空心液压缸同步系统的设计建模及仿真.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 1 2期 空心液压缸同步系统的设计建模及仿真 陈振堂． 李昕涛 太原科技大学 机械工程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 针对液压同步系统的特点 。 分析 了同步控制方 式和控制 策略 ， 设计了 以空心液压缸为执行元 件的双缸同步系统 ， 建立了系统 的 数学模型 ， 并采用 P I D控制算法对该系统进行了校正 ， 利用 MA T L A B进行了理论仿真 。结果表 明该 同步系统具有响应速度快 ， 控制精 度高的优点 ， 其 同步误差控制在 1 ． 5 ra m 以内。 关键词 空心液压缸 ； 同步控制 ； P I D； 建模 ； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 2 0 0 6 6 0 4 De s i g n M o d e hn g a n d S i mu l a t i o n o f Ho l l o w Hy d r a u h c Cy l i nd e r S y nc hr o n i z a t i o n S y s t e m C HE N Z h e n t a n g， L I Xi n t o o 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 ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e 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， s y n c h r o n o u s c o n t r o l mo d e a n d c o n t r o l s t r a t e g y are a n a l y z e d ， t h e d e s i g n o f h o l l o w h y d r a u l i c c y l i n d e r a s a c t u a t o r s d u p l e x s y n c h r o n o u s s y s t e m， e s t a b l i s h e d the ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e s y s t e m， u s i n g P I D a l g o r i t h m t o t h e s y s t e m c ali b r a t i o n ， s y s t e m t h e o r y i s s t u d i e d b y u s i n g MAT L AB s i mu l a t i o n ． Re s u l t s s h o w tha t the s y n c h r o n o u s s y s t e m wi t h f a s t r e s p o n s e s p e e d ， h i g h c o n t r o l a c c u r a c y ， t h e a d v a n t a g e s o f the s y n c h r o n i z a t i o n e r r o r c o n t r o l w i thi n 1 ． 5 mm． Ke y wo r d s t h e h o l l o w h y d r a u l i c c y l i n d e r ； s y n c h r o n o u s c o n t r o l ； P I D； mo d e l i n g ； s i mu l a t i o n O 引言 液压 同步回路是实现多个执行元件 以相同的位移 或相等的速度运动的液压 回路 随着液压技术在工程 领域中应用 日益扩大 ．大型设备 因负载力很大或 因布 局 的关系， 需要多个执行元件 同时驱动一个工作部件 ， 同步运动就显得十分重要 。同其他 同步驱动方式相 比， 液压同步驱动具有结构简单 、 组成方便 、 易于控制 和适 宜于大功率场合等特点 由于空心液压缸其 中心为通孔式 的结构特点 ． 允 许实杆或钢绳贯穿 ． 可提供拉伸力 。 选配钢质活塞鞍座 亦可作普通缸用 ． 