液压同步开环与闭环控制的比较.pdf

Hy d r a ul i c s Pn e uma t i c s＆ Se a l s ， NO ． 7 ． 2 01 0 液压同步开环与闭环控制的比较 白 柳 山西工程职业技术学院 ， 山西太原0 3 0 0 0 9 摘 要 本文对液压 同步开环控制和闭环控制进行了分类和 比较 ， 并对几种不 同形式的闭环控制 原理进行 了分析 。 关键词 液压传动 ； 开 环控制 ； 闭环控制 ； 同步精度 中图分类号 T H1 3 7 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 7 0 0 0 1 0 3 The Co mpa r i s o n o f S y nc h r o no u s O p e n Loo p Co n t r o l wi t h Cl o s e d Lo o p Co nt r o l o f Hyd r a u l i c BA，Li u S h a n x i E n g i n e e r i n g V o c a t i o n T e c h n o l o g y C o l l e g e ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 9 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e g h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s o p e n l o o p c o n t r o l a n d c l o s e d l o o p c o n t r o l a r e c l a s s i f i e d a n d c o mp a r e d ， a n d s e v e r a l d i ff e r e n t f o r ms o f the c l o s e d l o o p c o n t r o l p r i n c i p l e s a r e a n a l y z e d ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c S y n c h r o n o u s t r a n s mi s s i o n ；o p e n l o o p c o n t r o l ；c l o s e d - l o o p c o n t r o l U 日 IJ舀 液压同步 回路是指在多缸液压系统 中．使两个或 多个液压缸在运动中保持相 同的位移 位置 同步 或相 同的速度 速度 同步 的回路 。它在工程 中的应用很广 泛 ， 例如冶金行业 中连铸机的中间罐车液压升降系统 ， 方板坯连铸机的引锭对中和存放【 l 】 ， 向加热炉中移送钢 坯的推钢机 ；水 电行业中为完成静平衡测试称重而使 用同步顶升 回路完成水轮机转轮和叶轮的同步顶 升 ； 建筑行业用 同步提升技术将成千上万吨 的建筑物件在 地面拼装后 ， 整体提升到预定高度进行安装[ 3 J 等 。各个 行业采用液 压同步技术是 因为与其 他 同步技 术相 比 较 ， 液压 同步技术具 有结构简单 、 组成方便 ， 易 于控 制 和适用于大功率场合等特点 。 液压同步控制主要有开环控制和闭环控制两种形式。 l 开环控制及其特点 1 ． 1 机械 刚性 连接 实现 同步 将两个执行 液压缸用机械杠杆 刚性连接实现位移 的同步 ， 如图 1 所示 。该 回路简单 ， 不需要其他元件 ， 但 同步精度低 ，运动平稳性差 。用于各执行件负载差别 小 ， 对 同步精度要求低的场合。 图 1 机械 剐性连接实 现同步 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 9 作者简 介 自柳 1 9 6 4 一 ， 女 ， 山西省太 谷县人 ， 副教授 ， 硕 士， 主要 从事液 压与气 压传动技术 的教学与科研工作 。 1 ． 2串联液压 缸 实现 同步 如 图 2所示 ， 液压缸 I与液压缸 Ⅱ在油路上串联 。 液压缸 I有杆腔的排油进入液压缸 Ⅱ的无杆腔 ，液压 缸 I 有杆腔 A的有效面积与液压缸 Ⅱ无杆腔 B的有效 面积相等。从理论上讲 ， 液压缸 I与液压缸 Ⅱ可实现向 下的同步运动。但在实际情况下 ． 由于存在负载分配不 均衡 、 两液压缸制造上的误差及液压油的泄漏等原因 。 均会造成它们在运动中的不同步现象 ．