 从动缸模糊 P I D控制 时的位 置跟随曲线和跟随误差曲线 从 图 5可以看 到 主动缸 在较快的时间 内平稳地 到达 2 5 0 m m处 ，没有 出现超调 。在 图 4中，主从 缸 的位 移跟随 曲线有着较大 的跟 随误差 ，最 大误差 大于 0 ． 1 m m；在图 5中，主从缸的跟随曲线基本重合 ， 跟 随误差在 0 ． 0 3 m m 以 内 ，从 动 缸有 着 良好 的跟 随 效果 。这是 因为模糊 P I D控制 有着 很强 的 自适 应性 ， 可以根据工作过程 自适应地调节 P I D的参数 ，使从动 缸 能够更快地跟随主动缸 的运动 。 4 结束语 通过对液压同步控制系统进行建模 和在 MA T L A B 下仿真，定量地研究了在不同的控制算法下主从缸跟 随效果的差异 ，同时提出了一种新的控制策略。仿真 结果证 明 该控制策 略在液压 同步控制过程 中有着 良 好的控制效果 ，能够为以后的同步控制实践提供一定 的指导。 参考文献 【 1 】 G U A N C ， P A N S X ． A d a p t i v e S l i d i n g M o d e C o n t r o l o f E l e c t r o h y d r a u l i c S y s t e m wi t h N o n l i n e a r Un k n o w n P ara me t e r s [ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ， 2 0 0 8 ， 1 6 1 1 1 2 7 5 1 28 4． 【 2 】顾凯， 李长春， 周欣． 电液伺服系统同步控制研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 6 1 3 ． 【 3 】夏玮 ， 李朝晖， 常春藤， 等． 控制系统仿真与实例详解 [ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 8 2 8 3 2 9 0 ． 【 4 】 周科， 陈柏金， 冯仪 ， 等． 基于 P L C 控制的液压同步顶升 系统[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 1 2 1 4 91 5 0 ． 【 5 】 李洪人． 液压控制系统 [ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 81 57． 【 6 】 江辉军， 安玉娇， 袁朝辉． 飞机液压系统流量压力负载模 拟研究[ J ] ． 航空学报 ， 2 0 1 1 1 1 1 2 ．