龔國(guó)芹

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心,廣東 廣州 511363）

1 引言

隨著航天航空技術(shù)和現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)等的發(fā)展，各類金屬加工設(shè)備、冶金機(jī)械、工程機(jī)械及航天與航空驅(qū)動(dòng)裝置等對(duì)高精度的同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的需要也愈加迫切。與其他同步驅(qū)動(dòng)方式相比，液壓同步驅(qū)動(dòng)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組成方便、易于控制和適宜大功率場(chǎng)合等特點(diǎn)，在所有同步驅(qū)動(dòng)方式中占據(jù)了非常重要的地位。

實(shí)現(xiàn)液壓同步主要有開(kāi)環(huán)同步控制回路和閉環(huán)同步控制回路兩種基本形式。常用的開(kāi)環(huán)同步控制回路有機(jī)械剛性同步回路、流量控制閥同步回路、串聯(lián)缸同步回路、同步缸同步回路、并聯(lián)馬達(dá)或并聯(lián)泵同步回路[1]。開(kāi)環(huán)同步控制回路完全靠液壓控制元件（如同步閥、節(jié)流閥或調(diào)速閥）自身的精度來(lái)控制執(zhí)行元件的同步，而不對(duì)執(zhí)行元件的輸出進(jìn)行檢測(cè)與反饋，因此抗干擾能力較差[1]。

閉環(huán)同步控制回路通過(guò)對(duì)執(zhí)行元件的輸出進(jìn)行檢測(cè)和反饋來(lái)構(gòu)成閉環(huán)控制，在很大程度上能消除或抑制不利因素的影響，具有較高的同步精度。特別是隨著現(xiàn)代控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，該種控制形式在需要高精度液壓同步驅(qū)動(dòng)的各類主機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

在控制元件上，一般通過(guò)泵控或閥控的方式實(shí)現(xiàn)，目的都是通過(guò)對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步。泵控即通過(guò)改變泵的排量實(shí)現(xiàn)同步，閥控則通過(guò)對(duì)閥的控制對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步，閥控方式中控制閥主要有電液伺服閥、電液比例閥、數(shù)字控制閥、節(jié)流閥、壓力補(bǔ)償閥等。

IC分類號(hào)F15B11/22為兩個(gè)或多個(gè)伺服馬達(dá)的同步，對(duì)該分類號(hào)下的專利情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果對(duì)明確液壓同步驅(qū)動(dòng)回路的專利發(fā)展情況具有一定的參考意義[2]。

2 液壓同步驅(qū)動(dòng)回路常見(jiàn)檢測(cè)參數(shù)

隨著現(xiàn)代控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的控制方式應(yīng)用到液壓同步控制中，檢測(cè)參數(shù)也是多種多樣，有利用多個(gè)缸之間的位移差進(jìn)行同步控制，也有根據(jù)壓力、速度或到位時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行控制。例如專利CN201922500752.5在頂升油缸15的柱塞上設(shè)置位移編碼器，位移信號(hào)傳送到控制中心，控制中心采用同步控制實(shí)現(xiàn)多個(gè)頂升油缸的同步運(yùn)動(dòng)[3]。專利CN202021479497.7則根據(jù)兩個(gè)伸縮缸的有桿腔出現(xiàn)液壓差或者兩個(gè)伸縮缸21的無(wú)桿腔出現(xiàn)液壓差，通過(guò)平衡液路的連通實(shí)現(xiàn)同步伸出或縮回動(dòng)作[4]。專利CN202011064563.9采集傳感器位移及壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)根據(jù)位移及壓力數(shù)據(jù)確定多個(gè)液壓油缸同時(shí)伸出/收回時(shí)，即采用多種參數(shù)的檢測(cè)手段進(jìn)行同步判斷[5]。專利CN201410319584.9液壓伺服系統(tǒng)的液壓缸反饋信號(hào)直接作用在數(shù)字液壓閥上，而不是反饋到控制器，控制器以相同的脈沖頻率給每套上述液壓伺服系統(tǒng)的指令電機(jī)發(fā)送相同數(shù)量的脈沖，實(shí)現(xiàn)同步控制[6]。專利CN202010292946.5檢測(cè)組件用于檢測(cè)動(dòng)臂油缸的活塞桿是否運(yùn)動(dòng)至最高位，并將檢測(cè)信號(hào)傳送至控制器，控制器用于根據(jù)檢測(cè)信號(hào)控制供油組件對(duì)回轉(zhuǎn)馬達(dá)的供油量[7]。專利CN201921665171.0通過(guò)閘門(mén)開(kāi)度儀與控制系統(tǒng)電性連接，用于檢測(cè)閘門(mén)兩側(cè)的開(kāi)度差并傳送至控制系統(tǒng)進(jìn)行同步控制[8]。專利CN201911257632.5實(shí)時(shí)獲取主油缸的當(dāng)前運(yùn)行速度，生成主油缸的當(dāng)前速度曲線，并將當(dāng)前速度曲線與設(shè)定速度曲線對(duì)比，以調(diào)整主油缸的當(dāng)前運(yùn)行速度，令所述主油缸按照設(shè)定速度曲線運(yùn)行[9]。專利CN201610788025.1通過(guò)主液壓缸用于接收所述可編程控制器傳送的控制參數(shù)，并依據(jù)所述控制參數(shù)控制推動(dòng)執(zhí)行元件動(dòng)作；從液壓缸用于根據(jù)第一液位傳感器和第二液位傳感器的液位差，執(zhí)行與所述主液壓缸推動(dòng)動(dòng)作相配合的從動(dòng)動(dòng)作，與所述主液壓缸同步推動(dòng)執(zhí)行元件[10]。

