高速电磁开关阀控制轴向柱塞泵的仿真研究.pdf

2 0 1 2年 1 2月 第 4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS De c ． 2 0l 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 3 ． 0 0 7 高速电磁开关阀控制轴向柱塞泵的仿真研究 苏明 ’ 1 ．贵州 I 师范大学机械与电气工程学院，贵州贵阳5 5 0 0 1 4 ； 2 ．贵州师范大学机械与控制仿真实验室，贵州贵阳 5 5 0 0 1 4 摘要以高速电磁开关阀为控制元件，对轴向柱塞泵的数字控制进行研究。在实现轴向柱塞泵斜盘角位移控制的基础 上，提出以轴向柱塞泵斜盘角位移控制为内环控制，流量、压力或者功率控制为外环控制的双闭环控制策略；在控制方法 上，内环采用积分分离 P I D控制，外环采用两级模糊增量控制的控制方案。采用 A ME S i m与 MA T L A B ／ S i m u l i n k的联合仿 真，验证了所提出的控制策略和采用的控制方法的有效性，实现了轴向柱塞变量泵流量、压力和功率控制的快速性和稳定 性 。 关键词高速电磁开关阀；轴向柱塞泵；数字控制；模糊增量控制；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 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 3 0 2 5 4 S i mu l a t i o n Re s e a r c h o n Co n t r o l o f t h e Ax i a l P i s t o n P u mp t h Hi g h S p e e d ． on． o ff So l e no i d Va l v e S U Mi n g l I 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t ri c al E n g i n e e ri n g ，G u i z h o u N o r m al U n i v e r s i t y ，G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 1 4 ，C h i n a ； 2 ． S i mu l a t i o n L a b o r a t o r y o f Me c h a n i c a l C o n t r o l En g i n e e ri n g ，Gu i z h o u No r ma l U n i v e r s i t y， G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 1 4 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d O n a n g u l a r d i s p l a c e me n t c o n t r o l ，a d u al l o o p c o n t r o l s t r a t e g y f o r t h e a x i a l p i s t o n p u mp w i t h h i g h s p e e d o n - o ff s o l e n o i d v alv e wa s p u t for ward， i n wh i c h a n gu l a r d i s p l a c e me n t c o n t r o l wa s a s t h e i n n e r l o o p a n d fl o w， p r e s s u r e o r p o we r c o n t r o l wa s a s t h e o u t e r - l o o p ． I n t e g r al s e p a r a t i o n P I D c o n t r o l a l g o ri t h m w a s u s e d t o c o n t r o l t h e i n n e r l o o p a n d t w o l e v e l f u z z y i n c r e me n t c o n t r o l alg o - r i t h m w a s u s e d t o c o n t r o