为防止不同步 误差累加 ，常采用补油 的方法使这种误差一旦 出现即 刻消除。如图 3所示 即为常见 的带补偿措施的串联液 压缸 同步 回路 。若缸 I的活塞先运动到底 ， 它触动行程 开关 a使阀 5通 电，压力油便经 阀 5和液控单 向阀 3 向缸 Ⅱ的 B腔 补 油 ， 推 动 活塞 继 续运 动 到底 ， 误 差 即被 消除 ； 若缸 Ⅱ先到底 ， 则触动行程开关 b使 阀 4通电 ， 控制压力油使液控单 向阀反向通道打开 ，使缸 I的 A 腔通过液控单向阀回油 ， 其活塞 即可继续运动到底 。 U B 压 口尸5 乏山 LL J 们 取 图 2 串 联 液 压 缸 实 现 I司步 图 3带 补偿 措 施 的 串联 液 压 缸 买 现 同步 1 ． 3采 用流 量 阀实现 同步 如 图 4所示 ，图 4 a中在两个液压缸 的油路上 ， 采 用相同型号的单 向节流阀可实现活塞及活塞杆 向下同 步运动 ， 适用于负载稳定 、 流量小 的简单 回路 中， 效率 较低 ， 同步精度一般低于 5 ％～ 1 O ％_ 】 1 。图 4 b中由调速 1 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 0年 第 7期 阀和四个单向阀组成桥式整流回路可实现双向同步 ， 该回路适用于同步要求较高 ， 且速度不受负载影响 ， 流 量不是很大的回路中， 同步精度一般低于 4 ％一 5 ％【 l j 。图 4 c中为采用分流集流阀的同步回路 ，用分流集流阀可 使两负载不同的液压缸同步。在分流集流阀中， 经过的 流量 Q与压降之间的关系为 Q K A △ p ，可知压降 △ p与流 量 Q的平 方成 正 比 ， 故 该 回路 流量 使用 范 围较 窄． 不适用于低压 。 同步精度为 3 ％～ 5 ％。 ．1 [ [ [ j ] 曰 ／ V ／ a 单 向节 流 阀 b 单向 恻 c 分 流集 流 阀 图 4采用流量 阀实现同步 上述三种同步回路 ， 其同步精度取决于液压元件的 制造精度。当使用一段时间后 ， 元件均有不同程度 的磨 损 ， 各液压元件均会对液压缸的同步产生静态或动态的 影响 。 同时 由于不同工况下负载的扰动 ， 油缸运动时产 生的摩擦阻力、 液压油的泄漏、 空气的混入、 各控制元件 间的性能差异、回路各元件的制造误差等因素的影响， 都会对液压缸的同步精度产生不同程度的影 响， 且液压 缸不同步的量并不能反馈到各控制同步运动的元件上 ， 它完全靠液压控制元件 如各种 阀 本身的精度来控制 执行元件的同步运动，故不论采取了何种补偿措施 ， 同 步精度均较低。这就是开环控制同步系统的特点。 2 闭环控制 同步系统 当采用液压同步闭环控制 系统时可对执行件的输 出进行检测 、 反馈 ， 并与输入信号进行 比较 ， 从而构成 负反馈闭环控制。尽管该系统组成复杂， 成本高 ， 但能 消除和抑制开环控制系统中诸多不利因素的影响。 2 ． 1 分类 1 按实现的任务 或控制输 出 的不同 ， 液压 同步 闭环控制可分为力 同步闭环控制 、 速度 同步闭环控制 2 和位置同步闭环控制。 2 按被控执行元件的数量不同 ， 液压同步闭环控 制又有双执行元件和多执行元件同步闭环控制。 3 按被控执行元件 的类型与结构 、 安装形式与运 动方向的不同，液压同步闭环控制分为液压缸同步闭 环控 制 和液压 马达 同步闭环 控制 。 2 ． 2控制 原理与 方法 闭环控制的基本原理是利用反馈检测元件对控制 系统的输出信号与输入信号进行比较 ， 并使其减小。其 控制原理如图 5所示 。 输 输出 图 5闭 环控 制 原 理 图 然而液压同步闭环控制的 目的 ，是使多个执行元 件与负载的输出量达到高精度的同步，对于液压同步 闭环控制来说 ， “ 同等方式 ” 和“ 主从方式” 是通 常采用 的两种控制策略。“ 同等方式” 指多个需 同步控制的执 行元件跟踪设定的理想输出而分别受到控制并达到同 步驱动 。“ 主从方式 ” 是指多个需同步控制的执行元件 以其 中一个的输 出为理想输出 ，而其余的执行元件均 受到控制来跟踪这一选定 的理 想输出并达到 同步驱 动。依上述控制原理和控制策略可有如下几种控制方 法 。 1 单反馈单校正同步控制。如图 6所示 ， 对两个 执行元件分别进行单个 的反馈控制 ，从而使执行元件 的输 出均跟踪设定的理想输出达到同步。 出 出 图 6 单反馈单校正同步控制方框图 2 共反馈共校正同步控制。如图 7所示 ， 当两个 执行元件与负载固接后 ．用一套反馈检测元件测量负 载的实际运动状态 ，并对两个执行元件同时实施反馈 控 制 以跟踪设 定 的理想输 出达 到 同步 。 