沈先坤，劉倚欣

（航空工業(yè)南京機(jī)電，江蘇 南京 210011）

0 引言

工業(yè)上常采用電驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)等方式控制兩液壓缸同步運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一控制對(duì)象的位置驅(qū)動(dòng)[1-4]。若同步性能不佳，將產(chǎn)生較大位置紛爭，會(huì)對(duì)作用對(duì)象產(chǎn)生形變，嚴(yán)重的甚至?xí)⒆饔脤?duì)象撕裂。相比于電驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)帶載能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，適用于大功率場合[5]。

液壓驅(qū)動(dòng)主要形式有同步閥作動(dòng)方案和伺服作動(dòng)控制方案。同步閥作動(dòng)方案是采用分流集流閥（又稱同步閥），通過壓差機(jī)械反饋實(shí)現(xiàn)流量的均衡分配，達(dá)到兩作動(dòng)筒的位置輸出。同步閥對(duì)液壓元件的加工精度要求較高，存在一定的局限性。伺服作動(dòng)方案采用伺服位置閉環(huán)實(shí)現(xiàn)兩作動(dòng)筒的位置輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙缸的同步運(yùn)動(dòng)控制。目前伺服作動(dòng)系統(tǒng)通常采用單余度設(shè)計(jì)方案[6]，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)一次關(guān)鍵故障時(shí)，系統(tǒng)將失去作動(dòng)功能，同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失控，造成重大事故。對(duì)于具有高可靠性需求的應(yīng)用場合，需要高可靠性的雙缸同步作動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具備一次故障失效或一次故障安全的能力。本文針對(duì)高任務(wù)可靠性的雙缸同步作動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)需求，設(shè)計(jì)一套具有主/備工作模式雙缸同步作動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的可靠性、安全性以及同步性能可滿足使用要求。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

雙余度雙缸同步作動(dòng)系統(tǒng)由雙余度伺服控制器、雙余度電液伺服閥、液壓缸、反饋傳感器等部件構(gòu)成，其構(gòu)成框圖如圖1 所示。

圖1 雙余度雙缸同步作動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電液伺服閥設(shè)計(jì)

電液伺服閥結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。該電液伺服閥具備主/備工作模態(tài)，主通道優(yōu)先工作。當(dāng)主通道工作時(shí)，主通道電磁閥1接通，模式閥3 處于工作模態(tài)，換向閥2 接收電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行配流輸出，驅(qū)動(dòng)液壓缸7 運(yùn)動(dòng)；當(dāng)主通道失效時(shí)，切斷電磁閥1，模式閥3 切換工位，接通備份通道電磁閥2，模式閥6 進(jìn)入工作模態(tài)，換向閥5 接收電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行配流輸出，繼續(xù)驅(qū)動(dòng)液壓缸7 運(yùn)動(dòng)，當(dāng)主通道和備份通道電磁閥全部切斷時(shí)，液壓缸兩腔通過節(jié)流閥溝通，具備阻尼隨動(dòng)。

圖2 電液伺服閥結(jié)構(gòu)組成

2.2 控制器設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)雙余度控制系統(tǒng)功能，控制器采用雙余度設(shè)計(jì)方案，如圖3 所示，兩塊伺服控制模塊A/B 同時(shí)與指令系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)交聯(lián)，兩塊伺服控制模板硬件一致，可互換，主要功能包括接收外部供電進(jìn)行二次電源轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳感器提供激磁電源、傳感器信號(hào)解調(diào)、CCDL、伺服計(jì)算、功率驅(qū)動(dòng)、BIT 檢測、故障綜合。伺服控制模塊A/B 采用主/備工作模式，伺服控制模塊通過采集底板預(yù)設(shè)通道號(hào)確認(rèn)自身主/備工作模式。

2.3 控制算法

為達(dá)到位置同步控制效果，進(jìn)一步抑制位置紛爭，本項(xiàng)目在PID 控制的基礎(chǔ)上采用了主從同步位置跟蹤與主動(dòng)通道變?cè)鲆嫦嘟Y(jié)合的控制方法，控制原理如圖3 所示。主動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制通道和同步跟隨控制通道分別控制作動(dòng)筒A 和作動(dòng)筒B，兩個(gè)控制同時(shí)接受位置控制指令，與作動(dòng)筒位置信號(hào)進(jìn)行綜合求差，經(jīng)伺服計(jì)算驅(qū)動(dòng)伺服閥配流，控制作動(dòng)筒A/B 運(yùn)動(dòng)。同步跟隨通道與主動(dòng)運(yùn)動(dòng)通道之間的位置差引入控制通道。跟隨誤差經(jīng)跟隨增益放大后對(duì)同步跟隨控制通道的控制信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)輸出，保證同步跟隨通道與主動(dòng)運(yùn)動(dòng)通道位置強(qiáng)跟隨；主動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制通道根據(jù)跟隨誤差及時(shí)調(diào)整增益，通過有限范圍內(nèi)的主動(dòng)降速進(jìn)一步提高位置同步性能，如圖4 所示。

