向東湖，汪偉

篦冷機(jī)多缸協(xié)同運(yùn)動(dòng)的控制方法

向東湖，汪偉

Controlling Method of Grate Cooler Multi-cylinder Coordinated Movement

現(xiàn)代工業(yè)裝備中，多個(gè)液壓缸同時(shí)作用于同一設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越多，為了保證多缸的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，除了液壓執(zhí)行元件的選型一致外，電氣控制對(duì)同步也起到了非常重要的作用。本文以顆粒物料輸送設(shè)備步進(jìn)式篦冷機(jī)為實(shí)例，介紹一種適用于配合多個(gè)液壓缸的電氣同步控制方法，并對(duì)該方法的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的說(shuō)明和評(píng)述。

篦冷機(jī)；多缸協(xié)同；控制方法；位置控制器

1 前言

液壓元件在設(shè)備中的運(yùn)用越來(lái)越多，它的廣泛運(yùn)用不僅對(duì)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了高要求，同時(shí)也對(duì)電氣專(zhuān)業(yè)提出了更高的要求。液壓元件是執(zhí)行器件，其運(yùn)動(dòng)完全依靠電氣專(zhuān)業(yè)的控制，必須要做到安全、平穩(wěn)、快速、高精度，但這些要求往往是互相牽制的，控制時(shí)只能把這些要求控制在相對(duì)合理的范圍內(nèi)，以滿(mǎn)足生產(chǎn)的工藝要求為目標(biāo)。本文介紹的控制方法就是針對(duì)多缸協(xié)同動(dòng)作的一種同步控制算法。

2 控制思路

在多缸液壓系統(tǒng)中，如果要求執(zhí)行元件以相同的位移或相同的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)采用同步回路。從理論上講，只要兩個(gè)液壓缸的有效面積相同、輸入的流量也相同的情況下，應(yīng)該做出同步動(dòng)作。但是，實(shí)際上由于負(fù)載分配的不均衡，摩擦阻力不相等，泄漏量不同，均會(huì)使兩液壓缸運(yùn)動(dòng)不同步，因此需要采用同步回路。同步回路的控制方法一般有三種：容積控制、流量控制和伺服控制。容積式同步回路如串聯(lián)缸的同步回路；流量控制式同步回路如用調(diào)速閥、比例閥或用分流集流閥的同步回路；伺服式同步回路的同步精度最高。

篦冷機(jī)的篦床是由相對(duì)獨(dú)立的列向單元構(gòu)成，每列由單獨(dú)油缸驅(qū)動(dòng)，多缸協(xié)同運(yùn)動(dòng)以完成顆粒物料的輸送。圖1是該設(shè)備液壓系統(tǒng)原理圖，每臺(tái)油缸由單獨(dú)的比例換向閥控制其運(yùn)動(dòng)的方向和速度，多缸由一臺(tái)負(fù)載敏感泵提供壓力油，分析可以得出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用比例閥控制流量實(shí)現(xiàn)多缸協(xié)同運(yùn)動(dòng)。其油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)有以下特點(diǎn)：

（1）多缸活塞桿伸出時(shí)同步運(yùn)動(dòng)，縮回時(shí)分步進(jìn)行。

（2）要求的運(yùn)動(dòng)速度可以調(diào)整。

（3）速度控制精度要求不太高。

（4）同步性要求比較高。

一般比例閥的動(dòng)作精度、運(yùn)動(dòng)速度及線性度都不是很好，并且有相當(dāng)大的死區(qū)，這些都給電氣控制帶來(lái)了一定的難度。由于本系統(tǒng)的控制指標(biāo)均是以位移或速度為基礎(chǔ)的，所以控制方式選擇位置同步控制或者速度同步控制；又因在行進(jìn)過(guò)程中有行程和速度同步精度要求，因此必須選擇閉環(huán)控制?？刂浦骰芈愤x擇帶PID算法的位移或者速度閉環(huán)控制。每個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液壓缸需要配置一個(gè)位移速傳感器，以測(cè)量實(shí)際位移或者速度，同時(shí)從成本上考慮，不需要測(cè)量壓力，可以取消壓力傳感器。由位移傳感器構(gòu)成的PID控制回路原理見(jiàn)圖2。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

