液壓驅(qū)動(dòng)元件同步閉環(huán)控制仿真研究

液壓驅(qū)動(dòng)元件同步閉環(huán)控制仿真研究

所謂協(xié)調(diào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)不同位移、相同強(qiáng)度或相同速度的能源回路。1液壓閉環(huán)同步控制回路盡管目前液壓同步系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式多種多樣,但實(shí)際上,實(shí)現(xiàn)液壓同步驅(qū)動(dòng)主要是開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種基本形式。常用的開環(huán)同步回路隨著工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,對(duì)同步系統(tǒng)的精度要求越來越高,工程機(jī)械中液壓同步系統(tǒng)大多均采用閉環(huán)同步控制方式實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng),從而達(dá)到高精度的要求。液壓同步閉環(huán)控制回路是對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)、反饋,從而構(gòu)成反饋閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和機(jī)電液一體化。目前,常用的閉環(huán)同步控制回路有:(1)電液伺服閥組成的液壓閉環(huán)同步控制回路,如圖1,回路具有高的響應(yīng)速度和同步精度,但這種閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高且抗污染能力差,所以使它的廣泛應(yīng)用受到很大的限制。(2)電液比例閥組成的液壓閉環(huán)同步控制回路,如圖2,回路具有較高的同步精度、造價(jià)較低、抗污染能力強(qiáng)、性能良好。但電液比例控制系統(tǒng)易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)和死區(qū)范圍較大,且與開關(guān)控制相比,其技術(shù)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜,尤其是比例閥的驅(qū)動(dòng)放大電路非常復(fù)雜。(3)數(shù)字控制閥組成的液壓閉環(huán)同步控制回路,該類閥是近年逐漸發(fā)展起來的新型機(jī)電液一體化控制元件,它的最大特點(diǎn)就是可直接與計(jì)算機(jī)接口,不需A/D轉(zhuǎn)換,該類閥也具有高的抗污染能力并且內(nèi)泄漏小。因此,它組成的液壓同步控制系統(tǒng)控制方便、可靠性高、重復(fù)精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)直接控制。而在液壓同步閉環(huán)控制中,提高控制精度和響應(yīng)速度,克服滯后性仍是高精度液壓工程機(jī)械中需要解決的問題?；谝陨戏治?設(shè)計(jì)了以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制錐閥來實(shí)現(xiàn)大流量、高精度、高響應(yīng)同步閉環(huán)控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。系統(tǒng)采用的脈寬調(diào)制式(PWM)高速開關(guān)閥價(jià)格低、抗污染能力強(qiáng)、工作可靠、重復(fù)精度高、成批產(chǎn)品的性能一致性好。但由于高速開關(guān)閥本身結(jié)構(gòu)限制而允許通過的最大流量較小,因此不能應(yīng)用于大流量控制系統(tǒng)1.1控制機(jī)構(gòu)工作原理系統(tǒng)采用的是貴州紅林機(jī)械廠研制生產(chǎn)的高速螺線管式電磁閥———HSV系列二位二通高速開關(guān)閥。其結(jié)構(gòu)如圖4所示,其工作原理如下:當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出PWM信號(hào)是線圈通電時(shí),銜鐵1產(chǎn)生的電磁推力通過頂桿5使球閥6向右運(yùn)動(dòng),供油球閥6最終緊靠在供油球閥的密封座面上,使供油口與控制口斷開,控制口沒有液壓油輸出。當(dāng)線圈斷電時(shí),供油球閥6在供油口和控制口壓差的作用下向左運(yùn)動(dòng),使供油球閥6打開,控制口有液壓油輸出。1.3活塞桿縮回和同步模式如圖3所示,圖中9為主動(dòng)缸,10為從動(dòng)缸。主動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)位移由安裝在活塞桿上的位移傳感器11測(cè)出。相應(yīng)地,從動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)位移由位移傳感器12測(cè)出。系統(tǒng)基本的工作原理是:以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥,控制邏輯錐閥實(shí)現(xiàn)大流量的比例控制。具體的工作過程表述如下;當(dāng)換向閥3和4通電工作在左側(cè)狀態(tài)時(shí),單片機(jī)AT89S52產(chǎn)生用于控制高速開關(guān)閥的PWM信號(hào)。當(dāng)高速開關(guān)閥開啟時(shí),錐閥控制腔油壓下降使錐閥開啟,油缸有桿腔泄油,兩缸同時(shí)向右運(yùn)動(dòng),即活塞桿伸出。反之,錐閥關(guān)閉,油缸有桿腔不泄油。當(dāng)兩缸在運(yùn)動(dòng)中不同步時(shí),由兩位移傳感器分別測(cè)量?jī)筛椎奈灰浦挡⑼ㄟ^ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)AT89S52中,通過比較和計(jì)算后輸出相應(yīng)的調(diào)制率值的PWM控制信號(hào),從而改變通過錐閥的流量,進(jìn)而得到缸的不同運(yùn)動(dòng)速度,以達(dá)到兩缸同步。