圖3 雙余度控制器功能原理框

圖4 雙缸同步算法原理

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件基于DSP 硬件平臺(tái)進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)，整個(gè)系統(tǒng)軟件的控制流程為串行方式，當(dāng)執(zhí)行完前一個(gè)任務(wù)后，才會(huì)執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)?？刂屏鞒倘鐖D5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件控制流程

系統(tǒng)軟件主要包含功能模塊如下。

（1）上電初始化。

系統(tǒng)成功上電后，軟件對(duì)處理器寄存器、軟硬件接口進(jìn)行初始化，讀取板卡ID 號(hào)，確認(rèn)本伺服控制模塊為主控通道或備份通道。

（2）上電BIT。

系統(tǒng)完成上電初始化后，進(jìn)行上電自檢測，對(duì)處理器、電源、存儲(chǔ)器等伺服控制模塊硬件的電氣資源進(jìn)行狀態(tài)檢測。

（3）指令解析。

進(jìn)入周期任務(wù)后，對(duì)指令系統(tǒng)發(fā)送的指令數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。

（4）傳感器信號(hào)采集。

對(duì)作動(dòng)筒位置傳感器、閥芯位置傳感器、閥驅(qū)動(dòng)電流等反饋信號(hào)進(jìn)行周期采集。

（5）CCDL。

將本伺服控制模塊的狀態(tài)信息發(fā)送給另一個(gè)伺服控制模塊，同時(shí)接收來自另一伺服控制模塊的信息。

（6）BIT 檢測。

在周期任務(wù)中周期執(zhí)行自檢測，測試對(duì)象包括伺服控制模塊硬件的電氣資源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型及其反饋傳感器信號(hào)。

（7）余度管理。

將本通道采集獲取和CCDL 互傳的兩余度指令和傳感器信號(hào)進(jìn)行余度表決輸出。

（8）故障處理。

當(dāng)主控制通道檢測到影響伺服控制的關(guān)鍵故障時(shí)，主控制通道切除本通道的驅(qū)動(dòng)輸出，同時(shí)將本通道的故障處理結(jié)果通過CCDL 發(fā)送至備份控制通道。當(dāng)備份控制通道接收到主控通道發(fā)送的模式切換信號(hào)且本通道狀態(tài)正常，則立即接通伺服，接替主控制通道繼續(xù)執(zhí)行同步位置控制。

（9）伺服計(jì)算。

運(yùn)行同步控制算法，計(jì)算伺服閥驅(qū)動(dòng)指令。

（10）驅(qū)動(dòng)輸出。

更加伺服計(jì)算結(jié)果，控制硬件驅(qū)動(dòng)接口；根據(jù)故障處理結(jié)果，打開或關(guān)閉本通道驅(qū)動(dòng)輸出。

（11）信息上傳。

將通道狀態(tài)信息周期上傳至指令系統(tǒng)。

3 仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，在AMEsim 環(huán)境下創(chuàng)建系統(tǒng)仿真模型。模型由主控制通道和備份控制通道構(gòu)成雙余度主-備控制架構(gòu)，可通過時(shí)序控制實(shí)現(xiàn)由主控通道向備控通道的進(jìn)行切換。

仿真過程主要針對(duì)系統(tǒng)主/備通道切換及其位置同步功能進(jìn)行可行性驗(yàn)證，仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下。

（1）對(duì)跟隨通道增加負(fù)載，驗(yàn)證同步方案在負(fù)載下的雙缸同步特性。

（2）在雙缸同步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行主/備狀態(tài)切換，驗(yàn)證系統(tǒng)通道切換功能。

如圖6 所示，對(duì)跟隨通道施加負(fù)載后，主動(dòng)通道通過變?cè)鲆孢M(jìn)行了自動(dòng)降速，對(duì)末端同步誤差控制增強(qiáng)，最大同步誤差由0.5mm 降至0.32mm。

圖6 加載同步特性曲線

在主動(dòng)通道與跟隨通道設(shè)置6ms 通道異步度，如圖7 所示，在第1s 時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下完成主/備通道切換，同步方案具有較好的瞬態(tài)抑制效果，切換過程產(chǎn)生的瞬態(tài)跳動(dòng)為0.2mm。

圖7 模式切換特性曲線

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)方案的可行性，用兩臺(tái)額定流量為7L/min 的電液控制閥、兩臺(tái)行程為101mm 的作動(dòng)筒和一臺(tái)伺服控制器搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示，系統(tǒng)響應(yīng)階躍指令進(jìn)行全行程運(yùn)動(dòng)，雙缸同步運(yùn)動(dòng)，全行程運(yùn)動(dòng)過程中最大跟隨誤差0.4mm，跟隨誤差變化幅度0.8mm，最大跟隨誤差為作動(dòng)缸全行程的0.39%。

圖8 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種具備主/備工作模式的雙余度雙缸同步作動(dòng)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的雙缸同步系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有一次故障工作的能力，具備較高的任務(wù)可靠性。同時(shí)對(duì)控制算法進(jìn)行了優(yōu)化，采用了主從跟蹤與變?cè)鲆嫦嘟Y(jié)合的控制策略，對(duì)位置同步性能進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該雙缸同步系統(tǒng)控制策略正確可行，且具備較好的位置同步精度，可適用于對(duì)可靠性要求較高的應(yīng)用場合。