基于高速电磁开关阀的多液压缸位置协调控制系统.pdf

2 0 1 0年 7月 第3 8卷 第 l 3期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J u 1 ．2 01 0 Vo l | 3 8 No ． 1 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 3 ． 0 2 3 基于高速电磁开关阀的多液压缸位置协调控制系统 泮健 ，施 光林 ，杨鹏 上海交通 大学机械与动力工程学院 ，上海 2 0 0 2 4 0 摘要 介绍一种基 于高速 电磁 开关驱 动的新型多液压缸系统 ，用于模拟 曲轴 连杆式低 速大扭矩 液压马达 多个柱塞腔 的 动作过程；同时，也可以利用该系统开展多液压缸位置同步或者力同步加载的研究。分析了系统的组成结构与特点，包括 以高速电磁开关阀作为控制元件的液压系统，以及以研华 P C I 1 7 1 1多功能数据采集与控制卡为核心的计算机控制系统；阐 述了多液压缸位置协调控制的实现算法；给出了以不同幅值和频率的正弦信号作为指令的多液压缸位置协调跟踪结果。实 验结果表明，所设计的控制算法是有效的，同时该系统能很好地模拟曲轴连杆式低速大扭矩液压马达多个柱塞腔的动作机 理 。 关键词高速电磁开关阀；多液压缸系统；位置协调控制 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 3 0 7 7 3 Co o r d i na t e d Co n t r o l o f Cy l i nd e r s Ba s e d o n Hi g h S pe e d On ／ o ff Va l v e s P A N J i a n．S HI Gu a n g l i n．Y AN G P e n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A n e w t y p e o f c y l i n d e r s c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n h i g h s p e e d o n ／ o ff v a l v e s H S Vw a s i n t r o d u c e d ．I t c a n b e u s e d t o s i mu l a t e t h e a c t i o n p r o c e s s o f l o w s p e e d h i g h t o r q u e h y d r a u l i c mo t o r a n d c a r r y o u t t h e c o o r d i n a t e d p o s i t i o n o r f o r c e c o n t r o l r e s e a r c h e s ． T h e s t r u c t u r e a n d c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e s y s t e m wa s a n a l y z e d，i n c l u d i n g t h e h y d r a u l i c s u b s y s t e m a n d t h e c o mp u t e r c o n t r o l s y s t e m． T h e c o nt r o l a l g orit hm Was de s c ribe d． The e x pe rime n t a l r e s ul t s f o r t r a c k i ng s i g mo i d s i g na l s wi t h di f f e r e n t a mp l i t u d e a nd f r e q u e nc y we r e d e mo n s t r a t e d t o s h o w t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e c o n t r o l alg o ri t h m． I t i s a l s o s h o wn t h a t t h i s s y s t e m c a n w e l l s i mu l a t e t h e a c t i o n me c h a n i s m o f l o w s p e e d h i g h t o r q u e h y d r a u l i c mo t o r ． Ke y wo r d s Hi g h s p e e d o n／ o ff v a l v e ； C y l i n d e r s s y s t e m ；Co o r d i n a t e d p o s i t i o n c o n t r o l O 引言 高速电磁 开关 阀作为一 种数 字控制元 件 ，在计算 机控制系统中得到了越来越 广泛的应用。其 中 ，有许 多学者研究了使用高速电磁 开关 阀取代伺 服阀或者 比 例阀来控制液压缸的系统 ～ 。高速电磁开关阀的 P WM控制系统一般有 4种回路型式 ，即半桥控制回 路、全桥控制回路 、增大流量比例控制回路和流量方 向控制回路 。