特别适用于后张法和预拉法作业。本 文 旨在 以空心液压缸为执行元件 ．设计了双缸同步控 制系统 ， 并对其进行 了建模与仿真分析 。 1 空心液压缸同步系统的设计 1 ． 1 同步控制方式的分析 实现液压同步驱动一般主要有开环控制 见 图 1 基金项 目 山西省科技攻关项 目 2 0 1 1 0 3 2 1 0 0 5 0 8 ． 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 3 作者简介 陈振堂 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山东冠县人 ， 在读硕士研究生， 研究方 向为机 电液一体化及应用 。 和闭环控制 见图 2 两种基本方式。诚然 ， 由于液压系 统 的泄漏 、 执行元件 等存在的非线性摩擦阻力、 控制元 件 间的性能差异、负载和系统各组成部分 的制造误差 等 因素的影响 ．使得液压 同步的高精度问题还未完全 得到真正解决 尤其是采用开环控制 的液压同步驱动 ． 因为它完全靠液压控制元件f 如同步阀、 各类节流阀或 调速 阀1 本身的精度来控制执行元件的同步驱动 ， 而不 对执行元件 的输 出进行检测与反馈来 构成 闭环控制 ， 所 以它不 能消除或抑制对高精度同步的不利因素的影 响 ． 这也就大大限制了该种控制方式的实际应用范 围。 与此相 比． 尽管液压同步 闭环控制组成较复杂、 造价偏 高 ， 但 由于它靠的是对输 出量进行检测 、 反馈 ， 从 而构 成反馈闭环控制 ．在很大程度上消除或抑制不利因素 的影响． 而获得高精度的同步驱动。所以液压 同步闭环 控制 已经越来越得到人们 的重视 ．特别是随着现代控 制理论及计算机控制技术的发展 ．该种控制形式几乎 在所有需要高精度液压 同步驱动的各类主机上都得到 了较好 的应用 壅 ． 网 ◇ 卜 控 制 图 1 开环控制方块图 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 3 图 2闭环 控 制 方 块 图 1 ． 2同步控制策略的分析 对液压 同步闭环控制来说 ， “ 同等方式” 见 图 3 和 “ 主从方式” 见 图 4 是通常采用 的两种控制策略 。“ 同 等方式” 是指多个需 同步控制 的执行元件跟踪设定的理 想输 出． 分别受到控制而达到同步驱动的 目的 “ 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 。两者相 比。 为获得高 精度的同步输出． 按“ 同等方式 ” 工作的液压同步闭环控 制系统 中的各执行元件 、 反馈 、 检测元件及控制元件等 的性能间应具有严格 的匹配关系 ． 这显然给工业实现增 加 了难度。如果要求按“ 主从方式 ” 工作 ． 则需要未被选 定 的执行元件 。 精确地跟踪被选定的理想输出。 堙 L H 入 苹一 墨 馈、 检测元件2 巫 亟圃 ◇ L 反馈、 检测元件2 } - _ _ J 差值反馈 、 检测元件 2 图 4主 从 方 式 同步 控 制 方 块 图 1 ． 3同步系统 回路的设计 根据 以上的分析 ， 本文设计的双缸 同步回路 见图 5 的控制方式为闭环控制 ， 控制策略为主从方式。根据 油缸运动的实时参数 ．通过调节与控制油缸相对应 的 比例电磁 阀开度 。 达到两组油缸同步运动的精度要求。 在这种控制方式中 ．预先假定两组油缸有共 同的理想 输入 ． 在油缸运动过程中依据 内置 的传感器参数 ． 让 随 从油缸与基准油缸的实际位置输 出做 比较 ．比较后得 出偏差 ．对偏差进行 P I D控制来调节 比例控制阀的开 度 ．让运动偏快的油缸慢一点 ，运动偏慢 的油缸快一 点 ． 最终得到双缸同步驱动 。 圈 5同步 系统 原 理 图 2 空心液压缸同步系统的建模 在控制系统研究 中．建立系统的数学模型是非常 重要的 。 它是设计系统、 分析系统性能和改进 系统结构 所不可或缺 的强有力 的工具 ．传递函数是基 于古典控 制理论的一种常用 的数学模型 ．它是在拉氏变换的基 础上建立 的。本文将利用传递函数来研究运用 电液 比 例方向节流 阀控制空心液压缸的同步系统。空心液压 缸工作原理 见图 6 。 图 6空心液压缸工作原理图 2 ． 1 比例阀的负载压力一 流量特性 根据文献 ．运动方向下具有非对称液压缸时比例 阀的负载流量方程如下 Q L K q x P L 1 式中K 比例阀流量系数 ； K 流量压力系数 ； Q 负载流量 ； p L 负载压力 ； ， 阀芯位移。 