劉 忠 劉 燈 金 耀 朱 浩
1.常熟理工學(xué)院,常熟,215500 2.湖南師范大學(xué),長(zhǎng)沙,410081
3.湖南大學(xué),長(zhǎng)沙,410082
工程機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)方式中應(yīng)用最多的是電液位置控制系統(tǒng)[1]。電液位置驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要是基于伺服閥或比例閥等模擬信號(hào)元件構(gòu)成的位置閉環(huán)控制[2]。盡管方案成熟且具有較高的控制精度,但不足之處也非常明顯,如:元器件價(jià)格高、系統(tǒng)對(duì)油液的清潔度要求高,并且溫漂、零漂以及磁滯等問(wèn)題解決困難等,造成系統(tǒng)的投入和運(yùn)行成本很高,從而在很大程度上限制了這一技術(shù)方案的應(yīng)用。從20世紀(jì)80年代至今,高速開(kāi)關(guān)閥因其響應(yīng)快、便于計(jì)算機(jī)控制、抗污染能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛關(guān)注和研究,但其受自身結(jié)構(gòu)的限制,輸出流量較小,并不適宜于大功率機(jī)械臂的直接驅(qū)動(dòng)[3-4]。因此,有學(xué)者提出基于高速開(kāi)關(guān)閥先導(dǎo)控制的液壓位置系統(tǒng)方案,利用高速開(kāi)關(guān)閥和錐閥配合實(shí)現(xiàn)功率放大的優(yōu)點(diǎn),將其用于工程液壓驅(qū)動(dòng)控制[5-6]。文獻(xiàn)[5]通過(guò)液壓缸位置控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模與階躍響應(yīng)分析,得出的高速開(kāi)關(guān)閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)為恒定調(diào)制率(占空比)下的仿真結(jié)論,未能較好地體現(xiàn)PWM調(diào)制的控制思想,且對(duì)于工程機(jī)械臂這一類機(jī)電液耦合的非線性、不確定復(fù)雜系統(tǒng),難以精確建立其數(shù)學(xué)模型,位置控制精度的分析也存在一定的局限性。本文基于文獻(xiàn)[5]的研究成果,開(kāi)展工程機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模與控制研究。
高速開(kāi)關(guān)閥與伺服閥和比例閥的連續(xù)流體控制方法不同,采用脈沖流量控制方法,可直接與計(jì)算機(jī)接口對(duì)接,便于智能控制和先導(dǎo)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)PWM方式將執(zhí)行器的位移差反饋信號(hào)輸出為控制腔的壓力和系統(tǒng)流量,進(jìn)而控制終端執(zhí)行器的位移,構(gòu)成數(shù)字式位置控制系統(tǒng)。
針對(duì)工程機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求動(dòng)作迅速、抗污染能力強(qiáng)、與微機(jī)接口對(duì)接方便、能實(shí)現(xiàn)大流量大慣性系統(tǒng)控制的特點(diǎn),本文采用圖1所示的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),圖1a為兩連桿機(jī)械臂示意圖,圖1b為機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)缸14的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖。液壓缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用4個(gè)高速開(kāi)關(guān)閥5~8作為先導(dǎo)閥,分別設(shè)在液壓缸的進(jìn)油與回油路上,以控制錐閥9~12的開(kāi)啟和關(guān)閉,構(gòu)成全橋式液壓控制回路。