半桥控制回路中以液压缸的单个腔作 为控制腔，根据选用的高速电磁开关阀不同可以分为 两位两通式半桥回路和两位三通式半桥回路；全桥回 路使用液压缸的两个腔，也有类似的分类。例如，贺 娟 以两个两 位 三通 的高 速 电磁开 关 阀组 成全 桥 回 路来构成液压缸位置控制系统 ， 建立 了该 系统 的数学 模型 ，并设计了相应的控制器 。高建 臣 研究 了 以 4 个两位两通高速电磁开关阀构成的全桥回路，设计了 模糊控制器。作者以液压缸的单个腔为控制腔，使用 5 个两位三通 的高速 电磁开关 阀和 5个普通 阀来构 成 5 个半桥控制 回路 。该系统可 以很 好地模 拟拥有 5个 柱塞腔的曲轴连杆式低速大扭矩马达的运动过程。通 过控制 5个液压缸的位置来研究马达 5 个 柱塞腔 的位 置关系 ，为后续马达的研究奠定基础 。同时 ，该平 台 上还可 以开展多缸 同步位置或者力加载研究 。 1 系统组成结构与特点 1 ． 1 液 压 系统 为 了尽量模拟径 向柱塞式低速大扭矩马达 的动作 机理，多缸系统采用了一个高速电磁开关阀和一个普 通开关 阀来控制液压缸 的无杆腔 。系统 的原理 图如 图 1 所示 。活塞杆上 连接一个 回复弹簧来 产生使液 压缸 反向运动的作用力 ，同时起到模拟液压马达负载的目 的。此外，活塞杆与台架之间安装有力传感器，液压 缸缸体与活塞杆之间装有位移传感器。这样 ，可以完 成多缸位置协调控制或者多缸力协调加载。为了保证 5 缸 在不 同负载条 件下液压 回路互 不干扰 ，在 每个高 速 电磁开关 阀的进油 口配置 了相应 的减压 阀。系统 的 工作过程如下 当高速 电磁开关 阀得 电 ，普通开关 阀 失 电时 ，高压油经过高速 电磁 开关 阀进入液压缸 的无 收稿 日期 2 0 1 0 42 2 基金项 目国家 自然科学基 金资助项 目 5 0 7 7 5 1 3 7 作者简介 泮健 ，男 ，上海交通大学机械与动力工程学 院在读博士研究生 ，主要研究方向 数字配流 与调速式低速大扭矩液 压马达的机理 与特性 ，以及多液压缸位置协 调控制 系统 。电话 1 3 7 6 4 6 8 6 0 4 0 ，E ma i l p a n j i a n s j t u ． e d u ． c n 。 7 8 机床与液压 第 3 8卷 杆腔；反之，油液经过高速电磁开关阀和普通开关 阀回油箱。普通开关阀的存在保证了两位三通的高速 电磁开关阀可以工作在 P WM状态 。 图 1 多缸系统原理图 1 ． 2控 制 系统 多缸协调控制 系统的核心是 一台工控机 ，配有研 华 P C I 1 7 1 l 多功能数据采集卡。控制系统的框图如图 2所示 。图 2中 ，控制系统的指令信 号由计算机 内部 给定，每个液压缸的活塞杆位移有相应传感器反馈给 多功能卡 ，进而通 过 P C I 总 线到 达 C P U；从 C P U发 出的控制指令同样通过 P C I 总线 与 P C I 1 7 1 1的数字量 输 出通道进行通信 ，从而完成对 开关 阀的控制 。 指 令 位 移厂 量 望 1 实 际 位移 1 图2 控制系统框图 时间／ s 图4 频率 0 ． 1 H z 、振幅 1 0 m m、 偏置 4 0 n l m的跟踪信号 2 5 2 l 5 1 ；0 ．5 。 0 5 1 一l 5 2 2． 5 时 间／ s 图7 频率 0 ． 2 H z 、振幅1 0 m m、 偏置 4 0 mm的跟踪误差 2 控制算法及实现 见如图2 ，工控机实现了数字控制器的作用。控 制器对指令位移和实际位移作差后，根据偏差的大小 决定开关 阀控制信号的 占空比 ；同时 ，根据偏差 的极 性决定起作用的开关 阀。当偏差信号为正时 ，表 明实 际位移未 到达指令位移处 ，应让高速电磁 开关 阀得 电 使活塞杆继续前进；当偏差信号为负时，实际位移超 过指令位移，应让高速电磁开关阀关闭，普通开关阀 打开从而使活塞杆在弹簧力的作用下退回。由于两个 开关阀控制 同一个腔 ，所 以不允许 出现两个阀同时得 电的情形，可以直接对一路信号取反后偏移来实现。 或者，采用一种根据输入信号来判定输出的多路开 关。这两种方式在编程上都 比较容易实现。另外 ，由 于开关器件动作太过频繁容易引起系统不平稳 ，在控 制上还需加入死区。当偏差信号进入死区时，同时关 闭两个 阀。 3 试验结果 图3 多缸协调控制系统实物照片 时间／ s 图5 频率 0 ． 1 H z 、振幅 1 0 m m、 偏置 4 0 m m的跟踪误差 时 间／ s 图8 频率 0 ． 2 5 H z 、振幅2 0 m m、 偏置 4 5 m m的跟踪信号 5 5 5 0 i 4 5 彗 o 35 30 0 0． 5 l 1 ． 5 2 2． 5 3 3 ． 5 4 4． 5 5 时 间／ s 图6 频率0 ． 2 H z 、振幅 1 0 mm、 偏置4 0 m m的跟踪信号 时 间／ s 图9 频率 0 ． 2 5 H z 、振幅2 0 m m， 偏置 4 5 m m的跟踪误差 5 5 4 4 3 3 2 目 叩／ 毯 第 7期 泮健 等基于高速电磁开关阀的多液压缸位置协调控制系统 7 9 多缸协调控制 系统实物如 图 3所示 。以不 同频率 与振幅的正弦信号为指令信号 ，并在不同的占空比下 得跟踪曲线以及 跟踪误 差曲线如图 4 9所示 。 