2 ． 2非对称液压缸负载流量方程为 Q L 誓 苦 c2 ， 式中A 液压缸的有效作用面积； 液压油的体积弹性模量 ； ． 比例控制阀至液压缸两腔的总容积 ； 6 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 1 2期 液压缸总泄漏系数 ； 活塞位移。 2 ． 3液压缸 活塞 受 力平衡 方 程的 建立 若考虑最一般 的情况 ， 活塞受力包括有惯性力、 粘 性力 、 弹簧力和任意外负载力 ， 则根据牛顿第二定律建 立活塞受力的平衡方程为 12 1 M t挚 B p 3 出 式中 液压油作用在活塞上产生的推力 ； 包含负载和液压执行元件运动部分的总 质量 B 活塞和负载的粘性阻尼系数 ； K 弹性系数 外干扰力。 式 1 、 2 和 3 是 阀控液压缸 的 3个基本方 程 。 当外干扰力 0 ，忽略弹性负载和粘性 阻尼负载时的 执行元件的传递函数为 式中 液压 固有频率 ， 一 。 3 空心液压缸同步系统仿真分析 3 _ 1 P I D控 制器 为取得较好的控制效果 ．采用 P I D控制算法对空 心液压缸同步控制系统进行校正 。其数学控制算法为 k ㈤ 1 J d t T d ] 式 中 控制器的输出； e 控制器的输入 。 它是给定值与被控对象 实际输 出值的一个偏差 。 称为偏差信号 ； k控制器的比例系数 ； 控制器 的积分时间； 控制器的微分时间。 各控制作用的实现方式在 函数表达式中表达 的非 常清楚 ， 对应控制参数包括 比例增益 k 、 积分时间常数 和微分时间常数 。 系统同步控制效果和 k 、 r i 、 的取值有关 。一般 来说 ， 比例系数 k 加大将会减小稳态误差 ， 提高系统 的 动态响应速度 ， 但 同时会使 系统的超调量加大 ； 积分作 用能够消除稳态误差 ， 提高同步控制精度 ， 但 增大会 降低系统稳定性 微分作用能够改善 系统的动态特性。 因此 ，必须合理 的选取 k 、 r i 、 以得到 良好的同步控 制效果 3 ． 2仿 真模 型 对空心液压缸同步 系统进行仿真分析 。其 目的是 为 了分析系统的动态特性和整定 P I D控制参数 ．以便 为系统的软件设计提供方便和依据 。MA T L AB所提供 的 S i mu l i n k是一个用来对动态系统进行建模 、仿真和 分析的软件包 ．根据数学模型可以直接建立系统的仿 真模型 ．利用它可 以方便地对液压系统的动态性能进 行仿真 。 依据 MA T L A B所提供的图形接 I I ， 可 以得到一 个很直观的 S i m u l i n k液压 同步系统 的 MA T L A B模型 ． 见 图 7 图7 同步系统经校正的 S i mu l i n k 模 型 V Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 3 小方坯连铸剪切机液压 系统改进 张龙江 北京无极液压工程有 限公 司， 北京1 0 2 3 0 8 摘要 介绍 了马钢小方坯 连铸 剪切机液压系统工 作原理 ， 针 对调试期 间出现液 压系统流量不足 的问题进行 了分 析 。 根据生产 实际情 况 ， 提 出了利用 蓄能器组来增加液压 系统流量 的方法 ， 解决 了实际 问题 ， 取得了满意的效果 。 关键词 剪切机 ； 液压系统 ； 蓄能器组 ； 改进 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 3 1 2 0 0 6 9 0 3 I mp r o v e me n t o f Hy d r a u l i c S y s t e m f o r Bi l l e t Co n t i n uo u s Ca s t i n g S h e a r Z H A NG L o 眄 i a n g B e i j i n g Wu j i H y d r a u l i c E n g i n e e r i n g C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 2 3 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Th i s a r t i c l e i n t r o d u c e d t h e p rin c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m