， (燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島　066004)

引言

壓力脈沖試驗(yàn)機(jī)的控制方式大體經(jīng)歷了從換向閥控制到液壓伺服控制兩個(gè)歷程，換向閥控制的試驗(yàn)機(jī)換向沖擊大，噪音大，頻率低，只能測(cè)試方波、梯形波，而電液伺服壓力脈沖試驗(yàn)機(jī)則克服了這些缺點(diǎn)， 可進(jìn)行高壓高頻、復(fù)雜波形測(cè)試，便于控制調(diào)節(jié)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

近年來(lái)我國(guó)壓力脈沖試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展較為迅速，浙江大學(xué)在低壓力脈沖試驗(yàn)機(jī)技術(shù)研究方面有較多的成果，王元[1]采用模糊PID控制設(shè)計(jì)了低壓的脈沖試驗(yàn)臺(tái)；具大源[2]將重復(fù)控制加入了試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)取得了良好的仿真效果；張福波，王貴橋等將波形幅值的模糊補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)中[3]。在高壓脈沖試驗(yàn)臺(tái)方面，王雙[4]等人根據(jù)最近伺服技術(shù)的發(fā)展，選擇了壓力等級(jí)可到50 MPa，額定流量可達(dá)200 L/min的伺服閥來(lái)控制液壓缸進(jìn)油腔壓力曲線的上升速率和波形的穩(wěn)定，進(jìn)油脈沖峰值在35 MPa，進(jìn)油脈沖谷值5 MPa，被測(cè)容腔為6 L，工作頻率為2 Hz，也具有指導(dǎo)意義。

本項(xiàng)目根據(jù)客戶要求，在基于檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)HB 6133-1987《液壓軟管、導(dǎo)管、接頭組件的脈沖試驗(yàn)》和GB/T 7939-2008《液壓軟管總成試驗(yàn)方法》的基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)部容積為1 L左右的飛機(jī)導(dǎo)管進(jìn)行最大工作壓力為28 MPa，峰值壓力為42 MPa進(jìn)行水錘波的測(cè)試，也可以對(duì)液壓軟管進(jìn)行最大工作壓力為31.5 MPa、脈沖疲勞壓力42 MPa的梯形波、正弦波、方波的測(cè)試，同時(shí)也可以按照其他的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)更廣泛的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。本試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)和研究，將對(duì)高壓電液伺服壓力脈沖試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和試驗(yàn)技術(shù)產(chǎn)生一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1　脈沖試驗(yàn)機(jī)液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

42 MPa電液伺服壓力脈沖試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　脈沖試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)要求

根據(jù)試驗(yàn)機(jī)工作流程和擬定的技術(shù)方案，研制設(shè)備的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

本試驗(yàn)機(jī)要達(dá)到的試驗(yàn)壓力為42 MPa，屬于超高壓系統(tǒng)，從液壓元件的使用性、壽命、系統(tǒng)密封可靠的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)采用增壓缸增壓的方法，而高壓部分的管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管道的密封、驅(qū)動(dòng)介質(zhì)的選用要求更為嚴(yán)格，并具有特殊性[5]。伺服增壓缸是液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)活塞式增壓缸，驅(qū)動(dòng)部分和工作部分完全隔離，驅(qū)動(dòng)部分為航空液壓油，增壓部分的試驗(yàn)介質(zhì)為要求的DOT4制動(dòng)液，其起到了增壓、隔離的作用。增壓缸的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.介質(zhì)油箱　2.空氣過(guò)濾器　3.電接點(diǎn)溫度計(jì)　4.液位報(bào)警　5.球閥　6.泄漏回收盤(pán)　7.試件工裝　8.被測(cè)試件　9.氣動(dòng)高壓球閥 10.排空罐　11.氣動(dòng)電磁換向閥　12.氣源兩聯(lián)件　13.氣源　14.溫度傳感器　15.壓力傳感器　16.補(bǔ)液泵　17.補(bǔ)液電機(jī) 18、30.吸油過(guò)濾器　19.高壓?jiǎn)蜗蜷y　20.伺服增壓缸　21.磁致伸縮位移傳感器　22.射流管伺服閥　23.蓄能器　24.壓力表 25.電磁溢流閥　26.單向閥　27.高壓過(guò)濾器　28.軸向柱塞泵　29.主電機(jī)　31.冷油機(jī)　32.直回油過(guò)濾器　33.系統(tǒng)油箱　34.截止閥

圖2　增壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

補(bǔ)液系統(tǒng)由介質(zhì)油箱、補(bǔ)液泵、溢流閥、超高壓?jiǎn)蜗蜷y等組成。該部分用于在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)充液，將試件內(nèi)空氣排出。壓力脈沖運(yùn)行時(shí)該部分也一直運(yùn)行以彌補(bǔ)管道的泄漏，并在增壓缸回程時(shí)提供油源防止吸空使空氣進(jìn)入，使管道一直保持一定的正壓。