高速開(kāi)關(guān)閥由計(jì)算機(jī)輸出的脈寬調(diào)制PWM信號(hào)進(jìn)行控制,通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的調(diào)制率大小來(lái)改變高速開(kāi)關(guān)閥的輸出流量,進(jìn)而改變錐閥的控制腔壓力,實(shí)現(xiàn)對(duì)錐閥開(kāi)啟率和輸出流量的控制,即通過(guò)調(diào)節(jié)液壓缸的進(jìn)出流量,實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的位置控制。進(jìn)程時(shí)(向右運(yùn)動(dòng)),高速開(kāi)關(guān)閥6和7分別控制錐閥10和11完全關(guān)閉,而高速開(kāi)關(guān)閥5和8則分別先導(dǎo)控制錐閥9和12的開(kāi)啟,高速開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)啟率決定了錐閥輸出流量的大小,通過(guò)控制流量大小來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸的位置控制;回程時(shí)正好相反,錐閥9和12完全關(guān)閉,錐閥10和11開(kāi)啟,驅(qū)動(dòng)液壓缸向左運(yùn)動(dòng)。
圖1 工程機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理圖
1.2.1 高速開(kāi)關(guān)閥的特性方程
高速開(kāi)關(guān)閥在一個(gè)脈沖周期內(nèi),導(dǎo)通時(shí)間為Ton,關(guān)閉時(shí)間為Toff,其信號(hào)調(diào)制率為
通過(guò)高速開(kāi)關(guān)閥口的平均體積流量為
式中,Cv為高速開(kāi)關(guān)閥體積流量系數(shù);Av為閥口面積;ρ為油液密度;ps為高速開(kāi)關(guān)閥的供油口壓力;pL為高速開(kāi)關(guān)閥的工作口壓力。
高速開(kāi)關(guān)閥的力平衡方程為
式中,B為油液的黏性系數(shù);mv為高速開(kāi)關(guān)閥球閥、分離銷等的質(zhì)量;xv為高速開(kāi)關(guān)閥球閥和分離銷的位移;Fm為高速開(kāi)關(guān)閥的電磁吸力;Fb為工作油壓作用于球閥上的力。
1.2.2 插裝閥的特性方程
本文中所采用的插裝閥為常閉插裝閥,假設(shè)泵的供油體積流量為定值,忽略相對(duì)小流量液動(dòng)力和管路中的壓力損失,由此可得插裝閥控制口的體積流量方程為
式中,A3為插裝閥控制口的有效工作面積;x為閥芯位移。
工作口的體積流量方程為
式中,α為錐閥座的錐度;Cq為流量系數(shù);p1、p2為插裝閥工作口的工作壓力。
閥芯的力平衡方程為
式中,F(xiàn)H為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)力;ks為插裝閥復(fù)位彈簧剛度;p3為插裝閥控制口的工作壓力;A1、A2為插裝閥工作口的有效工作面積;m為閥芯質(zhì)量;c為插裝閥閥芯阻尼系數(shù)。
1.2.3 液壓缸的特性方程
本文采用的液壓缸為單桿活塞缸,液壓缸的活塞動(dòng)態(tài)方程為
式中,A4為液壓缸無(wú)桿腔的活塞受力面積;A5為液壓缸有桿腔的活塞受力面積;mh為活塞質(zhì)量;Bp為液壓缸的黏性阻尼系數(shù);EL為負(fù)載的彈性模量;y為活塞位移量。
液壓缸體積流量方程為
式中,Cm為液壓缸的內(nèi)泄漏系數(shù);Eβe為油液彈性模量;V1、Q1分別為液壓缸無(wú)桿腔的活塞有效容積和體積流量;V2、Q2分別為液壓缸有桿腔的活塞有效容積和體積流量。
1.2.4 AMESim 建模
AMESim軟件是LMS Imagine公司開(kāi)發(fā)的建模仿真軟件,它把用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來(lái)從而專注于液壓系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)分析[7]。圖2所示為基于工程機(jī)械臂的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的AMESim模型。圖2中液壓泵為定量泵,作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓缸選用系統(tǒng)的HJ010模型,高速開(kāi)關(guān)閥和插裝閥均由HCD庫(kù)中的模型根據(jù)其工作原理和特性方程組建。為了便于對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析,對(duì)機(jī)械臂負(fù)載環(huán)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化,外加負(fù)載由一個(gè)線性信號(hào)源和一個(gè)信號(hào)—力的轉(zhuǎn)換器組成,這樣可以通過(guò)調(diào)整信號(hào)源的參數(shù)大小來(lái)調(diào)整機(jī)械臂承受的外加負(fù)載的大小。
