瞬变载荷下巨型水压机液压操作控制策略.pdf

第 4 4 卷 第1 1 期 机 械 工 程 学 报 V o 1 ．4 4 N o ． 1 1 2 0 0 8年 1 1月 CHI NESE J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGIN EERI NG No v ． 2 0 0 8 DoI l O ． 3 9 0 1 ／ J M E． 2 0 0 8 ． 1 1 ． 2 7 2 瞬变载荷下巨型水压机液压操作控制策略水 谭建平 黄长征 2 刘 彬 周俊峰 1 ．中南大学机电工程学院长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 韶关学院机电系韶关5 1 2 0 0 5 摘要通过对巨型水压机液压操作控制系统的负载分析得知，其负载即分配阀心开启力在控制过程中出现瞬变，且变化幅度 很大，影响控制系统的鲁棒性和控制精度。针对该载荷特点， 提出 P I D． H 串级闭环控制策略，将液压操作控制系统的瞬变载 荷当成控制系统的干扰信号，设计控制器，建立数学模型。将该控制策略应用于 3 0 0 MN模锻水压机液压操作控制系统，对 单一 P I D控制和 P I D-- 复合控制进行仿真比较。仿真结果和工业应用表明，采用 P I D． 串级闭环控制较单一 P I D控制能 更好地抑制瞬变载荷的干扰作用，提高系统的鲁棒性和控制精度。 关键词水压机操作系统H 控制P I D控制鲁棒控制 中图分类号T P 2 7 1 Co n t r o l S t r a t e g y o f Hy dr a ul i c Op e r a t i o n Co n t r o l S y s t e m u nd e r t h e Tr a n s i e nt Lo a d i n Gi a n t Hy d r a u l i c Pr e s s T AN J i a n p i ng HUANG Cha n g z h e ng LI U Bi n ZHOU J u n f e n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l and E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ； 2 ． D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l ， S h a o g u a n U n i v e r s i ty , S h a o g u a n 5 1 2 0 0 5 Ab s t r a c t T h e l o a d o f h y d r a u l i c o p e r a t i o n c o n t r o l s y s t e m i n g i a n t h y dra u l i c p r e s s i s a n a l y z e d ． T h e c o n c l u s i o n i s t h a t t h e l o a d i s t h e t r a n s i e n t c h a n g e o f t h e o p e n i n g f o r c e o f d i s t r i b u t i o n v a l v e s p o o l o c c u r r i n g i n t h e c o n tro l p r o c e s s ，a n d t h e c h a n g e r a n g e i s g r e a t ， t h e r e b y a ff e c t i n g t h e r o b u s t n e s s and c o n t r o l a c c u r a c y o f t h e c o n tro l s y s t e m．Ba s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e l o a d ，a P I D一 c l o s e d l o o p c a s c a d e c o n t r o l s tra t e g y i s p u t f o r wa r d ． Th e tra n s i e n t l o a d i s r e g a r d e d a s d i s t u r b i n g s i g n a l o f t h e c o n t r o l s y s t e m． T h e c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d a n d t h e ma t h e ma t i c mo