液壓驅動元件同步閉環(huán)控制仿真研究

液壓驅動元件同步閉環(huán)控制仿真研究

所謂協(xié)調系統(tǒng)是實現(xiàn)不同位移、相同強度或相同速度的能源回路。1液壓閉環(huán)同步控制回路盡管目前液壓同步系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方式多種多樣,但實際上,實現(xiàn)液壓同步驅動主要是開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種基本形式。常用的開環(huán)同步回路隨著工程應用技術的發(fā)展,對同步系統(tǒng)的精度要求越來越高,工程機械中液壓同步系統(tǒng)大多均采用閉環(huán)同步控制方式實現(xiàn)同步運動,從而達到高精度的要求。液壓同步閉環(huán)控制回路是對輸出量進行檢測、反饋,從而構成反饋閉環(huán)控制,實現(xiàn)自動控制和機電液一體化。目前,常用的閉環(huán)同步控制回路有:(1)電液伺服閥組成的液壓閉環(huán)同步控制回路,如圖1,回路具有高的響應速度和同步精度,但這種閥結構復雜、造價高且抗污染能力差,所以使它的廣泛應用受到很大的限制。(2)電液比例閥組成的液壓閉環(huán)同步控制回路,如圖2,回路具有較高的同步精度、造價較低、抗污染能力強、性能良好。但電液比例控制系統(tǒng)易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)和死區(qū)范圍較大,且與開關控制相比,其技術實現(xiàn)較復雜,尤其是比例閥的驅動放大電路非常復雜。(3)數(shù)字控制閥組成的液壓閉環(huán)同步控制回路,該類閥是近年逐漸發(fā)展起來的新型機電液一體化控制元件,它的最大特點就是可直接與計算機接口,不需A/D轉換,該類閥也具有高的抗污染能力并且內泄漏小。因此,它組成的液壓同步控制系統(tǒng)控制方便、可靠性高、重復精度高、結構簡單,且易于實現(xiàn)計算機直接控制。而在液壓同步閉環(huán)控制中,提高控制精度和響應速度,克服滯后性仍是高精度液壓工程機械中需要解決的問題。基于以上分析,設計了以高速開關閥為先導閥控制錐閥來實現(xiàn)大流量、高精度、高響應同步閉環(huán)控制系統(tǒng)。其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。系統(tǒng)采用的脈寬調制式(PWM)高速開關閥價格低、抗污染能力強、工作可靠、重復精度高、成批產品的性能一致性好。但由于高速開關閥本身結構限制而允許通過的最大流量較小,因此不能應用于大流量控制系統(tǒng)1.1控制機構工作原理系統(tǒng)采用的是貴州紅林機械廠研制生產的高速螺線管式電磁閥———HSV系列二位二通高速開關閥。其結構如圖4所示,其工作原理如下:當控制系統(tǒng)發(fā)出PWM信號是線圈通電時,銜鐵1產生的電磁推力通過頂桿5使球閥6向右運動,供油球閥6最終緊靠在供油球閥的密封座面上,使供油口與控制口斷開,控制口沒有液壓油輸出。當線圈斷電時,供油球閥6在供油口和控制口壓差的作用下向左運動,使供油球閥6打開,控制口有液壓油輸出。1.3活塞桿縮回和同步模式如圖3所示,圖中9為主動缸,10為從動缸。主動缸的運動位移由安裝在活塞桿上的位移傳感器11測出。相應地,從動缸的運動位移由位移傳感器12測出。系統(tǒng)基本的工作原理是:以高速開關閥為先導閥,控制邏輯錐閥實現(xiàn)大流量的比例控制。具體的工作過程表述如下;當換向閥3和4通電工作在左側狀態(tài)時,單片機AT89S52產生用于控制高速開關閥的PWM信號。當高速開關閥開啟時,錐閥控制腔油壓下降使錐閥開啟,油缸有桿腔泄油,兩缸同時向右運動,即活塞桿伸出。