3 液壓同步驅(qū)動(dòng)回路同步控制手段

專利申請(qǐng)中涉及液壓同步驅(qū)動(dòng)回路的改進(jìn)主要體現(xiàn)在閥控、泵控以及控制算法等方面。以下就各種控制手段進(jìn)行介紹和分析。

3.1 閥控和泵控

閥控和泵控方式實(shí)現(xiàn)同步屬于液壓同步領(lǐng)域常見(jiàn)的控制手段，泵控即通過(guò)改變泵的排量實(shí)現(xiàn)同步，閥控則通過(guò)對(duì)閥的控制對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步。目前國(guó)內(nèi)大量的專利申請(qǐng)也在這兩個(gè)方面提出了新的構(gòu)思。

專利CN202011396559.2通過(guò)伺服變量泵實(shí)現(xiàn)初步同步，通過(guò)補(bǔ)油高頻響伺服閥實(shí)現(xiàn)拉伸缸高精度同步拉伸，即采用伺服變量泵+補(bǔ)油高頻響伺服閥兩種手段進(jìn)行同步控制[11]；專利CN202011309396.X采用帶閥芯位置反饋的“比例換向閥+進(jìn)口壓力補(bǔ)償器+平衡閥+壓力開(kāi)關(guān)”的組合，與油缸共同形成液壓控制回路[12]；專利CN202011064563.9通過(guò)通斷電磁閥進(jìn)行同步控制；專利CN202011256902.3基于與至少兩個(gè)配重油缸呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的電磁換向閥控制至少兩個(gè)配重油缸各自對(duì)應(yīng)的配重介質(zhì)狀態(tài)，基于與至少兩個(gè)配重油缸呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的壓力補(bǔ)償閥調(diào)整至少兩個(gè)配重油缸各自對(duì)應(yīng)的配重介質(zhì)的流動(dòng)流量，以保證至少兩個(gè)配重油缸呈同步關(guān)系[13]；專利CN202011210663.8通過(guò)調(diào)整流量調(diào)節(jié)閥2的閥芯運(yùn)動(dòng)方向從而改變兩個(gè)閥芯出口的流通面積進(jìn)而進(jìn)行同步控制[14]；專利CN202021749359.6在第一伸縮油缸1的第二油路和第二伸縮油缸2的第二油路上共同通過(guò)同步閥9，并且在同步閥9的進(jìn)油端設(shè)置分流馬達(dá)10對(duì)通過(guò)同步閥9進(jìn)入第一伸縮油缸1和第二伸縮油缸2的液壓油流量進(jìn)行均勻分配，即通過(guò)“分流馬達(dá)+設(shè)計(jì)的集成閥塊”的形式進(jìn)行同步控制[15]；專利CN202021546789.8通過(guò)設(shè)置平衡閥與背壓閥，從多方面共同穩(wěn)定液壓系統(tǒng)，降低抖動(dòng)情況，提高了同步精度[16]；專利CN201920879850.1在液控先導(dǎo)手柄與工作閥之間增加梭閥橋路進(jìn)行管路連接，將先導(dǎo)壓力分別連通至工作閥兩聯(lián)鏟刀升降主閥芯的相應(yīng)先導(dǎo)油口，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)鏟刀升降油缸的同步動(dòng)作或者差動(dòng)動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鏟刀的提升、下降、左傾及右傾[17]。