l t h e o u t e r l o o p ． C o s i mu l a t i o n b a s e d o n AME S i m and MA T L AB ／ S i mu l i n k s h o w s t h a t t h e me t h o d c a n b e u s e d t o r e ali z e s t a b l e a n d r a p i d c o n t r o l o f fl o w， p r e s s u r e o r p o we r o f a x i al p i s t o n p u mp ． Ke y wo r d s H Ji g h s p e e d o n - o ff s o l e n o i d v alv e ；Ax i al p i s t o n p u mp；Di g i t al c o n t r o l ；F u z z y i n c r e me n t c o n t r o l ；S i mu l a t i o n 轴向柱塞泵的数字控制是实现轴向柱塞泵与计算 机控制系统集成的前提。日本川崎公司、德国博世力 士乐公司⋯、美国 WI S C O N M A D I S O N大学机械系统 流体动力实验室 等都研制了基于 P WM控制的脉宽 调制式液压泵。我国也开展了大量的研究，文献[ 3 4 ]采用单片机控制系统 ，步进电机作为执行元 件 ，通过步进电机的旋转，采用螺旋副，把步进电机 的旋转变成直线位移，带动阀芯移动，控制变量活塞 的运动，进而调节柱塞泵斜盘的张角，最后达到改变 柱塞泵排量的目的；文献 [ 5 ]建立了电液比例斜盘 式轴向变量柱塞泵的控制模型，以 M A T L A B ／ S i m u l i n k 为工具 ，对变量柱塞泵的压力控制特性进行了仿真研 究 ；文献 [ 4 ，6 ]研究了高速开关 阀的数字控制变 量泵；文献 [ 7 ]介绍了从国外引进的一种机电液一 体化的液压柱塞泵的结构组成，工作原理和性能特 点；文献 [ 79 ]研究了基于变频调速的变量泵控 制；文献 [ 1 0 ]对 目前轴向柱塞泵数字控制的主要 实现方 式进行 了综述 。 在众多的轴向柱塞泵的数字控制研究中，大都以 增量式数字控制为主，或者是将高速电磁开关阀作为 先导级应用。同时，流体脉宽调制控制系统是一类本 质非线性控制系统，到目前为止 ，液压控制领域对这 类系统还没有成熟的理论 ，是一个值得探索的控制领 域。因此 ，文中的主要 目的是 ，探讨高速电磁开关阀 直接控制轴向柱塞泵的特性及高速电磁开关阀直接控 制轴向柱塞泵的控制策略。 基 于 A ME S i m建立 了轴 向柱塞变量泵和高速 电磁 开关阀的数字模型，进行高速电磁开关阀直接控制轴 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 0 4 基金项目贵州省优秀科技教育人才省长基金资助项目 黔省专合字 [ 2 0 1 1 ]4 5号 ；贵州省 自然科学基金资助项 目 黔 科合 J 字 [ 2 0 1 1 ]2 0 2 9号 ；贵阳市工业振兴科技计划资助项 目 筑科合同 [ 2 0 1 1 1 0 1 ]31 1号 ；贵州师范大 学博士基金资助项目 作者简介 苏明 1 9 6 2 一 ，男 ，博士 ，研究员，主要研究领域为机电传动与控制。E ma i l s u m i n g 6 2 9 1 6 3 ． c o m。 2 6- 机床与液压 第 4 0卷 向柱塞变量泵的数字控制研究 ，采用两级模糊增量控 制方法，A ME S i m与 M A T L A B ／ S i m u l i n k的联合仿真， 对高速电磁开关阀控制轴向柱塞变量泵的角位移控 制 、流量控制 、压力控制 、功率控制等进行了研究 。 1 控制方案 高速电磁开关阀控制轴向柱塞变量泵的数字控制 器、D ／ A、A ／ D由计算机系统实现 ，计算机根据控制 要求发出相应的脉冲信号，经过脉宽调制器和功率放 大 ，将脉冲信号调制和放大后送给高速开关阀，通过 控制高速电磁开关 阀，实现流量、压力和功率的控 制 。 1 ． 1 流 量检 测 问题 流量传感器的动态性能不理想是当今液压界的难 题 ，因此在动态性能要求较高的场合 ，都采用间接方 法来检测动态流量。文中采用角位移传感器间接实现 流量的检测。具体实现方法如下 Q Q 一 Q 其中Q 为泵的实际流量； Q ． 为泵的理论 流量 ； Q 为泵的泄漏流量。 Q 。 