圖2 工程機(jī)械臂新型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的AMESim模型
在工程機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,以液壓缸作為臂的驅(qū)動(dòng)器時(shí),為使機(jī)械臂在某一位置停留或保持在某一固定的高度并承受一定的負(fù)載力,以及驅(qū)動(dòng)液壓缸雙向運(yùn)動(dòng),故本文采用液壓鎖進(jìn)行液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)回路鎖定。圖1中的元件13,即為2個(gè)液控單向閥組成的液壓鎖(雙液控單向閥)。液壓鎖在液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中同時(shí)起兩個(gè)作用:一是構(gòu)成鎖緊回路,保證其要求的定位精度;二是承受來(lái)自執(zhí)行元件的超額負(fù)載,適應(yīng)負(fù)載特性的要求。圖3所示為采用基于高速開(kāi)關(guān)閥先導(dǎo)控制的液壓位置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位移(速度)曲線。為能清晰地驗(yàn)證液壓鎖在該液壓位置控制中的影響,設(shè)定驅(qū)動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥PWM信號(hào)的調(diào)制率為定值,給予液壓缸恒定負(fù)載,分2種情況進(jìn)行仿真分析,圖3a為未采用液壓鎖保護(hù)的裝置,圖3b為采用液壓鎖保護(hù)的裝置。首先能得出在調(diào)制率恒定的情況下,油缸的移動(dòng)速度基本保持不變:①在進(jìn)程驅(qū)動(dòng)時(shí)間段(0~1.5s),油缸的位移勻速上升,有一定的超調(diào)量,但圖3b的響應(yīng)速度略優(yōu)于圖3a,速度大約為0.14m/s,在進(jìn)程驅(qū)動(dòng)時(shí)間段內(nèi)缸位移量略大于未帶液壓鎖時(shí)的0.01m;②在停止驅(qū)動(dòng)時(shí)間段(1.5~2.5s),圖3a的速度曲線出現(xiàn)了很大的顫動(dòng),速度超調(diào)大約為±0.06m/s,位移曲線肉眼也能看到絲微的波紋,而圖3b則除1.5s瞬時(shí)有±0.03m/s的速度超調(diào)外,其他時(shí)間段活塞的整體速度很平穩(wěn);③在回程驅(qū)動(dòng)時(shí)間階段(2.5~4s),圖3a的速度曲線明顯劣于圖3b的速度曲線,其最大速度波動(dòng)約為±0.05m/s,這可能導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的液壓缸因液動(dòng)力和負(fù)載重力的影響而出現(xiàn)爬行現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)有可能會(huì)造成振動(dòng)和沖擊,影響其系統(tǒng)的工作可靠性和安全性。
3 新型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中液壓缸活塞的位移及速度曲線
工程機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖4。
圖4 液壓機(jī)械臂控制系統(tǒng)框圖
以機(jī)械臂液壓缸的預(yù)期位移r和實(shí)際位移x的差值e(位移偏差)為輸入量,經(jīng)由PID控制律得到控制信號(hào)u,再經(jīng)PWM調(diào)制后輸出為高速開(kāi)關(guān)閥控制信號(hào)的調(diào)制率D,從而先導(dǎo)控制插裝閥的輸出壓力,最終實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂油缸的位移控制。
式中,kp、ki、kd分別為 比例、微 分、積分 系 數(shù);e為 位 移偏差。
