劉 忠 梁承杰 資富年

（湖南師范大學(xué)機電技術(shù)裝備研究所，湖南長沙410081）

所謂同步系統(tǒng)是實現(xiàn)多個執(zhí)行器以相同位移、相同力或相等速度運動的液壓回路［1］。大型設(shè)備因負載力很大或布局的關(guān)系，需設(shè)多個液壓執(zhí)行器同時驅(qū)動一個執(zhí)行機構(gòu)，例如液壓壓樁機中的機身升降液壓缸系統(tǒng)；混凝土泵車的機械臂架液壓驅(qū)動系統(tǒng)；鑿巖鉆車的多臂舉升液壓系統(tǒng)；攤鋪機的熨平板升降缸和料斗液壓缸系統(tǒng)等。在這些機器和設(shè)備中，由于執(zhí)行元件存在的非線性摩擦阻力、液壓系統(tǒng)的泄漏、液壓元件的制造精度不同或長時間運轉(zhuǎn)使其工作特性發(fā)生變化以及負載的不均勻等［1］原因，使兩臺或多臺液壓缸或馬達產(chǎn)生較大的同步誤差，從而嚴重影響機器的正常工作，甚至損壞液壓元件。因此，液壓同步控制有著廣泛的意義。

1 液壓舉升機構(gòu)同步控制原理

盡管目前液壓同步系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方式多種多樣，但實際上，實現(xiàn)液壓同步驅(qū)動主要是開環(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［1］有：（1）利用同步閥實現(xiàn)單向同步運動回路，同步精度主要依賴于同步閥的分流精度。（2）通過串聯(lián)兩液壓缸實現(xiàn)同步運動回路，同步精度主要依賴于兩缸的工作面積的接近度。（3）利用雙聯(lián)液壓泵實現(xiàn)同步運動，回路的同步精度主要受泵的排量、容積效率和負載的影響，且要求兩缸的工作面積相等。由于開環(huán)同步控制回路不能有效消除或抑制外界干擾等不利因素的影響，且其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，因此常用于對同步精度要求不高的場合。

隨著工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對同步系統(tǒng)的精度要求越來越高，工程機械中液壓同步系統(tǒng)大多均采用閉環(huán)同步控制方式實現(xiàn)同步運動，從而達到高精度的要求。液壓同步閉環(huán)控制回路是對輸出量進行檢測、反饋，從而構(gòu)成反饋閉環(huán)控制，實現(xiàn)自動控制和機電液一體化。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、造價較低、抗污染能力強、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)實現(xiàn)較復(fù)雜，尤其是比例閥的驅(qū)動放大電路非常復(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)展起來的新型機電液一體化控制元件，它的最大特點就是可直接與計算機接口，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)簡單，且易于實現(xiàn)計算機直接控制。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械中需要解決的問題?；谝陨戏治觯O(shè)計了以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制錐閥來實現(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)閥價格低、抗污染能力強、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)［2］中。而把高速開關(guān)閥作為一個先導(dǎo)閥控制一個邏輯錐閥，則可進行大流量的比例控制。

1.1 高速開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

系統(tǒng)采用的是貴州紅林機械廠研制生產(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：當控制系統(tǒng)發(fā)出PWM信號是線圈通電時，銜鐵1產(chǎn)生的電磁推力通過頂桿5使球閥6向右運動，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。當線圈斷電時，供油球閥6在供油口和控制口壓差的作用下向左運動，使供油球閥6打開，控制口有液壓油輸出。

1.2 高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制錐閥的工作原理

圖5中1是內(nèi)帶阻尼孔的邏輯錐閥，2是脈寬調(diào)制式高速開關(guān)閥。當高速開關(guān)閥在圖中狀態(tài)時，錐閥控制腔P1和進油腔壓力PS相等，通過錐閥阻尼孔和高速開關(guān)閥的油液為零，控制腔油液封閉不流動，此時錐閥關(guān)閉；當高速開關(guān)閥斷電時，高速 開關(guān)閥處于打開狀態(tài)，控制油腔通過高速開關(guān)閥流回油箱，由于控制油腔壓力P1通過阻尼孔而下降，錐閥芯開啟。由于高速開關(guān)閥是采用PWM控制，通過調(diào)節(jié)調(diào)制率D（即占空比）的大小，可以改變通過高速開關(guān)閥的流量，進而得到不同的控制腔壓力，從而實現(xiàn)對通過錐閥流量的調(diào)節(jié)［3］。

