基于高速开关阀的液压AGC系统的控制算法研究.pdf

年月 第卷 第期 机 床 与 液 压 收 稿 日 期 基 金 项 目山 西 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 山 西 省 回 国 留 学 人 员 科 研 资 助 项 目莆 田 市 工 业 科 技 计 划 项 目 作 者 简 介李 玉 贵男博 士教 授研 究 方 向 为 机 电 液 一 体 化 和 重 型 机 械 结 构 优 化 设 计 基于高速开关阀的液压 系统的控制算法研究 李 玉 贵 张 辽 庞 思 勤 褚 艳 涛 徐 玉 蕊 太 原 重 型 机 械 装 备 协 同 创 新 中 心山 西 太 原 北 京 理 工 大 学 机 械 与 车 辆 学 院北 京 摘 要研 究 高 速 开 关 阀 用 于 液 压 系 统 的 控 制 算 法使 其 代 替 伺 服 阀 实 现 液 压 的 数 字 化 控 制基 于 补 偿 滞 后 时 间 控 制 与 控 制 相 结 合 的 思 想 提 出 三 步 消 零 算 法即 对 于 所 有 的 位 移 调 节 量高 速 开 关 阀 最 多 只 需次 切 换同 时 消 除 其 零 位 死 区实 现 其 对 位 置 的 快 速 精 确 控 制高 速 开 关 阀 的次 切 换 体 现 为种 情 况通 过 建 立 缸 体 压 下 仿 真 模 型并 对种 情 况 的 位 移 响 应 曲 线 和 速 度 响 应 曲 线 进 行 仿 真 分 析理 论 与 仿 真 分 析 表 明当 初 始 调 节 量 大 于 时运 用 该 算 法 能 够 实 现 液 压 系 统 的 数 字 化 控 制缸 体 在 上 抬 和 压 下 时 其 误 差 可 分 别 控 制 在 和 内 关 键 词高 速 开 关 阀液 压 滞 后 时 间 补 偿 控 制 中 图 分 类 号 文 献 标 志 码 文 章 编 号 前 言 目 前 在 液 压 系 统 中主 要 通 过 伺 服 阀 来 实 现 缸 体 位 置 的 精 确 控 制但 伺 服 阀 存 在 抗 污 染 性 能 差价 格 较 昂 贵工 作 稳 定 性 及 重 复 性 差 等 缺 点 不 利 于 系 统 可 靠 性 的 提 高 及 成 本 的 降 低而 高 速 开 关 阀 则 能 够 克 服 上 述 缺 点故 将 高 速 开 关 阀 用 于 液 压 系 统 中 实 现 其 数 字 化 控 制 优 点 显 著该 系 统 可 以 简 称 为 数 字 液 压 系 统同 样 高 速 开 关 阀 也 存 在 一 些 缺 点如 输 出 流 量 小存 在 零 位 死 区 等对 于 小 型 带 材 轧 机 液 压 系 统高 速 开 关 阀 能 够 满 足 其 流 量 的 需 求因 此 研 究 一 种 控 制 算 法 消 除 高 速 开 关 阀 的 零 位 死 区同 时 可 以 实 现 阀 控 缸 的 快 速 动 作对 于 数 字 液 压 系 统 的 研 究 意 义 重 大 目 前 没 有 高 速 开 关 阀 用 于 系 统 的 相 关 研 究 但 国 内 外 学 者 对 高 速 开 关 阀 控 缸 位 置 精 确 控 制 做 了 大 量 的 研 究刘 少 军高 建 臣苏 明 等 先 后 用 线 性 二 次 型 最 优 控 制 原 理模 糊 控 制 算 法遗 传 算 法 等 方 法 对 高 速 开 关 阀 的 位 置 控 制 进 行 优 化然 而 他 们 的 研 究 均 缺 乏 对 高 速 开 关 阀 零 位 死 区 的 影 响 分 析要 提 高 系 统 的 控 制 精 度必 须 消 除 高 速 开 关 阀 的 零 位 死 区 高 钦 和 采 用 相 结 合 的 控 制 算 法 进 行 流 量 调 节以 降 低 频 响 为 代 价有 效 地 降 低 了 液 压 缸 启 动 过 程 中 的 时 间 延 迟 与 位 置 误 差 但 此 方 法 对 于 高 频 响 的 液 压 系 统 不 适 用对 于 消 除 高 速 开 关 阀 零 位 死 区 的 方 法国 外 相 关 学 者 曾 提 出 补 偿 滞 后 时 间 控 制 和 差 动 控 制 法然 而 差 动 控 制 则 仅 用 于 对 称 缸对 于 液 压 系 统 的 液 压 缸 不 适 用故 本 文 作 者 基 于 