d e l i s e s t a b l i s h e d ． Th e c o n tr o l s tr a t e g y i s a p p l i e d i n 3 0 0 MN d i e f o r g i n g h y dra u l i c p r e s s ． S i mu l a t i o n a n d c o mp a r i s o n o f s i n g l e P I D c o n tro l a n d P I D H c o mp o u n d c o n t r o l are c a r r i e d o u t ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s and p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s s h o w t h a t t h e P I D- H c l o s e d l o o p c a s c a d e c o n tro l i s b e Re r t h a n t h e s i n g l e P I D c o n tro l i n s u p p r e s s i n g t h e d i s t u r b an c e e ffe c t o f t r a n s i e n t l o a d a n d i n i mp r o v i n g t h e r o b u s t n e s s a n d c o n tr o l a c c u r a c y o f t h e s y s t e m． Ke y wo r d s Hy dra u l i c p r e s s Op e r a t i o n s y s t e m H c o n tro l P I D c o n t r o l Ro b u s t c o n tro l 0 前言 巨型水压机水路分配系统一般采用平衡式带 卸压阀的分配阀。由液压操作控制系统控制阀心开 启度，以实现水压机速度和位移控制。液压操作系 统大多采用电液伺服控制，阀心开启有凸轮顶杆式 和翻板式两种控制方式。黄长征等 l对 3 0 0 MN模 国防科工委 资助项 目 科工计字 2 0 0 0 5 8 9 。2 0 0 7 1 1 2 5收到初稿 2 0 0 8 0 7 1 2 收到修改稿 锻水压机操纵系统进行改造 ，液压操作系统采用 P I D 控制；郭玉玺 2 j 采用位置闭环的电～液伺服 系统控制主阀分配器， 由 P L C数字编码系统对活动 横梁位置闭环控制；两个控制系统响应速度都快。 但 由于控制系统存在瞬时突变载荷，且变化幅度很 大，若采用单一 P I D控制方式，在外负载加载瞬间 控制系统的跟随效果不是很好， 控制精度明显下降， 稳定性、可控性降低I3 】 。为提高系统的鲁棒性和控 制精度，将实际受控对象与数学模型的不～致看成 数学模型的干扰，设计鲁棒控制系统，能达到 良好 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年 l 1 月 谭建平等瞬变载荷下巨型水压机液压操作控制策略 的控制效果。 H 。。 控制的鲁棒性好，结构简单，容易 实现 】 。因此，本文将介绍 3 0 0 MN液压操作系统 的构成，并研究其负载特征和相应的控制策略。 1 液压操作控制系统构成 巨型水压机控制系统，由操纵指令系统向电气 控制系统发出指令，通过液压操作系统控制机械驱 动系统，从而对水压机水路分配系统流向和流量进 行控制，最终实现水压机的精确控制 。分配器 阀心 开启采用 “ 液压缸齿轮齿条凸轮装置转角位 移检测装置”驱动形式，如图 1 所示。通过液压缸 驱动齿轮齿条装置， 带动凸轮转动 ， 推动阀杆升降， 从而调节阀心位置，控制阀心的开启度，控制工作 液体流量和流向，最终控制水压机柱塞运动方 向和 速度。其控制原理如图 2所示，流量控制 由比例流 量阀来实现。 输入是手柄转角， 输出是凸轮轴转角。 水压机各柱塞 的运动控制是通过控制分配器的凸轮 轴转角来实现 J 。 分配器阀体 I 阀秆 I f I f X一 ＼ l l 嗍 ．--4 l - ，r，、 - 0 广 一 ／ ＼ 图 1 分配器阀心开启驱动示意图 凸轮 顶杆 式阀 心开 启系 统 图2 液压操作控制系统原理图 2 液压操作系统负载特点 巨型水压机一般为泵一蓄势器传动方式。液压 操作控制系统的控制性能除与本身的机械、电气和 液压系统等特性相关外， 还与其负载特性密切相关。 其负载主要是来 自分配阀心的开启力 。分配 阀心属 于提阀，由卸压阀和主阀组成，其开启力有卸压 阀 开启力和主阀开启力两种 。