3 控制算法

控制主回路選擇帶PID算法模塊的位置控制器，每個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液壓缸需要配置一個(gè)位移速傳感

器。PID閉環(huán)控制原理見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出，位置控制器可選擇速度同步控制方式或者位置同步控制方式，位置控制器將從油缸電位計(jì)反饋的實(shí)際值與從PLC給出的設(shè)定值進(jìn)行比較，然后將偏差發(fā)送給閥放大器，如果輸入信號(hào)變化發(fā)生突變，系統(tǒng)就會(huì)以高動(dòng)態(tài)性能做出反應(yīng)。借助該調(diào)節(jié)器模塊，就能很方便的進(jìn)行位置調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)，控制油缸的運(yùn)動(dòng)與規(guī)定的運(yùn)動(dòng)一致。

根據(jù)上述對(duì)液壓系統(tǒng)和油缸運(yùn)動(dòng)要求的描述，我們可以繪出多缸協(xié)同運(yùn)動(dòng)的速度－時(shí)間曲線（圖4）。v1和v2分別表示油缸活塞桿伸出和縮回時(shí)設(shè)定的速度值，該值根據(jù)工況需要可以調(diào)節(jié)，v1和v2的最大值主要由液壓系統(tǒng)的能力決定；t0表示設(shè)定的多缸活塞桿同時(shí)伸出的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，t1、t2和t3分別表示設(shè)定的單缸活塞桿縮回時(shí)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。通過(guò)規(guī)定油缸運(yùn)動(dòng)總行程、4個(gè)階段時(shí)間分配以及各階段斜坡時(shí)間（加減速時(shí)間），從而可以定義出設(shè)定速度v1和v2的值，以及各個(gè)階段的加速度和減速度。定義完各個(gè)階段的時(shí)間、加速度和速度，通過(guò)PLC將每個(gè)油缸各個(gè)時(shí)刻設(shè)定的速度值或者位移值發(fā)送給位置控制器模塊，從而完成對(duì)算法的定義。

圖2 閉環(huán)控制回路

圖3 PID模塊閉環(huán)控制原理

圖4 多缸運(yùn)動(dòng)速度－時(shí)間曲線

在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中，由于系統(tǒng)性能上的問(wèn)題會(huì)造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)的困難。具體的問(wèn)題出現(xiàn)在比例閥、液壓管路和容量不足等問(wèn)題，在實(shí)際調(diào)試中，以上問(wèn)題均可以通過(guò)設(shè)定值與反饋值偏差來(lái)處理。

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，采用此同步算法的效果相當(dāng)明顯，同步控制精度以及運(yùn)動(dòng)速度均滿(mǎn)足要求。在適當(dāng)放寬同步精度的條件下，還可以提高運(yùn)行速度，當(dāng)然，這要根據(jù)實(shí)際需要來(lái)確定。如果要縮短油缸運(yùn)動(dòng)周期，可以適當(dāng)縮短斜坡時(shí)間；如果要使得油缸換向平穩(wěn)無(wú)沖擊，可以適當(dāng)加長(zhǎng)斜坡時(shí)間。但這些參數(shù)是相互制約的，修改某一項(xiàng)時(shí)，一定要考慮到對(duì)其他因素的影響。通過(guò)對(duì)位置控制器各參數(shù)的調(diào)試，無(wú)論液壓缸的低速伸缸，還是高速的縮回，都具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)過(guò)程跟隨誤差小，到達(dá)終止位置靜態(tài)誤差小的特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

此同步控制方法可有效地解決因閥、油路、液壓缸、機(jī)械設(shè)備、載荷等因素導(dǎo)致的多油缸運(yùn)動(dòng)的不同步性，保證同步到達(dá)目標(biāo)值，不受運(yùn)動(dòng)缸數(shù)目和運(yùn)動(dòng)行程的限制，運(yùn)行速度與同步精度可以通過(guò)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果有類(lèi)似兩個(gè)以上液壓缸同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一設(shè)備做直線運(yùn)動(dòng)，可以使用本文介紹的方法進(jìn)行同步控制。

TQ172.622.4

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1001-6171（2014）01-0081-03

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2013-05-06；編輯：呂光