2　閥控非對(duì)稱缸的壓力伺服控制系統(tǒng)建模

42 MPa電液壓力伺服脈沖試驗(yàn)機(jī)壓力伺服系統(tǒng)主要由伺服閥、伺服增壓缸和壓力傳感器組成，本研究采用機(jī)理建模的方法建立了對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱液壓缸壓力伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)液壓缸正反向運(yùn)動(dòng)的不同狀況，推導(dǎo)出了關(guān)于輸入電壓信號(hào)至輸出為試件內(nèi)壓力信號(hào)的傳遞函數(shù)，得到了包含伺服閥特性的壓力伺服控制系統(tǒng)閉環(huán)控制框圖。

閥芯位移xv至試件內(nèi)壓力p4的傳遞函數(shù)為：

(1)

式中,Kh—— 液壓彈簧剛度

ωh—— 液壓固有頻率

ω0—— 綜合固有頻率

ζ0—— 綜合阻尼比

參數(shù)的具體物理意義見(jiàn)表2，壓力伺服系統(tǒng)模型框圖如圖3所示。

3　系統(tǒng)仿真研究

根據(jù)設(shè)備選型及元件參數(shù)，對(duì)稱閥控非對(duì)稱液壓缸壓力伺服控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

當(dāng)輸入信號(hào)為設(shè)定測(cè)試壓力42 MPa、波形頻率2 Hz 的正弦波時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)如圖4所示。

圖4　正弦波響應(yīng)曲線

輸入信號(hào)設(shè)定為工作壓力28 MPa、峰值壓力42 MPa、波形頻率1.25 Hz的水錘波時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)如圖5所示。

圖5　水錘波響應(yīng)曲線

圖3　包含伺服閥特性的試驗(yàn)機(jī)壓力伺服控制系統(tǒng)框圖

表2　壓力伺服控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

從閥控非對(duì)稱缸壓力伺服系統(tǒng)的仿真曲線中可以看出，對(duì)于不同的正弦波、水錘波輸入信號(hào)，都可以實(shí)現(xiàn)跟蹤。采用線性化建模，二種波形對(duì)于跟蹤時(shí)間上滯后約為0.01 s，幅值上基本可以實(shí)現(xiàn)精確跟蹤，系統(tǒng)對(duì)于階躍輸入的上升時(shí)間約為0.017 s，調(diào)整時(shí)間約為0.03 s。

4　重復(fù)控制的壓力伺服系統(tǒng)的研究

重復(fù)控制技術(shù)具有一定的學(xué)習(xí)功能，通過(guò)誤差的逐步補(bǔ)償使得系統(tǒng)的實(shí)際輸出逐步零誤差地跟蹤期望輸入，并且具有對(duì)周期變化的外部干擾信號(hào)加以抑制的能力。重復(fù)控制同時(shí)也具有自身的弱點(diǎn)：由于重復(fù)控制器延遲因子e-Ts具有延時(shí)輸出的作用，系統(tǒng)在第一個(gè)信號(hào)周期中沒(méi)有控制輸出，控制指令在第二個(gè)周期中才得以輸出，如果此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部存在干擾，系統(tǒng)此時(shí)并無(wú)調(diào)節(jié)功能，近似處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，對(duì)于擾動(dòng)的消除也要延遲一個(gè)周期。為了彌補(bǔ)重復(fù)控制的弱點(diǎn)可以利用傳統(tǒng)PID進(jìn)行補(bǔ)償，采用重復(fù)控制和PID復(fù)合控制策略的思想[6]，基于重復(fù)控制補(bǔ)償PID的控制結(jié)構(gòu)[7]如圖6所示。重復(fù)控制用以提高對(duì)周期性輸入信號(hào)的跟蹤精度，在穩(wěn)態(tài)時(shí)起主要作用；而PID可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，在第一個(gè)信號(hào)周期中控制輸出，同時(shí)減小因?yàn)樗矔r(shí)擾動(dòng)造成的跟蹤誤差，在出現(xiàn)較大干擾時(shí)起主要作用。

圖6　基于重復(fù)控制補(bǔ)償PID的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖6所搭建的試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)模型，采用不同類型的輸入信號(hào)進(jìn)行仿真，其系統(tǒng)的響應(yīng)輸出和跟蹤誤差曲線分別如下圖。

輸入信號(hào)為壓力42 MPa、頻率1.25 Hz的水錘波時(shí)的響應(yīng)輸出如圖7所示，誤差曲線如圖8所示。

圖7　水錘波的響應(yīng)曲線

仿真結(jié)果表明，采用復(fù)合控制后系統(tǒng)對(duì)于水錘波響應(yīng)的最大誤差為0.7 MPa，為輸入壓力的1.7%； 對(duì)于梯形波響應(yīng)的最大誤差為0.5 MPa，為輸入壓力的1.2%，遠(yuǎn)低于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所要求的±5%；因此電液伺服壓力脈沖試驗(yàn)機(jī)采用重復(fù)控制補(bǔ)償PID的控制策略，顯著的提高了對(duì)于不同類型波形輸入的跟蹤精度， 與單一采用PID控制相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。且對(duì)于不同類型的輸入波形、壓力、頻率的變化，系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性和較強(qiáng)的魯棒性。由于本仿真實(shí)驗(yàn)中采用的為改進(jìn)型重復(fù)控制結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的一些自學(xué)習(xí)性能和跟蹤精度，并不為理想型的無(wú)靜差反饋系統(tǒng)，因此本實(shí)驗(yàn)的輸出在較短的一段時(shí)間內(nèi)仍存在一定的靜差。