此處,輸出PWM控制信號(hào)有兩種工作方式:一是隨動(dòng)控制輸出方式以主動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)位移為基準(zhǔn),從動(dòng)缸跟隨主動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)并以兩缸的位移差作為高速開關(guān)閥的輸入信號(hào)。即單片機(jī)AT89S52的輸出信號(hào)用于調(diào)節(jié)高速開關(guān)閥8的調(diào)制率從而改變從動(dòng)缸中的流量的大小以達(dá)到加快或減慢從動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)速度的目的,并同時(shí)保持高速開關(guān)閥7的調(diào)制率不變以使主動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)速度不變。如當(dāng)從動(dòng)缸的位移小于主動(dòng)缸的位移時(shí),通過單片機(jī)調(diào)大高速開關(guān)閥8的調(diào)制率以增大通過錐閥6的流量,從而使從動(dòng)缸加快運(yùn)行以達(dá)到與主動(dòng)缸同步。反之,減小高速開關(guān)閥8的調(diào)制率以減慢從動(dòng)缸的運(yùn)行速度。二是差動(dòng)控制輸出方式,即單片機(jī)輸出信號(hào)同時(shí)調(diào)節(jié)高速開關(guān)閥7和8的調(diào)制率從而同時(shí)改變兩缸的運(yùn)動(dòng)速度。如當(dāng)從動(dòng)缸的位移小于主動(dòng)缸的位移時(shí),通過單片機(jī)調(diào)大高速開關(guān)閥8的調(diào)制率并減小高速開關(guān)閥7的調(diào)制率。則主動(dòng)缸減慢其運(yùn)行速度而從動(dòng)缸加快其運(yùn)行速度以共同實(shí)現(xiàn)同步。其同步響應(yīng)速度比第一種要快?；钊麠U縮回時(shí)原理一樣。系統(tǒng)中SSR的作用是放大單片機(jī)輸出的微弱電壓信號(hào)以驅(qū)動(dòng)高速開關(guān)閥。2動(dòng)態(tài)調(diào)制率d的影響應(yīng)用MATLAB/simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。使用simulink仿真首先需要搭建仿真模型,而搭建仿真模型得基于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)系統(tǒng)工作原理可得到主動(dòng)缸數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。為簡(jiǎn)化模型不考慮系統(tǒng)泄漏、壓力損失及換向閥對(duì)系統(tǒng)的影響。根據(jù)該模型可建立主動(dòng)缸中調(diào)制率D與液壓缸位移y或速度v之間的仿真模型,如圖7所示;以及以調(diào)制率D為輸入量,Q從圖9可以看出調(diào)制率D越大,在相同的響應(yīng)時(shí)間內(nèi),液壓缸活塞桿的速度越快,位移越大。因此,通過調(diào)節(jié)調(diào)制率D的大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸活塞桿的速度和位移的調(diào)節(jié)。在不同調(diào)制率下的響應(yīng)時(shí)間基本相同,為0.25s。也就是說調(diào)制率對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間影響不大。但調(diào)制率對(duì)系統(tǒng)的超調(diào)量有一定的影響,從圖9a中可以看出調(diào)制率越大,超調(diào)量就越大。當(dāng)調(diào)制率D為0.2時(shí)的最大超調(diào)量為5%;當(dāng)調(diào)制率D為0.9時(shí)的最大超調(diào)量為7.5%。由此可知系統(tǒng)響應(yīng)快和超調(diào)量小。假定系統(tǒng)中主回路和跟隨回路對(duì)應(yīng)的閥和缸的主要參數(shù)相等,由于同步系統(tǒng)的誤差受負(fù)載不平衡的影響比較大,在此通過設(shè)置其兩缸所受負(fù)載不平衡來觀察系統(tǒng)中兩缸在負(fù)載不平衡的情況下的同步誤差情況,設(shè)主動(dòng)缸承受負(fù)載8000kg,從動(dòng)缸承受負(fù)載12000kg時(shí),在調(diào)制率D為0.5時(shí),可得到系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線及位移誤差曲線如圖10所示。圖10a中v3數(shù)字仿真可行性分析該液壓舉升機(jī)構(gòu)同步控制系統(tǒng)由于采用了以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制錐閥的技術(shù)策略,具有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)對(duì)高速開關(guān)閥控錐閥實(shí)現(xiàn)同步控制的液壓系統(tǒng)建立其數(shù)學(xué)模型,并通過數(shù)字仿真可知系統(tǒng)同步控制方案是可行的。(2)由于高速開關(guān)閥閥芯行程很小,因而能以很高的響應(yīng)速度跟蹤控制信號(hào),便于單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。(3)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、抗污染能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定可靠、能耗低。(4)以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制錐閥可進(jìn)行大流量的比例控制,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大范圍調(diào)速,并能滿足大型機(jī)械臂對(duì)功率的要求。(5)高速