可見(jiàn)，雖然閥控和泵控是常見(jiàn)的同步控制手段，但在具體的方案上卻有各種各樣的實(shí)施方式，閥的具體種類也是多種多樣的，除了常見(jiàn)的伺服閥、比例閥外，還可以通過(guò)壓力補(bǔ)償閥、流量調(diào)節(jié)閥、同步閥、平衡閥、背壓閥、梭閥以及特殊設(shè)計(jì)的閥塊實(shí)現(xiàn)同步。

3.2 控制算法改進(jìn)

在液壓同步控制中，也有通過(guò)控制算法的改進(jìn)提高同步控制精度，一般常采用PID算法進(jìn)行控制，例如專利CN200910190950.4根據(jù)液壓缸的實(shí)際位置值PV計(jì)算出PID設(shè)定值SP，根據(jù)SP及PV使用PID算法得到比例閥的開(kāi)度設(shè)定值，比例閥閥芯按此值做移動(dòng)，并引起液壓缸的運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行同步控制[18]。

但越來(lái)越多的同步控制回路則在傳統(tǒng)PID算法上進(jìn)行了改進(jìn)。例如專利CN201810432359.4通過(guò)建立糾偏規(guī)律的傳遞函數(shù)，通過(guò)齒輪齒條組件對(duì)隨動(dòng)閥芯產(chǎn)生偏差位移，通過(guò)隨動(dòng)閥芯的位移來(lái)改變一號(hào)出油口與二號(hào)出油口的閥口節(jié)流面積，進(jìn)而改變進(jìn)入一號(hào)液壓缸與二號(hào)液壓缸的流量，最終使得兩個(gè)液壓缸的位移大小相同[19]。專利CN201110419659.7運(yùn)用了HNC數(shù)字閉環(huán)控制器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且參數(shù)化、模塊化、算法簡(jiǎn)單好用，從而降低了調(diào)試難度[20]。專利CN201610431647.9從同步運(yùn)動(dòng)控制角度出發(fā)，針對(duì)多液壓缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各通道間的耦合效應(yīng)，將偏差耦合控制方法引入其中，弱化各通道間的耦合關(guān)系，以獲得較好的同步穩(wěn)定性[21]。專利CN201610990223.6通過(guò)運(yùn)行中對(duì)傳感器檢測(cè)到的兩油缸當(dāng)前位置或輸出力相減，作為第三個(gè)PID控制器的給定輸入，并將該第三個(gè)PID控制器的輸出作用到每個(gè)油缸關(guān)于時(shí)間的函數(shù)的輸入上，有效提高了油缸定位同步精度或輸出力同步精度[22]。專利CN201710242463.2利用由工控機(jī)控制的兩個(gè)比例伺服閥分別控制步進(jìn)冷床的兩個(gè)橫移液壓缸，每個(gè)橫移液壓缸活塞桿的位移反饋信號(hào)的差值經(jīng)一個(gè)比例調(diào)節(jié)器處理后疊加到工控機(jī)輸出的對(duì)應(yīng)比例伺服閥的控制信號(hào)上，形成模擬閉環(huán)回路，反饋信號(hào)的差值由工控機(jī)進(jìn)行PD算法處理后疊加到下一個(gè)輸出控制量中，形成數(shù)字閉環(huán)回路，在數(shù)字閉環(huán)回路中，采用PID學(xué)習(xí)迭代算法將兩個(gè)橫移液壓缸的同步誤差調(diào)節(jié)到理想范圍之內(nèi)[23]。專利CN202011116772.3考慮了液壓缸推動(dòng)水平輥時(shí)多柔度因素對(duì)系統(tǒng)的影響，將兩反饋信號(hào)進(jìn)行相加除以二，再分別與各自的反饋信號(hào)相比較，平均值大于反饋信號(hào)的數(shù)值將以負(fù)數(shù)形式反饋回伺服閥，降低相應(yīng)活塞桿位置；平均值小于反饋信號(hào)的數(shù)值將以正數(shù)形式反饋回伺服閥，升高相應(yīng)活塞桿位置，采用這種同步補(bǔ)償方式，快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)雙缸同步運(yùn)動(dòng)[24]。專利CN202011406404.2提供一種多液壓缸耦合同步控制系統(tǒng)，包括多個(gè)液壓位置伺服鏈路，每個(gè)所述液壓位置伺服鏈路用于控制一個(gè)垂蕩液壓缸的動(dòng)作；其中，每?jī)蓚€(gè)所述液壓位置伺服鏈路耦合，以實(shí)現(xiàn)每?jī)蓚€(gè)所述液壓位置伺服鏈路同步控制。該專利提供的多液壓缸耦合同步控制系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置多個(gè)液壓位置伺服鏈路，并使其兩兩耦合，保證了兩個(gè)垂蕩液壓缸同步控制，克服了相位滯后，提高了液壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證了多液壓缸的同步控制精度[25]。專利CN201721532975.4運(yùn)用了平衡閥、單向節(jié)流閥及液控單向閥，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定保壓和調(diào)速功能，避免了柱塞缸的有桿腔與無(wú)桿腔產(chǎn)生非線性時(shí)變；同時(shí)在Z型函數(shù)的模糊PID算法的控制下，該油路又實(shí)現(xiàn)了四柱塞缸高精度同步驅(qū)動(dòng)[26]。專利CN202020326775.9通過(guò)構(gòu)建液壓爬模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬爬模機(jī)同步頂升的實(shí)際工況，采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、分布式控制策略，提高液壓爬模機(jī)的同步精度，延長(zhǎng)爬模機(jī)行程，提高爬模效率，減少油液泄漏[27]。專利CN201610568846.4采用粗調(diào)和精調(diào)雙重結(jié)合，進(jìn)行閉環(huán)控制，在動(dòng)作過(guò)程中能自動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償糾差，不僅提高了調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)度，且調(diào)節(jié)更加快速；降低了液壓系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的超調(diào)量和工作過(guò)渡過(guò)程中慣性的影響，增加了系統(tǒng)的可靠性[28]。