1.3 新型同步控制系統(tǒng)原理

如圖3所示，圖中9為主動缸，10為從動缸。主動缸的運動位移由安裝在活塞桿上的位移傳感器11測出。相應(yīng)地，從動缸的運動位移由位移傳感器12測出。系統(tǒng)基本的工作原理是：以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥，控制邏輯錐閥實現(xiàn)大流量的比例控制。具體的工作過程表述如下；當換向閥3和4通電工作在左側(cè)狀態(tài)時，單片機AT89S52產(chǎn)生用于控制高速開關(guān)閥的PWM信號。當高速開關(guān)閥開啟時，錐閥控制腔油壓下降使錐閥開啟，油缸有桿腔泄油，兩缸同時向右運動，即活塞桿伸出。反之，錐閥關(guān)閉，油缸有桿腔不泄油。當兩缸在運動中不同步時，由兩位移傳感器分別測量兩缸的位移值并通過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到單片機AT89S52中，通過比較和計算后輸出相應(yīng)的調(diào)制率值的PWM控制信號，從而改變通過錐閥的流量，進而得到缸的不同運動速度，以達到兩缸同步。此處，輸出PWM控制信號有兩種工作方式：一是隨動控制輸出方式以主動缸的運動位移為基準，從動缸跟隨主動缸運動并以兩缸的位移差作為高速開關(guān)閥的輸入信號。即單片機AT89S52的輸出信號用于調(diào)節(jié)高速開關(guān)閥8的調(diào)制率從而改變從動缸中的流量的大小以達到加快或減慢從動缸運動速度的目的，并同時保持高速開關(guān)閥7的調(diào)制率不變以使主動缸的運動速度不變。如當從動缸的位移小于主動缸的位移時，通過單片機調(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，從而使從動缸加快運行以達到與主動缸同步。反之，減小高速開關(guān)閥8的調(diào)制率以減慢從動缸的運行速度。二是差動控制輸出方式，即單片機輸出信號同時調(diào)節(jié)高速開關(guān)閥7和8的調(diào)制率從而同時改變兩缸的運動速度。如當從動缸的位移小于主動缸的位移時，通過單片機調(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。則主動缸減慢其運行速度而從動缸加快其運行速度以共同實現(xiàn)同步。其同步響應(yīng)速度比第一種要快?；钊麠U縮回時原理一樣。系統(tǒng)中SSR的作用是放大單片機輸出的微弱電壓信號以驅(qū)動高速開關(guān)閥。

2 系統(tǒng)的數(shù)字仿真

應(yīng)用 MATLAB/simulink對系統(tǒng)進行動態(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缸數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。為簡化模型不考慮系統(tǒng)泄漏、壓力損失及換向閥對系統(tǒng)的影響。根據(jù)該模型可建立主動缸中調(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，Q2為輸出量的高速開關(guān)閥控錐閥的封裝仿真模型，如圖8所示。建立仿真模型后就可對系統(tǒng)進行仿真。設(shè)置仿真參數(shù)，系統(tǒng)的主要參數(shù)見表1，仿真時間0.5 s，選擇可變步長 ode15s（stiff/NDF）求解器，下面進行高速開關(guān)閥的調(diào)制率（即占空比）分別為20%、50%、70%、90%的系統(tǒng)速度和位移的仿真響應(yīng)對比分析，系統(tǒng)仿真的速度和位移響應(yīng)曲線結(jié)果如圖9所示。

表1 系統(tǒng)的主要物理參數(shù)

從圖9可以看出調(diào)制率D越大，在相同的響應(yīng)時間內(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的大小可以實現(xiàn)對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)時間基本相同，為0.25 s。也就是說調(diào)制率對系統(tǒng)的響應(yīng)時間影響不大。但調(diào)制率對系統(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。當調(diào)制率D為0.2時的最大超調(diào)量為5%；當調(diào)制率D為0.9時的最大超調(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)的誤差受負載不平衡的影響比較大，在此通過設(shè)置其兩缸所受負載不平衡來觀察系統(tǒng)中兩缸在負載不平衡的情況下的同步誤差情況，設(shè)主動缸承受負載8 000 kg，從動缸承受負載12 000 kg時，在調(diào)制率D為0.5時，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v1是主動缸的速度曲線，v2是從動缸的速度曲線。根據(jù)圖中曲線可知，系統(tǒng)具有很高的同步精度，其同步誤差在0.02 mm以內(nèi)，且響應(yīng)時間在0.25 s左右。如再加以位移傳感器檢測兩缸位移反饋到計算機，并通過PWM方式將相應(yīng)的調(diào)制率D送到兩個高速開關(guān)閥，進而控制活塞缸的速度和位移，從而實現(xiàn)對同步系統(tǒng)的閉環(huán)控制。因此，通過施加合適的控制算法，系統(tǒng)在大型機械臂等需要較高同步控制精度的場合具有很好的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

該液壓舉升機構(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，具有以下幾個特點：

（1）對高速開關(guān)閥控錐閥實現(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，便于單片機進行實時控制。

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、抗污染能力強、工作穩(wěn)定可靠、能耗低。

（4）以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制錐閥可進行大流量的比例控制，以實現(xiàn)系統(tǒng)的大范圍調(diào)速，并能滿足大型機械臂對功率的要求。

（5）高速開關(guān)閥和錐閥在控制上都存在著比較嚴重的非線性和延遲，在跟蹤快速變化的連續(xù)信號時誤差較大，因此必須施加合適的控制算法，才能有效提高控制精度和調(diào)節(jié)范圍。

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