w d 2 n DZ t a “ Q l k i p k ． 为泵的泄漏系数 ，由试验测取。 1 ． 2 高速电磁 开关阀的供油方式 高速电磁开关阀的供油方式共有两种采用主泵 供油的内供油方式和采用辅助油泵供油的外供油方 式。外供油方式可采用小流量、低压的辅助油泵为变 量伺服阀供油 ，有更好的节能效果 ，系统油路简单； 控制阀有稳定的外部油源，使得系统流量信号线性、 可重复性 、滞后等静态性能有大幅改善；系统的流量 响应加快 ，抵抗负载干扰的能力强 。其 缺点是 需要 外加的辅助油源 ，使其体积增大。内供油方式没有外 加油源，系统的结构紧凑，但增加了系统油路的复杂 性。其缺点是 因为利用系统本身的压力对斜盘角度 进行控制，这样在泵的输出压力低的情况下，控制阀 不能正常工作 ，操作斜盘的力就会不足，容易造成控 制失灵。文中采用外供油方式进行仿真研究。 1 ． 3 控制策略选择 由于采用了角位移传感器间接实现流量的检测 ， 因此无论是流量控制、压力控制或者是功率控制都将 转化为斜盘的角位移控制。 角位移控制由角位移控制器实现，由角位移传感 器检测角位移量，与给定角位移量进行比较，采用积 分分离的 P I D控制方法 ，实现斜盘的角位移控制。具 体实现如下 1 根据实际情况，设定阀值 占 0 。 2 当I e k l s时，即偏差值 l e k l 比较大 时，采用 P D控制，可避免过大的超调，又使系统有 较快 的响应 。 3 当l e k l ≤s时，也即偏差值 l e k l 比较小 时，采用 P I D控制，保证系统的稳态控制精度。 写成计算公式，可在积分项乘一个系数 卢 ，卢按 下式取值 当I e k I ≤ 时，卢1 ；当l e k I s时，J8 0 写成积分分离形式即为 k “ k K p e k p l∑e K 。 e k 一 e k 一 1 流量控制采取角位移控制为内环控制 、流量控制 为外环控制的双闭环控制策略，流量控制器的输入信 号为给定流量信号、反馈流量信号，输出为角位移控 制信号。其中反馈流量信号为根据当前角位移信号 计算的理论流量减去泄漏流量补偿值。 压力控制采取角位移控制为内环控制、压力控制 为外环控制的双闭环控制策略，压力控制器的输入信 号为给定压力信号、反馈压力信号，输出为角位移控 制信号 。 功率控制采取角位移控制为内环控制、功率控制 为外环控制的双闭环控制策略，功率控制器的输入信 号为给定功率信号、反馈功率信号，输出为角位移控 制信号。其中反馈功率信号为根据当前角位移信号 计算的理论流量减去泄漏流量补偿值得到的流量值乘 以当前压力值。 流量控制、压力控制、功率控制采用两级模糊增 量控制方案 ，控制方案如图1 所示 。 图 1 两级模糊增量控制方案 误差和误差变化率较大时，模糊控制器 1 发挥控 制作用，当误差和误差变化率进入模糊控制器 1的控 制点附近的控制盲区时，模糊控制器 2发挥控制作 用，提高稳态控制精度。 n Ke c1 Ke2n Ko 1 控制转换条件 E 1 a n d EC1 2 流量、压力、功率控制仿真模型 高速电磁开关阀控制轴向柱塞泵的 A M E S i m与 M A T L A B ／ S i m u l i n k的联合仿真模型如图 2 ，模型中加 入了一个 S i m u C o s i n 接口界面模块和一个压力反馈模 第2 3期 苏明高速电磁开关阀控制轴向柱塞泵的仿真研究 2 7 块 ，S i m u C o s i n接 口界面模块设置为交互仿真模式。 系统采用双速采样，反馈采样频率为高速电磁开关阀 工作频率的 l 0倍。反馈环节模型的 目的就是在一个 P WM周期内，对输出信号进行滤波。 图2 高速电磁开关阀控制轴向柱塞泵 A ME S i m与 MA T L A B ／ S i m u l i n k的联合仿真模型 在 MA T L A B中建立的控制模型中，S函数模块表 位移量的正切值 ，计算液压泵流量，G a i n模块为压 示 A ME S i m模型。在 M A T L A B中建立 的流量控制模 力补偿系数。S u b s y s t e m 1 子模块为两级模糊增量控制 型中，s函数模块表示 A M E S i m模型。G a i n 2模块将 器子系统，采用图 1的控制结构。在模糊控制器 中， 角位移量单位由角度转化为弧度，T r i g o n o m e t r i c F u n c 一 采用两输人单输出模糊控制器 ，将轴向柱塞变量泵流 t i o n 模块计算角位移量的正切值 ，G a i n l模块根据角 量 压力 、功率的误差及其变化率作为模糊控制