反之,錐閥關閉,油缸有桿腔不泄油。當兩缸在運動中不同步時,由兩位移傳感器分別測量兩缸的位移值并通過ADC0809轉換成數(shù)字信號輸入到單片機AT89S52中,通過比較和計算后輸出相應的調制率值的PWM控制信號,從而改變通過錐閥的流量,進而得到缸的不同運動速度,以達到兩缸同步。此處,輸出PWM控制信號有兩種工作方式:一是隨動控制輸出方式以主動缸的運動位移為基準,從動缸跟隨主動缸運動并以兩缸的位移差作為高速開關閥的輸入信號。即單片機AT89S52的輸出信號用于調節(jié)高速開關閥8的調制率從而改變從動缸中的流量的大小以達到加快或減慢從動缸運動速度的目的,并同時保持高速開關閥7的調制率不變以使主動缸的運動速度不變。如當從動缸的位移小于主動缸的位移時,通過單片機調大高速開關閥8的調制率以增大通過錐閥6的流量,從而使從動缸加快運行以達到與主動缸同步。反之,減小高速開關閥8的調制率以減慢從動缸的運行速度。二是差動控制輸出方式,即單片機輸出信號同時調節(jié)高速開關閥7和8的調制率從而同時改變兩缸的運動速度。如當從動缸的位移小于主動缸的位移時,通過單片機調大高速開關閥8的調制率并減小高速開關閥7的調制率。則主動缸減慢其運行速度而從動缸加快其運行速度以共同實現(xiàn)同步。其同步響應速度比第一種要快?；钊麠U縮回時原理一樣。系統(tǒng)中SSR的作用是放大單片機輸出的微弱電壓信號以驅動高速開關閥。2動態(tài)調制率d的影響應用MATLAB/simulink對系統(tǒng)進行動態(tài)仿真。使用simulink仿真首先需要搭建仿真模型,而搭建仿真模型得基于系統(tǒng)的數(shù)學模型。根據(jù)系統(tǒng)工作原理可得到主動缸數(shù)學模型結構原理如圖6所示。為簡化模型不考慮系統(tǒng)泄漏、壓力損失及換向閥對系統(tǒng)的影響。根據(jù)該模型可建立主動缸中調制率D與液壓缸位移y或速度v之間的仿真模型,如圖7所示;以及以調制率D為輸入量,Q從圖9可以看出調制率D越大,在相同的響應時間內,液壓缸活塞桿的速度越快,位移越大。因此,通過調節(jié)調制率D的大小可以實現(xiàn)對液壓缸活塞桿的速度和位移的調節(jié)。在不同調制率下的響應時間基本相同,為0.25s。也就是說調制率對系統(tǒng)的響應時間影響不大。但調制率對系統(tǒng)的超調量有一定的影響,從圖9a中可以看出調制率越大,超調量就越大。當調制率D為0.2時的最大超調量為5%;當調制率D為0.9時的最大超調量為7.5%。由此可知系統(tǒng)響應快和超調量小。假定系統(tǒng)中主回路和跟隨回路對應的閥和缸的主要參數(shù)相等,由于同步系統(tǒng)的誤差受負載不平衡的影響比較大,在此通過設置其兩缸所受負載不平衡來觀察系統(tǒng)中兩缸在負載不平衡的情況下的同步誤差情況,設主動缸承受負載8000kg,從動缸承受負載12000kg時,在調制率D為0.5時,可得到系統(tǒng)的速度響應曲線及位移誤差曲線如圖10所示。圖10a中v3數(shù)字仿真可行性分析該液壓舉升機構同步控制系統(tǒng)由于采用了以高速開關閥為先導閥控制錐閥的技術策略,具有以下幾個特點:(1)對高速開關閥控錐閥實現(xiàn)同步控制的液壓系統(tǒng)建立其數(shù)學模型,并通過數(shù)字仿真可知系統(tǒng)同步控制方案是可行的。(2)由于高速開關閥閥芯行程很小,因而能以很高的響應速度跟蹤控制信號,便于單片機進行實時控制。(3)系統(tǒng)結構簡單、成本低、抗污染能力強、工作穩(wěn)定可靠、能耗低。(4)以高速開關閥為先導閥控制錐閥可進行大流量的比例控制,以實現(xiàn)系統(tǒng)的大范圍調速,并能滿足大型機械臂對功率的要求。(5)高速