补 偿 滞 后 时 间 控 制 与 控 制 相 结 合 的 思 想 提 出 用 于 数 字 液 压 系 统 控 制 的 三 步 消 零 算 法以 实 现 缸 体 位 置 的 快 速 精 确 控 制 补 偿 滞 后 时 间 控 制 所 谓 脉 宽 调 制 就 是 在 一 定 的 脉 冲 周 期 内通 过 调 节 开 启 时 间 宽 度 与 的 比 值即 占 空 比 大 小 来 实 现 高 速 开 关 阀 对 平 均 输 出 流 量 的 调 节图所 示 为 一 周 期 内 高 速 开 关 阀 的 动 作 过 程共 分 为 五 个 阶 段电 气 延 迟 阶 段 阀 芯 开 启 阶 段 阀 芯 全 开 阶 段 断 电 延 迟 阶 段 阀 芯 关 闭 阶 段 图高 速 开 关 阀 的 动 作 过 程 由 图可 知当 小 于 时 高 速 开 关 阀 无 法 开 启即 进 入 零 位 死 区此 时 要 实 现 其 开 启 就 必 须 对 其 滞 后 时 间 进 行 补 偿所 谓 补 偿 滞 后 时 间 控 制就 是 通 过 测 定 实 际 阀 的 滞 后 时 间 在 决 定 占 空 比 时 对 滞 后 时 间 加 以 考 虑预 先 给 予 变 调 脉 冲 幅 以 某 种 程 度 的 加 宽从 而 抵 消 滞 后 带 来 的 影 响 实 现 高 速 开 关 阀 对 位 置 的 精 确 控 制三 步 消 零 算 法 中 的 补 偿 滞 后 时 间 控 制 只 用 于 最 后 一 个 周 期阀 的 启 闭 是 通 过 换 算 后 的 时 间 差 来 调 节 的此 时 的 其 中 为 所 需 调 节 量 为 高 速 开 关 阀 开 启 时 缸 体 的 运 动 速 度控 制 流 程 图 如 图所 示 图滞 后 补 偿 控 制 流 程 图 控 制 原 理 所 谓 控 制是 利 用 极 小 值 原 理 求 解 时 间 最 小 的 方 法是 一 种 时 间 最 优 控 制它 的 目 标 函 数 总 是 取 在 容 许 控 制 的 边 界 上要 么 取 最 大 值要 么 取 最 小 值只 在 这 两 个 数 值 上 切 换相 当 于 一 个 继 电 器这 种 控 制 又 称 为 快 速 控 制 法控 制 的 关 键 在 于 阀 值 的 选 取阀 值 选 取 过 大则 系 统 的 超 调 量 增 加阀 值 选 取 过 小则 控 制 不 能 充 分 发 挥 其 优 越 性 基 于 控 制 的 三 步 消 零 算 法 将 阀 值 选 取 为 高 速 开 关 阀 开 启 一 周 期 后 缸 体 的 位 移 量 当 所 需 调 节 量 大 于时高 速 开 关 阀 得 电 开 启不 进 行 控 制只 有 当 调 节 量 小 于时才 进 行 控 制 及 补 偿 滞 后 时 间 控 制从 而 实 现 了 缸 体 位 置 的 快 速 控 制 系 统 控 制 原 理 及 算 法 描 述 基 于 动 态 设 定 型 控 制 模 型记 实 测 压 力设 定 压 力当 时 缸 体 压 下当 时 缸 体 上 抬根 据 外 加 扰 动 可 以 计 算 出 所 需 调 节 量 由 于 缸 体 在 上 抬 和 压 下 时 数 字 液 压 的 控 制 原 理 相 同故 文 中 以 缸 体 压 下 为 例 阐 述 数 字 液 压 系 统 的 控 制 原 理 及 算 法研 究 用 的 高 速 开 关 阀 为 贵 州 红 林 机 械 厂 生 产 的 两 位 三 通 常 闭 式 高 速 开 关 阀额 定 压 力 额 定 流 量 死 区 滞 后 最 大 时 间 为 此 时 当 占 空 比 小 于时阀 进 入 死 区 不 开 启液 压 缸 的 频 率 为 为 保 证 板 带 材 的 精 度设 定 脉 宽 调 制 的 频 率 为 数 字 液 压 系 统 工 作 原 理 图 如 图所 示 机 床 与 液 压第卷 图数 字 液 压 原 理 图 由 图可 知当 缸 体 压 下 时高 速 开 关 阀得 电 开 启 通 流高 速 开 关 阀失 电 回 流当 两 阀 都 关 闭 时 双 向 液 压 锁 起 保 压 作 用为 实 现 缸 体 压 下 的 精 确 控 制文 中 引 入 三 步 消 零 算 法三 步 消 零 算 法 设 置 了 个 位 置 切 换 点占 空 比 为时 高 速 开 关 阀 开 启 