本文采用了5點(diǎn)開(kāi)關(guān)調(diào)制思想[8],如圖5所示。橫坐標(biāo)表示位置偏差e,縱坐標(biāo)為PWM控制信號(hào)調(diào)制率D,D=Ton/Tpwm,Tpwm為控制信號(hào)的周期,Ton為控制信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間。
圖5 5點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制思想示意圖
當(dāng)圖5中的位置偏差較大時(shí)(快速區(qū)),為了使機(jī)械臂快速地到達(dá)設(shè)定位置,相應(yīng)的錐閥應(yīng)完全打開(kāi),調(diào)制率D等于預(yù)期占空比1;當(dāng)位置偏差處于設(shè)定的很小范圍內(nèi)時(shí)(死區(qū)),為避免驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的液壓缸在設(shè)定位置附近頻繁地輕微振蕩,可認(rèn)為執(zhí)行器到達(dá)設(shè)定位置,此時(shí)的調(diào)制率D等于預(yù)期占空比0,關(guān)閉控制閥,使執(zhí)行器定位在當(dāng)前位置;當(dāng)位置偏差處于慢速區(qū)時(shí),占空比D為根據(jù)某一算法所計(jì)算得到的預(yù)期占空比,它隨位置偏差相應(yīng)改變。
理想情況下,高速開(kāi)關(guān)閥在PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下,閥芯能夠瞬時(shí)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)液流狀態(tài)的快速切換。但在實(shí)際情況中,因存在電氣信號(hào)的傳輸延時(shí)與電磁線圈的磁滯后性和閥芯慣性,會(huì)導(dǎo)致閥口啟閉滯后于脈沖控制信號(hào)。為避免高速開(kāi)關(guān)閥的啟閉滯后對(duì)系統(tǒng)控制效果造成的影響,應(yīng)使其工作在線性區(qū),因此需要對(duì)輸出的調(diào)制率D加以修正。上述5點(diǎn)開(kāi)關(guān)法修正后的PWM調(diào)制規(guī)律表達(dá)式為
式中,dmin為高速開(kāi)關(guān)閥控制信號(hào)最小有效調(diào)制率;dmax為高速開(kāi)關(guān)閥控制信號(hào)最大有效調(diào)制率;ton為高速開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)閥時(shí)間;toff為高速開(kāi)關(guān)閥的關(guān)閥時(shí)間。
根據(jù)PID控制策略計(jì)算得到的預(yù)期占空比de的表達(dá)式為
聯(lián)立式(9)和式(10),便可實(shí)現(xiàn)框圖4的工程機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速開(kāi)關(guān)閥的脈寬調(diào)制與控制[9-10]。
在仿真之前,設(shè)置液壓缸的缸徑為120mm,活塞桿直徑為60mm,活塞桿的最大行程為0.6m。工作時(shí),高速開(kāi)關(guān)閥的PWM控制信號(hào)的調(diào)制率跟隨位移偏差e的變化,即油缸的速度可以根據(jù)高速開(kāi)關(guān)閥調(diào)制率的變化來(lái)先導(dǎo)控制插裝閥的開(kāi)啟率和輸出流量加以實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得HSV-3000高速開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)閥時(shí)間為3.5ms,關(guān)閥時(shí)間為2.5ms。PWM控制信號(hào)周期為20ms。設(shè)定的預(yù)期位移為0.5m,模擬變化負(fù)載:0~2s為150kN,2~10s為200kN,10~12s為150kN,12~25s為100kN。主泵的輸出流量為500 L/min,輔助泵的輸出流量為20L/min,溢流閥的開(kāi)啟壓力為25MPa,仿真時(shí)間為25s。