卸压阀开启力为 F m 1 式中 F ，卸压阀关闭时上下腔中液压差造成的 不平衡力 阀上弹簧初压力 阀上密封处的摩擦力 若忽略开启 阀门的惯性力 、液动力和 阀心 自 重 ，则主 阀的开启力为 1 0 p b F m一1 0 p 1 0 p c 2 式 中 r主阀上腔卸压后的液体压力和液 体作用的断面积 P 。 A 。 主阀下腔的液体压力和液体作用 的断面积 p 泵站高压液体的压力 浮力环带面积 由式 1 和式 2 可知主 阀开启力比卸压阀开启 力大得多。又因为阀心开启过程为先打开卸压阀 卸压，后打开主阀；主阀打开后，继续开启，阀心 开启度不断增大。则阀心开启力的变化过程为开 启卸压阀时的力较小，之后开启主阀时的开启力突 然增大很多倍，主阀开启之后控制阀心的开启力迅 速减小很多 此时开启力主要来 自于被压缩弹簧的 反作用力 。 单个阀心开启力与凸轮升程示意关系如 图3 所示。一般来说，分配器一根凸轮轴驱动多个 阀心。所以，液压操作控制系统主分配器开启多个 阀心时开启力与凸轮轴转角如图4 所示。从图4 看 出，液压操作控制系统的载荷特点是存在瞬变载 荷，且变化幅度很大。 R 凸轮升程 d 图 3 单阀心开启力一凸轮升程示意图 凸轮轴转角0 图4 多阀心开启力一凸轮轴转角示意图 3 瞬变载荷下液压控制策略 由巨型水压机液压操作控制系统载荷特点可 知， 如果采用单一的P I D控制， 系统的鲁棒性较差、 容易失稳，控制效果不理想，控制精度受到影响。 干扰抑制问题 H 控制理论是鲁棒控制系统的一类 较为完善的设计方法，适合于处理存在数据摄动和 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 4 机械工程学报 第 4 4卷第 l 1 期 外界扰动系统的鲁棒控制问题。同时因为P I D控制 算法简单、 静态性能良好、 可靠性高、 控制精度高， 所 以，将液压操作控制系统的瞬变载荷当成控制系 统的干扰信号 这种信号可预知 ，采用 P I D控制与 干扰抑制问题 H 控制相结合的P I D ． H 复合控制， 充分发挥二者的控制优势，以提高水压机控制系统 的控制精度、鲁棒性和响应速度。 3 ． 1 控制系统数学模型 巨型水压机液压操作控制 系统属 电液位置控 制系统。电液位置控制系统为3阶系统，则液压操 作系统的固有部分的线性状态方程为 f J 一K s 一 鱼 l 3 1 川 j 【岛 等 甜 一 鲁矿 c 式中 1 2 X 3 p L T Y输出位移 P L 负载压差，p L 1 2 P 液压缸左腔压力 P 2 液压缸右腔压力 m运动部件总质量 p 。 液压源压力 负载 的弹性刚度 _ ， 最大值 粘性摩擦因数 F外界负载干扰 A接力器活塞等效面积 油液等效体积模量 液压缸容积 液压缸内泄漏系数 流量压力系数 流量系数 U系统输入 “ 系统输入的最大值 3 ． 2 干扰抑制问题 控制器设计 干扰抑制问题 H 最优控制 的基本思想是 利用 研究对象的数学模型 G 设计控制器时，因模型和 干扰信号的不确定性，导致数学模型存在误差。为 使系统渐近稳定，消除干扰信号的影响，利用增广 对象模型来设计控制器 ，使得 在稳定被控对象 的同时， 使干扰信号 到观测输出z函数矩阵 的 H 范数最小 坚 Y o H 标准问题框图如图 5所示， 为外部输入信 号， z为辅助评价信号， U为控制信号， Y为量测输 出信号， G 为增广被控对象， 为控制器。 对于 干扰抑制设计动态反馈控制器 满足 以下设计 目标。 1 闭环系统渐近稳定。 2 当初始状态 0 O时，对任意给定的 T O Q xM T t R u t d t ’ I ， w t d t 4 式中 Q， 半正定加权矩阵，用来调节干扰抑 制效果与控制输入信 号过大 的 矛盾 3 一给定的正常数 睇 图5 H 标准问题框图 对所有满足 f w t d t o 。 的干扰信号 D 成立。 式 4 中J的第 1 项强调提高控制精度， 第 2 项 强调降低控制能量；显然 ，， 越小，则意味着由干扰 信号引 起的 误差 越小， 式 4 等价 于ll ， 为 的次优指标，因 H 。 。 最优控制 问题难于求解， 一 般只求其次优解 。将式 3 写成标准 H。 。 控制问题 状态空间形式 f “ 5 【 f C 2 x t D 2 1 w f 一 式 中 0 0 T DE 1 0 一 0 y 4 Kc 0 A p 彬 0 定义性能评价信号 Z t x t 2 u t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8 年 l 1 月 谭建平等瞬变载荷下巨型水压机液压操作控制策略 2 7 5 G 1 B 0 口 将式 5 、 6 写成传函矩阵形式，即为 ㈢ ， 上式就是标准 H 。 。控制问题，求解即可得控制器 K K一 P 7 式中 P为式 8 代数 R i c c a fi方程的正定解 P AA Pe r 一 P 0 8 4 P I D． H ∞ 复合控制策略的工程应用 将P I D ． H 。。 