一 个 周 期 的 位 移 量 记 为 占 空 比 为 时 的 位 移 量记 为 占 空 比 为 的 位 移 量 为 算 法 控 制 流 程 图 如 图所 示 图控 制 算 法 流 程 图 控 制 算 法 描 述 及 其 数 学 模 型 如 下 时 高 速 开 关 阀得 电 开 启 时 间后 高 速 开 关 阀关 闭此 阶 段 为 补 偿 滞 后 时 间 控 制 阶 段 式 中 为 高 速 开 关 阀 的 输 出 流 量 为 液 压 缸 大 腔 面 积 为 高 速 开 关 阀 得 电 时 间 为 高 速 开 关 阀 开 启 时 缸 体 的 速 度 时 高 速 开 关 阀得 电 开 启 进 行 调 制 式 中 为 占 空 比 为 高 速 开 关 阀 的 周 期 时 高 速 开 关 阀得 电 开 启 进 行 调 制第 二 个 周 期 进 行 补 偿 滞 后 时 间 控 制 且 时 在 前个 周 期 内高 速 开 关 阀得 电 开 启在 第 个 周 期 内 进 行 补 偿 滞 后 时 间 控 制 且 时 在 前 个 周 期 内高 速 开 关 阀得 电 全 开第 个 周 期 内 进 行 控 制 且 时 在 前 个 周 期 内高 速 开 关 阀得 电 开 启第 个 周 期 进 行 控 制第 个 周 期 进 行 补 偿 滞 后 时 间 控 制 仿 真 分 析 仿 真 模 型 根 据 数 字 液 压 系 统 的 工 作 原 理 及 控 制 算 法 利 用 软 件 建 立 缸 体 压 下 仿 真 模 型如 图 所 示 第期李 玉 贵 等基 于 高 速 开 关 阀 的 液 压 系 统 的 控 制 算 法 研 究 图数 字 液 压 系 统 压 下 时 仿 真 模 型 仿 真 模 型 中 各 元 件 的 主 要 参 数 设 置 如 下高 速 开 关 阀 进 油 口 直 径 为 球 阀 直 径 为 阀 芯 质 量 为 阀 芯 的 最 大 位 移 为 频 率 为 死 区 滞 后 时 间 小 于 系 统 压 力 为 活 塞 直 径 为 活 塞 杆 直 径 为 基 于 液 压 压 下 的 特 点在 线 微 调 时调 节 量 一 般 在 左 右经 理 论 分 析设 定 所 需 压 下 调 节 量 分 别 为 仿 真 结 果 所 需 压 下 量 时模 型 仿 真 结 果 如 图 所 示 图位 移 响 应 曲 线图速 度 响 应 曲 线 所 需 压 下 量 时模 型 仿 真 结 果 如 图 所 示 图位 移 响 应 曲 线图速 度 响 应 曲 线 所 需 压 下 量 时模 型 仿 真 结 果 如 图 所 示 图位 移 响 应 曲 线图速 度 响 应 曲 线 所 需 压 下 量 时模 型 仿 真 结 果 如 图 所 示 图位 移 响 应 曲 线图速 度 响 应 曲 线 所 需 压 下 量 时模 型 仿 真 结 果 如 图 所 示 图位 移 响 应 曲 线图速 度 响 应 曲 线 机 床 与 液 压第卷 所 需 压 下 量 时模 型 仿 真 结 果 如 图 所 示 图位 移 响 应 曲 线图速 度 响 应 曲 线 理 论 与 仿 真 分 析 该 算 法 的种 情 况 包 括 了 液 压 缸 在 运 动 过 程 中 压 下 调 节 量 的 所 有 情 况理 论 上 高 速 开 关 阀 的 流 量 通 入 无 杆 腔 时缸 体 运 动 的 速 度 为 通 入 有 杆 腔 时 缸 体 的 运 动 速 度 为 由 于 的 最 小 时 基 为 故 缸 体 的 位 移 量 即 缸 体 位 置 控 制 的 误 差 量对 于 不 同 的 高 速 开 关 阀 来 说 其 死 区 滞 后 时 间 不 尽 相 同但 均 小 于 最 大 滞 后 时 间 仿 真 模 型 中 没 有 设 置 高 速 开 关 阀 的 开 启 滞 后 时 间但 不 影 响 其 对 位 置 误 差 的 分 析仅 影 响 缸 体 平 均 速 度 的 计 算故 在 其 平 均 速 度 分 析 时补 偿 了 最 大 滞 后 时 间此 时 的 平 均 速 度 为 其 在 各 位 移 量 情 况 下 的 最 小 平 均 速 度对 于 情 况 二 和 五在 实 际 的 三 步 消 零 控 制 算 法 中 无 需 补 偿 滞 后 时 间但 在 平 均 速 度 的 计 算 中需 要 考 虑 其 对 平 均 速 度 