f o r b i l l e t c o n t i n u o u s c a s t i n g s h e a r i n Ma s t e e l ， a n aly z e d t h e p r o b l e m tha t t h e h y d r a u l i c s y s t e m fl o w wa s n o t e n o u g h t o me e t ma n u f a c t u r e n e e d d u rin g c o mmi s s i o n i n g ， p u t f o r w a r d t h e s o l u t i o n t h a t a c c u mu l a t o r s g r o u p w a s ma d e u s e t o a d d h y d r a u l i c s y s t e m fl o w a c c o r d i n g t o ma n u f a c t u r e a c t u al f a c t ， r e s o l v e d the p r a c t i c a l p r o b l e m a n d o b t a i n e d the s a t i s f a c t o r y e ffe c t ． Ke y wo r d s s h e a r ； h y d r an l i c s y s t e m ； a c c u mu l a t o r s g r o u p； i mp r o v e me n t 0 引言 马钢 R 6 M 四流小方坯连铸机 ， 主要生产 1 5 0 x 1 5 0 、 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 3 作者简介 张龙 1 9 6 7 一 ， 男 ， 安徽含山人 ， 高级工程师 ， 硕士 ， 主要从 事液 压系统设计工作。 1 5 0 x 1 8 0和 1 6 0 x 2 0 0三种规格的小方坯产品。 铸坯切割 设备采用液压剪切机 ， 液压剪切机具有剪切速度快 ， 无 金属消耗 ， 占地面积少等优点。但在生产调试阶段 ， 却 发现剪切机液压系统提供的流量只能勉强维持三流铸 坯同时剪切需要 ．不能满足生产中出现的四流铸坯 同 3 ． 3 仿 真 结果 仿真是在 MA T L A B中利用 S i mu l i n k控制工具箱来 完成的。液压同步控制为一个具有非线性的系统 ． 采用 P I D控制得到两组液压缸的单位 阶跃响应 曲线 ． 从 图像 可以看出系统上升快 。 过渡过程时间短 ． 超调量较小见 图 8 。 图 9为两个子系统的同步误差 ， 可以看出 。 在初始 阶段存在不足 1 ． 5 mm的同步误差 ．之后经同步控制器 的调整 ． 同步误差接近为 O 。 图 8同步系统阶跃响应 曲线 图 9系统 同步误差 4 结论 1 由电液 比例 阀和其他液压元件 组成 的空心液 压缸 的闭环同步控制系统 ，工作稳定性好 ．控制精度 高 ， 调整方便 ， 易于实现计算机控制 。 不会形成与油缸 行程有关 的累积 同步误差 2 S i m u l i n k是一个强大 的软件包 ． 为液压 同步控 制系统的动态研究提供 了简便可行且更趋合理精确的 平 台。利用 S i mu l i n k实现仿真 ， 具有方便 、 直观、 准确的 优点 ， 只要改变方块图中的数值 ． 就可 以得到相应的计 算结果 。这样有利于在生产实际中的应用 。 参 考 文 献 [ 1 】 张琨 ， 毕靖 ， 等． MA T L AB 7 ． 6从入 门到精 通【 M] ． 北 京 电子 工 业出版社 ． 2 0 0 9 ． f 2 ] 芮丰 ， 王金利 ， 等． 液压支 架试 验台升降装置 中四缸 同步 系统 的研究『 J ] ． 液压 与气动 ， 2 0 0 8 ， 1 2 4 - 6 ． [ 3 ] 傅 晓云． 双缸 同步回路仿真分析与实验研究[ J ] ． 液压气 动与密 封 ， 2 0 1 2 ， 8 4 3 - 4 5 ． [ 4 ] 韩靖宇 ． ／ J 、 负载双缸液压 同步 系统 的设计与实现[ J ] ． 液压气动 与密封 ， 2 0 1 1 ， 9 2 8 3 0 ． [ 5 】 韩虎， 等． 基于 M A T L A B液压系统的仿真技术研究与应用[ J 】 ． 液压气 动与密封 ，2 0 0 7 ， 3 4 5 ． 6 9