复合控制策略应用于3 0 0 MN模锻水 压机液压操作控制系统。根 水压机主分配器接力 器和液压油的基本参数，求得液压操作控制系统各 参数如下表所示。 表液压操作控制系统参数表 参数 数值 活塞质量 m ／ k g 液压源压力p J MP a 负载弹性刚度 N m 活塞等效面积 ／ m 粘性摩擦因数 ／ f N S i n 外加负载 N 位移最大值 ／ m 油液等效体积模量K ／ G P a 液压缸体积 mj 流量系数 m S 液压缸泄漏系数2 , ／ m5 S 一 N 1 流量压力系数 K ff N s 将模锻水压机具体参数代入式 5 和式 6 ， 得到 、 l 、曰 2 。在系统最优控制时，为方便处理，常 取 Q、 为对角矩阵。Q 、 取值与系统的精度及 控制能量有关，Q中各元素与系统响应速度有关。 一 般来说， 要强调控制精度， Q取大值， 取小值； 如果精度要求不高，强调降低控制能量， 应取大 值 。令 q l 0 0 ] 、 Q l 0 q 2 0 I 0 0 q 3 j 式中q l 、q 2 、q 3 的组合影响控制系统的频宽，频宽 与响应速度有关， 频宽越宽， 系统的响应速度越快， 但频带过宽，可能使电噪声及高频干扰信号传给系 统， 对系统工作不利 。 因此应确定频宽的最佳范围， 在此范围内，以频宽为目标函数，对 g l 、口 2 、g 3 进 行优化 ，根据优化结果及定性分析，g 2 、g 3 应取小， 或者为零，取 l 9 ，q 2 0 ． 0 0 3 ，q 3 -- 0 ． 0 0 0 2 ， 为单 位矩阵。根据选定参数，得 c 1 、 D 12 、√ 5 ， 则 控制器参数为 一 3 ． 9 3 0 1 3 ． 0 1 5 3 ． 5 3 9 为验证系统的干扰抑制效果，将单一 P I D控制 和 P I D ． H 复合控制进行仿真比较。两者取相同的 P I D控制参数， 在第 5 S 时施加大小为 1 0 k N的瞬变 负载，两种控制策略的系统阶跃响应如图6 所示。 由图 6 可看出，单独采用 P I D控制时，超调量将近 4 0 ％，调节时间长 ，在第 5 S 出现瞬变载荷时，控制 系统扰动大； 采用 P I D H 复合控制时， 超调量很小， 调节时间约 1 ． 5 S ，在第 5 S 时，在短暂的影响后系 统迅速恢复到稳态值。所以相对单一P I D控制系统 而言，采用复合控制时其动静态响应特性好，系统 超调小， 调节时间短， 对干扰的抑制作用非常明显。 1 ． 4 1 ．2 1 ．0 O ．8 銎0 ． 0 ． 4 O_2 O --0 ． 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 时间 f ， s 图6 不同控制策略下单位阶跃响应曲线 观场测得的响应 曲线如图 7所示， 从图 7可知， 系统响应时间为0 ．5 ～1 ．5 S ， 凸轮轴转角控制动精度 为土 1 ． 5 。 。 、 仿真曲线与实际曲线基本吻合。 图 7 主分配器凸轮转角实际响应 枷 。 ㈣ l。 l。 枷 。 ㈣ 一 ～ ～ 一 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 6 机械工程学报 第 4 4卷第 l 1期 5 结论 1 通过对液压操作控制系统负载分析 ，发现 控制系统存在瞬变载荷且变化幅度很大，将影响控 制系统的控制精度和鲁棒性。 f 2 1把瞬 变载荷 当成控制 系统 的干扰 ，采用 P I D H 串级闭环控制 ，仿真和工业应用表明，采用 P I D H 串级闭环控制较单一 P I D控制 ， 能更好地抑 制瞬变载荷的干扰作用 ，系统的鲁棒性和控制精度 得到了提高。 参考文献 [ 1 】黄长征， 谭建平． 3 0 0 MN模锻水压机操作油压系统研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 7 1 2 4 ． 1 2 6 ． HUANG Ch a n g z h e n g ， T AN J i a n p i n g ． Th e o i l s y s t e m o f t h e 3 0 0 MN d i e f o r g i n g wa t e r p r e s s c o n t r o l s y s t e m[ J ] ． Ma c h i n e T o o l H y d r a u l i c s ． 2 0 0 6 7 1 2 4 - 1 2 6 ． 【 2 ]郭玉玺，丁耀林，罗上银．大型热模锻水压机的电液伺 服控制系统[ J 】 ．锻压机械， 2 0 0 2 4 1 3 ． 