可見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)大量的液壓同步驅(qū)動(dòng)回路的專利在控制算法上做出了改進(jìn)，控制算法不再局限于傳統(tǒng)的PD或PID控制方式，引入特殊函數(shù)或特殊的控制邏輯成為目前研究的新方向。

3.3 特殊回路設(shè)計(jì)及其他方式

在傳統(tǒng)同步控制手段的基礎(chǔ)上，越來(lái)越多的同步控制回路還提出了新的構(gòu)思，比如通過(guò)多種控制手段的結(jié)合、特殊的油路結(jié)構(gòu)、特殊的機(jī)械同步結(jié)構(gòu)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如專利CN202010723654.2振動(dòng)臺(tái)面通過(guò)偏心塊的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)，偏心塊的轉(zhuǎn)軸通過(guò)雙缸驅(qū)動(dòng)齒輪齒條帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，雙缸之間通過(guò)能量交換器實(shí)現(xiàn)自反饋同步[29]。專利CN201920265214.X的儲(chǔ)油箱可以通過(guò)第一液壓油缸和第三液壓油缸分別向第二液壓油缸的兩個(gè)腔室內(nèi)補(bǔ)油，并通過(guò)第一液壓油缸和第三液壓油缸的同步作用自動(dòng)校準(zhǔn)第二液壓油缸，避免人工補(bǔ)油校準(zhǔn)[30]。專利CN201821692819.9當(dāng)氣缸驅(qū)動(dòng)時(shí)，氣缸帶動(dòng)氣缸連接頭、第三鉸鏈銷向前進(jìn)，從而驅(qū)使關(guān)聯(lián)連板繞著中心軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)關(guān)聯(lián)連板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，就能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)第一連桿和第二連桿動(dòng)作，至此，完成同步執(zhí)行的目的[31]。專利CN201821666240.5通過(guò)改變第一油缸21與第二油缸22的連接方式，并且設(shè)定第一油缸21的有桿腔和無(wú)桿腔、第二油缸22的有桿腔和無(wú)桿腔的受壓面積，來(lái)確保第一油缸21和第二油缸22同步動(dòng)作[32]。專利CN201820223040.6通過(guò)多個(gè)液壓缸由同一臺(tái)液壓泵供油，再分別通過(guò)橋式整流調(diào)速器在進(jìn)油、回油時(shí)進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，保證了不同液壓缸動(dòng)作速度的一致性，實(shí)現(xiàn)各個(gè)液壓缸同步啟動(dòng)、運(yùn)行和停止[33]。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)液壓同步驅(qū)動(dòng)回路的部分專利文獻(xiàn)進(jìn)行分析可知，越來(lái)越多的同步控制回路在傳統(tǒng)同步控制手段的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改型，比如檢測(cè)參數(shù)的改變或者控制手段的改進(jìn)。同步控制思路也是多種多樣，大多數(shù)專利文獻(xiàn)的研究方向主要在控制思路以及回路設(shè)計(jì)上?？梢?jiàn)，控制算法以及特殊回路設(shè)計(jì)已成為液壓同步驅(qū)動(dòng)回路的主要研究方向。