其中，指令信号表达式为 t A s i n 2 B 1 其中 A， ， ，日分别表示信号幅度 、频率 以及偏 置 量。 是信号的初始相位，按照径向柱塞式低速大扭 矩马达的结构。 。 ，有 2 fl i 2 如果 柱塞数 为 5 ，那么 卢 - i | ，得 到五缸 的指 令 位移信号为 f 0 t A s i n 2 3 ， ，一 t A s i n 2 4 t A s i n 2 rf t 5 t A s i n 2 “r rf t 6 ￡ A s i n 2 f t 7 由图 4 、5可知 ，当 A1 0 m m， f 0 ． 1 H z ，B 4 0 m m时 ，5缸系统的实际位移 曲线很好 地跟踪 了指 令信号，跟踪误差在 1 ． 5 ％以内。同时，采用开关 控制元件带来的不平稳性也在误差曲线中得到体现。 由图6和7可以看出，随着指令信号频率的增加，误 差 曲线 的不平稳性得到 了改善 ，但是误差 的范 围扩 大 了，误差仍然呈现对称性。进一步增大指令信号和幅 度 的大小后 ，由图 9可知 ，跟踪误差明显增大 ，并且 出现不对称性 ，表明指令信号在大多数时间里都领先 于实际位移 。 4结论 介绍 了一种基 于高速 电磁 开关 阀的多缸 系统 ，该 系统共有 5套相同的子系统组成 ，每个子系统由两个 开关 阀来 控制液 压缸 的一个 腔。在分 析液压 系统与控 制系统结 构特点 的基础 上 ，给出了其 控制算 法。通 过 试验 ，验证 了该 多缸协 调系统 可以在 低频下可以很 好 地模拟 曲轴连杆式低速大扭矩马达柱塞腔间的位置关 系 。 参考文献 【 1 】G E N T I L E A ， G I A N N O C C A R O N I ， R E I N A G ． E x p e r i m e n t a l t e s t s o n p o s i t i o n c o nt r o l o f a pn e uma t i c ac t u a t o r us i ng o n ／ o ff s o l e n o i d v a l v e s[ J ] ．I E E E 1 C I T 0 2 ， B a n g k o k ， THAI LAND， 20 0 2 55 55 6 0． 【 2 】 T A G H I Z A D E H M， G H A F F A R I A ， N A J A F I F ． M o d e l i n g a n d i d e n t i fi c a t i o n o f a s o l e n o i d v a l v e f o r P W M c o n t r o l a p p l i c a t i o n s [ J ] ． C ． R ． M e e a n i q u e 2 0 0 9 ， 3 3 7 1 3 11 4 0 ． 【 3 】 刘忠， 杨襄璧 ， 赵宏强 ， 等． 基于高速开关阀的液压控制 系统及其控制方式的应用研究 [ J ] ．凿岩机械气动工 具 ， 1 9 9 8 4 3 7 4 1 ． 【 4 】贺娟， 袁颂岳． 高速开关阀控液压缸位置控制系统的 H 控制[ J ] ． 控制工程， 2 0 0 8 1 5 7 9 8 2 ． 【 5 】 高建臣， 梁昭峰， 吴平东． 高速开关式位置伺服系统的模 糊控制器的研究 [ J ] ． 机械工程学报， 1 9 9 7 3 3 6 0 6 5． 【 6 】陈桌如． 低速大扭矩液夺马达理论 、 计算与设计 [ J ] ． 北 京 机械工业 出版 ，1 9 8 9 ． 上接第 6 2页 【 1 5 】 G r a n v i l l e P S ． A m o d i fi e d v a n d r i e s t f o r m u l a f o r t h e m i x i n g l e n g t h o f t u r b u l e n t b o u n d a r y l a y e r s i n p r e s s u r e g r a d i e n t [ J ] ． A S ME J ． F l u i d s E n g ， 1 9 8 9 ， 1 1 1 9 4 9 7 ． 【 1 6 】L u c a s V ， D a n a i l a S ， B o n n e a u O， e t a 1 ． R o u g h n e s s i n fl u e n c e o n t u r b u l e n t fl o w t h r o u g h a n n u l a r s e a l s 『 J 1 ． A S M E J ． T r i b o l ， 1 9 9 4， 1 6 3 2 13 2 9 ． 【 1 7 】E 1 T e l b a n y M M M， R e y n o l d s A J ． T h e s t r u c t u r e o f t u r bo l e n t p l a n e c o u e t t e fl o w[ J ] ． A S ME J F l u i d s E n g ， 1 9 8 2 ； 1 04 3 6 7 3 72． 