的 影 响对 于 的 滞 后 时 间 而 言缸 体 压 下 时 的 初 始 调 节 量 需 要 高 速 开 关 阀 得 电 其 中 高 速 开 关 阀 开 启 的 时 间 为 这 时 缸 体 压 下 的 平 均 速 度 为 可 见 所 需 的 位 移 调 节 量 越 小死 区 滞 后 时 间 对 缸 体 的 平 均 速 度 影 响 越 大当 初 始 所 需 调 节 量 小 于 时缸 体 的 运 动 速 度 无 法 满 足 液 压 对 速 度 的 要 求 由 位 移 响 应 曲 线 图 可 知 缸 体 压 下 时位 移 变 化 趋 势 与 算 法 所 要 实 现 的 效 果 一 致且 无 超 调 现 象通 过 对 表的 误 差 分 析 可 知缸 体 压 下 时运 用 三 步 消 零 算 法 得 到 的 缸 体 位 置 误 差 均 在 内与 理 论 分 析 一 致由 速 度 响 应 曲 线 图 可 知在 高 速 开 关 阀 开 启 时缸 体 的 瞬 时 速 度 能 达 到 左 右速 度 变 化 趋 势 与 算 法 所 要 实 现 的 效 果 一 致且 较 稳 定无 大 的 波 动通 过 对 表的 平 均 速 度 分 析 可 知当 初 始 所 需 调 节 的 位 移 量 大 于 时即 使 对 高 速 开 关 阀 的 滞 后 时 间 进 行 最 大 补 偿 也 能 够 满 足 液 压 对 速 度 的 要 求与 理 论 分 析 的 偏 差 这 是 因 为 缸 体 在 实 际 运 动 过 程 中 由 于 活 塞 的 黏 性 阻 尼 及 油 液 的 泄 漏 导 致 其 运 动 速 度 小 于 理 论 的 所 致 理 论 与 仿 真 结 果 相 符 表仿 真 结 果 汇 总 表 理 论 压 下 量 高 速 开 关 阀 开 启 不 进 调 制 补 偿 滞 后 时 间 实 际 压 下 量 误 差 仿 真 时 间 补 偿 时 间 平 均 速 度 结 论 由 理 论 及 仿 真 结 果 对 比 可 知当 系 统 压 下 所 需 的 初 始 位 移 调 节 量 大 于 时基 于 三 步 消 零 算 法 控 制 的 高 速 开 关 阀 控 缸 系 统 能 够 满 足 液 压 对 压 下 速 度 的 要 求同 时 位 置 精 度 可 控 制 在 内 缸 体 在 上 抬 时有 杆 腔 通 油由 于 其 控 制 算 法 与 压 下 时 相 同故 理 论 上 缸 体 的 运 动 速 度 为 时位 置 精 度 可 控 制 在 内同 时 当 缸 体 上 抬 时 的 初 始 位 移 调 节 量 大 于 时缸 体 上 抬 的 平 均 速 度 大 于 压 下 时 的 平 均 速 度能 够 满 足 液 压 对 速 度 的 要 求 综 上 所 述当 所 需 初 始 位 移 调 节 量 大 于 时运 用 三 步 消 零 算 法 能 够 实 现 高 速 开 关 阀 代 替 伺 服 阀 用 于 液 压 系 统 中 进 行 厚 度 精 确 控 制三 步 消 零 算 法 极 大 地 扩 展 了 高 速 开 关 阀 的 应 用 范 围对 于 其 运 用 于 高 频 响高 精 度 的 位 置 控 制 系 统 意 义 重 大 参 考 文 献 林 锐高 速 开 关 阀 的 研 究 及 数 字 仿 真 武 汉武 汉 理 工 大 学 刘 少 军基 于 高 速 开 关 阀 的 液 压 位 置 系 统 最 优 控 制 研 究 机 床 与 液 压 高 建 臣李 维 军吴 平 东 高 速 开 关 阀 控 液 压 缸 位 置 控 制 系 统 的 模 糊 控 制 兵 工 自 动 化 苏 明陈 伦 军基 于 的 高 速 电 磁 开 关 阀 控 缸 位 置 控 制 机 床 与 液 压 高 钦 和刘 志 浩牛 海 龙等高 速 开 关 阀 控 液 压 缸 的 位 置 控 制 中 国 机 械 工 程 陈 先 惠一 种 高 速 开 关 阀 的 静 动 态 特 性 研 究 宝 钢 技 术 刘 少 军夏 毅 敏郭 淑 娟 等高 速 开 关 电 磁 阀 的 控 制 及 改 进 技 术 机 床 与 液 压 胡 彬基 于 与 控 制 的 重 型 汽 车 仿 真 研 究 与 爆 胎 分 析 石 家 庄石 家 庄 铁 道 大 学 第期李 玉 贵 等基 于 高 速 开 关 阀 的 液 压 系 统 的 控 制 算 法 研 究