1 7 ． GUO Y u x i ， DI NG Y u e l in g ， L UO S h a n g y i n ． E l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l s y s t e m f o r l a r g e h y d r a u l i c p r e s s f o r h o t d i e f o r g i n g [ J ] ． Me t a l f o r mi n g Ma c h i n e r y , 2 0 0 2 4 1 3 - 1 7 ． [ 3 】姚静，孔祥东，单东升，等． 5 0 MN 自由锻造水压机电 液伺服控制系统负载特性分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 8 1 0 1 ． 1 0 3 ． YAO J i n g ，KONG Xi a n g d o n g ，S HAN Do n g s h e n g e t a 1 ． T h e e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o c o n tr o l S y s t e m l o a d c h a r a c - t e r i s t i c a n a l y s i s o f 5 0 MN wa t e r p r e s s f o r f r e e f o r g i n g[ J ] ． Ma c h i n e T o o l H y dra u l i c s ． 2 0 0 6 8 1 0 1 - 1 0 3 ． [ 4 】郭书祥，张陵． 基于鲁棒可靠性的不确定时滞系统最优 H 控制器设计[ J ] ． 控制理论与应用， 2 0 0 6 ， 2 3 6 9 8 1 - 9 8 5 GUO S h u x i a n g ，ZHANG L i n g ．Ro b u s t r e l i a b i l i t y - b a s e d o p t i ma l d e s i g n o f r o b u s t H- i n fi n i ty c o n t r o l l e r f o r t i me d e l a y s y s t e ms wi t h p a r a me t r i c u n c e r t a i n ty【 J J ． C o n tr o l T h e o ry A p p l i c a t i o n s ， 2 0 0 6 ， 2 3 6 9 8 1 9 8 5 ． [ 5 】AD AM G K．De s i g n a n d c o n t r o l o f a me c h a t r o n i c h y dra u l i c p r e s s s y s t e m[ J ] ． I E E E C a t ． No ． 0 4 E X8 9 9 ， 2 0 0 4 3 l 1 31 5 ． 【 6 ]谭建平，周俊峰，黄长征． 3 0 0 MN模锻水压机操作系统 改造方案研究[ J 】 ．机械科学与技术 ，2 0 0 6 ，1 4 2 1 2 1 4 0 8 ． 1 4 1 0 ． T AN J i a n p i n g ，Z HOU J u n f e n g ，HUANG Ch a n g z h e n g ． Re s e a r c h o n t h e r e f o r m p r o g r a m o f a 3 0 0 MN d i e f o r g i n g h y dra u l i c p r e s s c o n t r o l s y s t e m[ J ] ． Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , 2 0 0 6 ， 1 4 2 1 2 1 4 0 8 - I 4 1 0 ． 作者简介谭建平 ，男，1 9 6 3年出生，教授，博士研究生导师。主要研 究方向为机电液集成控制理论与技术应用 、 有色金属塑性加工润滑机理 及润滑剂化学。国家重点学科学术带头人，享受政府特殊津贴。发表论 文 1 0 0余篇，培养硕士、博士生 3 O余人；获国家科技进步二等奖 1 次， 教育部十大科技进展 1 次，省部级科技进步一等奖 2次、二等奖 3次。 E ma i l j p t a n 1 6 3 ．t o m 黄长征，男，1 9 7 0年出生，博士，副教授 。主要研究方向为机电液集成 控制理论与技术应用。 E ma i l h c z c h n 1 6 3 ． c o m 刘彬，男，1 9 8 4年 出生。主要研究方 向为机电液集成控制理论与技术 应用。 周俊峰，男，1 9 7 6年出生，博士，讲师。主要研究方向为机电液集成控 制理论与技术应用。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m