【 1 8 】G r a n v i l l e P S ． A n e a r w a l l e d d y v i s c o s i t y f o r m u l a f o r ta r b u l e n t b o un da r y l a y e r s i n pr e s s ur e g r a di e n t s s u i t a b l e for m o me n t u m， h e a t ， o r m a s s t r a n s f e r [ J ] ． A S ME J ． F l u i d s Eng， 1 9 90， 1 1 2 24 02 43． 【 1 9 】 H o M K ， V o h r J H ． A p p l i c a t i o n o f t h e e n e r g y m o d e l o f t u r b u l e n c e t o c a l c u l a t i o n o f l u b ri c a n t fl o w『 J 1 ． T r a n s ． AS ME J ． L u b r ． T e c h n o l ， 1 9 7 4， 9 6 9 51 0 2 ． 【 2 0 】 K u C P ， T i c h y J A ． A p p l i c a t i o n o f t h e 一 s t u r b u l e n c e m o d e l t o s q u e e z e fi l m d a mp e r s [ J ] ． T r a n s A S ME J ． T r i b o l ， 1 9 8 7， 1 0 9 1 641 6 8． 【 2 1 】 J o n e s W P ， L a u n d e r B E ． T h e c a l c u l a t i o n o f l o w R e y n o l d s n u mb e r p h e n o me n a wi t h a t w o - e q u a t i o n mo d e l o f t u r b u - l e n c e ， i n t e r n[ J ] ． I n t J He a t T r a n s f e r 1 9 7 3 ， 1 6 1 1 1 9一 l1 3 0． 【 2 2 】K a s s a b S a d e k Z ． E m p i r i c a l c o r r e l a t i o n s f o r t h e p r e s s u r e d e p r e s s i o n i n e x t e rna l l y p r e s s u ri z e d g a s b e a ri n g s [ J ] ． ．r r i b o l o gy I n t e r n a t i o n al， 1 9 9 7 ， 3 0 1 5 9 6 7 ． 【 2 3 】 孙昂， 马文琦， 王祖温． 平面静压气浮轴承超音速流场 的研究 [ J ] ． 哈尔滨 工业大学 学报 ， 2 0 0 9， 4 1 1 1 3 0 1 3 4． 【 2 4 】E l e s h a k y M o h a m e d E ． C F D i n v e s t i g a t i o n o f p r e s s u r e d e p r e s s i o n s i n a e r o s t a t i c c i r c u l a r t h r u s t b e a ti n g s [ J ] ． T r i bol o gy I n t e rna t i o n a l ， 2 0 0 9， 42 1 1 0811 1 7． 【 2 5 】 G u o Z e n g l i n ， H i r a n o T o s h i o ， K i r k R G o r d o n ． A p p l i c a t i o n o f CF D a n a l y s i s f o r r o t a t i n g ma c h i n e r y P a r t I h y d r o d y n a mi c ． h y d r o s t a t i c b e a ri n g s a n d s q u e e z e fi l m d a m p e r [ J ] ． J o u r n al o f En g i n e e rin g f o r Ga s Tu r b i n e s a n d P o w e r ， 2 0 0 5，1 2 7 4 4 4 5 4 5 1 ． 【 2 6 】H i r a n o T， G u o Z L ， K i r k R G ． A p p l i c a t i o n o f c o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s a n a l y s i s f o r r o t a t i n g ma c h i n e r y P a r t I I L a b y ri n t h s e a l a n a l y s i s [ J ] ． J o u rnal o f E n g i n e e ri n g fo r G a s T u r b i n e s a n d P o w e r ， 2 0 0 5 ， 1 2 7 4 8 2 0 8 2 6 ．