圖6所示為液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的3種變負(fù)載仿真油缸位移曲線:第一種情況為控制系統(tǒng)未采用占空比修正策略,相應(yīng)的油缸位移曲線1的穩(wěn)態(tài)誤差最大為0.1m,這意味著油缸還未到達(dá)預(yù)定位置時(shí)就已經(jīng)停止驅(qū)動(dòng)。這是因?yàn)槲恢闷钪饾u變小時(shí),在外負(fù)載和電磁閥死區(qū)的影響下,高速開(kāi)關(guān)閥先導(dǎo)控制的錐閥無(wú)法開(kāi)啟,執(zhí)行器位置調(diào)整失敗,油缸移動(dòng)到0.4m就會(huì)停止,穩(wěn)態(tài)誤差大約為0.1m。同樣回程時(shí)也存在大約0.07m的穩(wěn)態(tài)誤差,這便嚴(yán)重影響了位置控制精度。第二種情況為采用占空比修正策略但未采用PID控制時(shí),相應(yīng)的油缸位移曲線2能精確達(dá)到預(yù)定位移0.5m,回程時(shí)油缸位移曲線也能準(zhǔn)確回零,較好體現(xiàn)了新型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)PWM位置控制的原理。這是因?yàn)閹д伎毡刃拚龝r(shí),減小了電磁閥的死區(qū),即使存在小誤差,也能輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)先導(dǎo)控制打開(kāi)錐閥,從而調(diào)整執(zhí)行器位置,消除位置誤差,提高位置控制精度。但這種控制策略的曲線上升時(shí)間大約為11s,即表明此時(shí)油缸需要11s才能到達(dá)設(shè)定位移0.5m。第三種情況為根據(jù)圖5控制系統(tǒng)框圖,結(jié)合PID控制律、5點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制算法和占空比修正策略(簡(jiǎn)稱為PID復(fù)合控制)得到的仿真曲線3。其與曲線2相比,雖然回程曲線類似,但進(jìn)程時(shí),曲線上升時(shí)間不到4s,且能準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)定位置,極大地提高了工作效率和響應(yīng)速度。
圖6 液壓缸的位移曲線
圖7 液壓缸無(wú)桿腔的流量
圖7所示為系統(tǒng)采用PID復(fù)合控制時(shí)的油缸無(wú)桿腔流量響應(yīng)曲線,由于液壓鎖的作用,在油缸停止階段(4~15s),油缸輸入流量沒(méi)有明顯振蕩波紋,確保了定位精度。進(jìn)程時(shí),流量幅值能達(dá)到215L/min,無(wú)明顯啟閉滯后現(xiàn)象。流量曲線雖不斷脈動(dòng),但沒(méi)有明顯的毛刺超調(diào),這種脈動(dòng)現(xiàn)象是因?yàn)殄F閥在高速開(kāi)關(guān)閥PWM信號(hào)的先導(dǎo)控制下不斷開(kāi)啟和關(guān)閉的結(jié)果,而工程裝備對(duì)這種高速開(kāi)關(guān)閥的輸出波紋并不敏感,并且高速開(kāi)關(guān)閥的控制流量較小,可以采用小流量輔助泵實(shí)現(xiàn)。高速開(kāi)關(guān)閥先導(dǎo)控制錐閥的新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以較優(yōu)的方式實(shí)現(xiàn)了大流量的數(shù)字控制?;爻虝r(shí),在負(fù)載和自重影響下,流量達(dá)到370L/min,油缸活塞在不到3s的時(shí)間內(nèi)就能夠回位。此時(shí),由于負(fù)載比較大(100kN),錐閥輸出流量有一定的毛刺存在[11-12]。
本文設(shè)計(jì)了一種基于高速開(kāi)關(guān)閥先導(dǎo)控制的工程機(jī)械臂液壓位置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng):用高速開(kāi)關(guān)閥作為先導(dǎo)閥控制錐閥組成全橋式液壓回路閥控缸系統(tǒng),控制信號(hào)的調(diào)制率跟隨位移誤差實(shí)現(xiàn)在線變化。采用修正的方法消除開(kāi)關(guān)閥存在的啟閉滯后現(xiàn)象和穩(wěn)態(tài)誤差。在分析5點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制思想的基礎(chǔ)上,采用占空比修正策略,輔以PID控制環(huán)節(jié),改善了其位置控制精度。仿真實(shí)驗(yàn)證明,本文所提出的工程機(jī)械臂液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)大流量數(shù)字控制,位置跟隨精度高,符合工程機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求。
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