圖8　水錘波響應(yīng)的誤差曲線

5　試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

由于實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間的限制，試驗(yàn)機(jī)調(diào)試實(shí)驗(yàn)采用的控制算法為常規(guī)的PID控制。按照試驗(yàn)機(jī)工作流程，通過(guò)試件工裝將多根飛機(jī)導(dǎo)管固定在分流器上，打開(kāi)補(bǔ)液泵進(jìn)行充液和排氣，然后設(shè)定測(cè)控界面前面板上的試驗(yàn)波形類別、試驗(yàn)壓力、試驗(yàn)頻率、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，調(diào)定液壓系統(tǒng)供油壓力至28 MPa，冷油機(jī)冷卻循環(huán)溫度設(shè)定為40 ℃，采用YH-15號(hào)航空液壓油為工作介質(zhì)，軟管灌注實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為DOT3制動(dòng)液，工控機(jī)采用IPC610L， PLC 采用CP1E-N20DR-A，位移傳感器采用MTL 1-60mmS/A，壓力傳感器采用PAT643-60X，溫度傳感器采用66RNSO6112081130。

點(diǎn)擊開(kāi)始試驗(yàn)后設(shè)備對(duì)于不同的輸入信號(hào)，其中頻率1.25 Hz的水錘波時(shí)的實(shí)際響應(yīng)輸出如圖9所示。

圖9　水錘波的實(shí)際響應(yīng)曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的42 MPa電液伺服壓力脈沖試驗(yàn)機(jī)能夠完成HB 6133、GB/T 7939所要求的測(cè)試任務(wù)，對(duì)于不同類型的輸入信號(hào)，所設(shè)計(jì)的壓力伺服控制系統(tǒng)能夠較好地進(jìn)行壓力伺服控制，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)也能夠滿足試驗(yàn)需求。通過(guò)理論分析和仿真所模擬的曲線能夠真實(shí)復(fù)現(xiàn)實(shí)測(cè)的壓力曲線，說(shuō)明了所建立的閥控非對(duì)稱缸壓力伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是正確的。

6　結(jié)論

(1) 根據(jù)企業(yè)實(shí)際需要和相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)“42 MPa電液伺服壓力脈沖試驗(yàn)機(jī)”，本試驗(yàn)機(jī)可以對(duì)飛機(jī)導(dǎo)管、液壓膠管等進(jìn)行最高試驗(yàn)壓力42 MPa、最高試驗(yàn)頻率2 Hz、最大測(cè)試容積1 L的水錘波、梯形波、正弦波的壓力脈沖試驗(yàn)。

(2) 對(duì)試驗(yàn)機(jī)基于對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱液壓缸的壓力伺服系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)理建模，根據(jù)基本方程推導(dǎo)出了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，對(duì)不同類型的響應(yīng)輸出進(jìn)行了特性分析。仿真結(jié)果表明采用重復(fù)控制補(bǔ)償PID的控制策略，很好地提高了試驗(yàn)機(jī)的壓力跟蹤精度，可將控制誤差縮減至0.6%，且對(duì)于不同類型的波形、壓力、頻率的變化，系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性和較強(qiáng)的魯棒性。

(3) 設(shè)計(jì)了試驗(yàn)機(jī)上位機(jī)為基于LabVIEW虛擬儀器和下位機(jī)為PLC的測(cè)控系統(tǒng)，試驗(yàn)機(jī)安裝調(diào)試后，對(duì)輸入不同類型波形的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的要求，驗(yàn)證了閥控非對(duì)稱缸壓力伺服控制系統(tǒng)建模的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王元，王耘,宋小文,齊放,夏立峰.疲勞性能脈沖實(shí)驗(yàn)臺(tái)模糊PID控制器的研究與設(shè)計(jì)[J].輕工機(jī)械，2008,26(6):76-79.

[2]具大源，胡樹(shù)根，王耘，宋小文，齊放.基于重復(fù)控制的疲勞脈沖試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2012,40(9):92-93，97.

[3]張福波，王貴橋.電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)波形幅值的模糊補(bǔ)償[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2008,28(2):96-99.

[4]王雙,鄧乾坤,張斌.高壓伺服控制脈沖試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓氣動(dòng)與密封,2012,(9):21-23.

[5]戴東華.液壓缸的密封問(wèn)題及改進(jìn)[J].液壓與氣動(dòng),1999(4):11-12.

[6]詹習(xí)生,張先鶴.重復(fù)補(bǔ)償PID控制在交流伺服系統(tǒng)中應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng),2009,39(10):55-58.

[7]馬亞麗,靳寶全,程珩.重復(fù)控制補(bǔ)償?shù)腜ID電液伺服位置控制[J].流體傳動(dòng)與控制,2010,(2):30-33.

[8]彭勇剛,韋巍.重復(fù)控制在機(jī)械手位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2006，(10)：147-148.