图 7 共反馈共校正同步控制方框 图 Hv dr a u l i c s Pne uma t i c s＆ S e a l s ， NO． 7 ． 201 0 3 共反馈同步误差校正 同步控制。 如图 8 所示 ， 它 以单支路最佳跟踪控制为基础 ， 以被 同步驱动件的输出 作为跟踪 目标 ， 通过反馈控制使跟踪误差最小 。 且利用 输出同步误差对两执行元件分别进行同步补偿控制。 图 8 共反馈同步误差校正同步控制方框 图 2 ． 3不 同反馈 、 检 测元 件组 成 的同步 闭环 控制 系统 1 伺服阀。伺服阀可分为机液伺服阀和电液伺服 阀。前者 以机械方式将活塞位置误差反馈给伺服阀． 由 伺服阀的随动调节流量 ， 实现两缸的同步 ； 后者将活塞 位置以电信号反馈给伺服阀。电液伺服阀是高精度 、 高 频响的电液控制元件[5 1 。由它组成的液压同步闭环控制 系统不仅具有较高的响应速度 ， 而且 同步控制精度高。 然而 ， 因为该种阀结构复杂 、 造价高且抗污染能力差 ， 所 以 由电液 伺 服 阀组 成 的液 压 同步 闭 环控 制 一般 适 用 于同步精度要求高的场合 。 2 比例 阀。比例 阀是介 于普 通液 压 阀的 开关式 控 制和 电液伺服阀伺服控制之间的控制方式 ，它能实现 对液流压力和流量连续地按 比例地跟随控制信号而变 化 ， 它的控 制性能优于开关式控制 ， 控制精度和响应速 度低于电液伺服控制 。但它的成本较低 ，抗污染能力 强， 容易实现计算机控制。所 以由它组成的闭环控制系 统已大量用于系统频率响应适中而需要较高 同步精度 的场合 。 3 数字阀。数字阀是 2 0世纪 8 0年代初期才逐渐 发展起来 的机电液一体化控制元件 。它的最大特点就 是能适应计算机控制的需要 ， 直接用数字量实现控制 。 而省去 了一般计 算机控制 系统 中所必 备的 D ／ A转换 器。另外该阀具有较高的抗污染能力 。因此， 由它组成 的液压同步闭环控制系统控制方便 、 可靠性 高、 重复精 度高 、 结构简单 ， 且易于实现计算机直接控制 。但这种 控制形式的同步控制精度受到步进 电动机驱动信号的 脉冲数 、 脉宽占空比及计算机硬 、 软件的影响。 3 结束语 1 开环控制 同步系统的同步精度取决于液压元 件的制造精度 ， 故应用于同步精度要求不高的场合 。 2 闭环控制 同步系统可对执行元件的输出进行 检 测 与反 馈 。虽 然 系 统组 成 复杂 ， 成 本 高 ， 但 可获 得较 高 的 同步精 度 。 3 随着机电一体化技术 、 计算机技术及现代控制 理论的发展和应用 ，液压 同步闭环控制技术将得到更 好 的发 展并 应用 于各 个工 业领 域 中 。 参 考 文 献 【 1 】 解通护 ． 液 压同步 回路在连 铸机 上的应用 【 J 】 ． 工程建 设与设 计。 2 0 0 5 5 4 2 4 3 ． 【 2 】 黄明 ， 刘兵． 液压 同步技术在工程中的应用【 J 】 ． 水力发电 ， 2 0 0 2 6 3 3 - 3 5 ． 【 3 】 李 欣青 ， 乌建 中． 液压 同步提升技术的工程应用 [J ] ． 工程机械 ， 1 9 9 7 9 2 2 - 2 4 ． [ 4 ] 施光林 ， 史微祥 ， 李天石． 液压 同步 闭环控制及其应用[ J ] ． 机床 与液压 ， 1 9 9 7 4 3 - 5 ． [ 5 】 罗艳蕾 ． 液压同步回路及 同步控制 系统实现 的方法【 J ] ． 液压与 气动 ， 2 0 0 4 4 6 5 6 7 ． 蓄能器充氮装置 当蓄能器充氮压力要求 1 3 MP a以上 ， 直接用氮气瓶分装 已无法完成 ， 充氮小车充氮装置利用气动增压 泵 ， 可以轻松完成蓄能器的充氮 ， 最高压力可达 7 0 MP a 。设计要点是在小车上带着氮气增压装置 ， 在缸体两 端 的端 盖 内设有 顶杆 ， 在 油腔 、 气 腔两 端设 有 限位 开关 。 活塞 通过 顶杆 推 动 限位 开关 的电磁换 向阀发 出换 向 的信号 ， 液压系统增压 、 使活塞不断的往复运动 ， 将气体加压并输入压力容器 ， 直至达到所需压力时 ， 自动停 机。 若将它连接在压力容器的气路系统中， 便可起到 自动充气保压的作用。 它适应于冶金 、 电力等行业 ， 需向 高压容器充装高压气体领域的应用。 不仅可用于蓄能器充氮 ， 还可以用于氮气弹簧充氮气 。 适合给需要充氮 气 的蓄能器、 气弹簧 、 蓄压装置 、 高压开关 、 电器产品、 注塑模具 、 高压容器 、 消防器材等充氮气。 3