析廣義脈碼調制閥控制非對稱缸動力特性|最新資料
研究了一種廣義脈碼調制控制的非對稱數(shù)字閥，利用不同編碼方式可實現(xiàn)閥正反向節(jié)流面積比率可調，同一個閥能適應兩作用腔面積比不同的非對稱缸控制要求。提出了廣義脈碼調制編碼的一般原則，與實驗相結合，研究了該系統(tǒng)的控制策略及控制方法，得出一種對廣義脈碼調制液壓位置伺服系統(tǒng)有效的控制方法。引言
非對稱液壓缸在液壓位置／力伺服系統(tǒng)中廣泛使用。由于缸兩腔的作用面積不等，在正反方向上的速度特性及動態(tài)特性不同，導致系統(tǒng)正反方向上的動靜態(tài)特性存在差異。非對稱閥控制非對稱缸可有效降低換向時的壓力突變及動靜態(tài)性能的不對稱性。普通的非對稱閥節(jié)流窗口面積梯度之比為固定值，需與缸配套設計使用，互換性差，制造工藝復雜，使閥成本增加。廣義脈碼調制(generalization pulse code modulation，GPCM)閥采用一定數(shù)量、不同流量的節(jié)流基元組成，價格低，抗污染能力強，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要靈活地改變各組成節(jié)流閥的節(jié)流面積和編碼方式，得到不同流量。筆者對GPCM液壓伺服控制理論進行了研究，本文對GPCM數(shù)字閥控非對稱缸的壓力和流量特性進行研究。
１ GPCM閥控缸系統(tǒng)
1.1系統(tǒng)簡介
GPCM閥由一個四通方向控制閥和一組節(jié)流基元組成，各基元的節(jié)流口面積按一定調制規(guī)律設定，由脈沖控制信號來控制它們的啟閉狀態(tài)，經(jīng)組合得到不同的總節(jié)流面積，構成回油節(jié)流調速系統(tǒng)，從而達到控制系統(tǒng)流量的目的，其流量控制原理見圖1。圖中，Q1、Q2分別為缸無桿腔和有桿腔壓力油流量，m3/s；ps為系統(tǒng)壓力，Pa；Qs為系統(tǒng)流量，m3/s；pr為閥出口壓力，Pa；Qr為閥出口流量，m3/s；A1、A2分別為缸無桿腔和有桿腔截面面積，m2；p1、p2分別為缸無桿腔和有桿腔壓力，Pa；m為系統(tǒng)等效質量，kg。
1.2GPCM編碼規(guī)律
當非對稱液壓缸活塞在不同方向運行時，由于活塞兩側作用面積不對稱，在相同速度下，通過閥節(jié)流單元群的流量不相同。GPCM閥流量控制為方向閥加回油節(jié)流方式，只在一個方向上有流量控制作用。
式中，Q為無桿腔回油時GPCM閥流量，m3/s；Cd為流量系數(shù)；Ni為脈沖編碼值；S0為節(jié)流基面積，m2；∆p為節(jié)流單元節(jié)流口壓降，Pa；ρ為液體密度，kg/m3。
由于非對稱液壓缸兩腔的有效截面積不同，當非對稱液壓缸活塞在相反方向運行時，在相同速度下，GPCM閥的流量是不相同的。如忽略液壓缸和閥的泄漏以及假設液壓油不可壓縮，可得活塞具有相同速度的條件為
如果采用對稱編碼流量控制，在控制過程中，相同的控制輸入量將得到不同的速度，使液壓缸活塞運動的對稱性受到影響，特別是在多缸系統(tǒng)需要同步運動時，使系統(tǒng)運動不協(xié)調，控制性能降低。
GPCM伺服控制系統(tǒng)可以利用編碼方式，使GPCM閥成為流量非對稱閥，可有效地降低非對稱缸左右運動不對稱特性對系統(tǒng)控制性能的影響。左右運動速度相等的條件對應的編碼規(guī)則為即液壓缸縮回行程中的編碼值為伸出行程編碼值的A1/A2倍，可以保證非對稱液壓缸運動速度的對稱性。一般非對稱缸兩腔的作用面積比近似于1∶2，這為非對稱缸的脈沖編碼控制帶來了方便。控制時，輸出脈沖相應地向左移一位就可以達到輸出要求。
利用非線性控制理論對GPCM系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了理論與試驗分析研究，推導出GPCM控制閥的節(jié)流基元最小節(jié)流基面積S0為缸活塞桿伸出與縮回時閥控制最小節(jié)流流量確定后，閥控制的最大流量根據(jù)系統(tǒng)要求來確定。
GPCM閥控制最小節(jié)流流量稱為GPCM閥的分辨率，它是閥的控制流量發(fā)生變化的控制最小增量。一般在電液伺服系統(tǒng)處于通常工作狀態(tài)時，閥分辨率對系統(tǒng)運行影響不大，但當系統(tǒng)處于低速流量運行時，閥分辨率對系統(tǒng)的動態(tài)性能就會有大的影響。當系統(tǒng)處于低速運動時，由于閥的量變化很小，即其輸入信號變化也較小，此時，閥分辨率就必須加以考慮，一般來說，小流量的伺閥分辨輸入信號的能力優(yōu)于大流量的伺服閥。所以，對GPCM電液伺服系統(tǒng)采取變增益閥的方案液壓缸在高速或常速運動情況下，閥呈高增益，當液壓缸處于低速運動時，閥呈低增益，以實現(xiàn)高的分辨率，達到高速與高精度控制相結合的目的。據(jù)此確定了如下GPCM編碼規(guī)則：確定最小量，閥的前幾位節(jié)流單元流量按照二進制比例排列，可以得到較高的分辨率，達到要求的控制性能。
２ 控制策略
GPCM閥控位置伺服系統(tǒng)除了液壓伺服系統(tǒng)所固有的非線性特性外，還由于采用了脈沖調制控制，具有流量變化不連續(xù)的特點，系統(tǒng)高精度控制困難，系統(tǒng)建模不易且相關參數(shù)難以精確確定，使得基于被控對象數(shù)學模型的各類控制方法不能有效解決此控制問題。
本文提出了一種新的控制方法應用于GPCM液壓伺服控制系統(tǒng)。將GPCM伺服定位系統(tǒng)的響應過程分為三個階段：①快速啟動，系統(tǒng)速度從零增加到最大，位置偏差迅速減小；②減速運行，在運動達到一定范圍時，為防止超調開始降低運行速度；③定位保持，穩(wěn)態(tài)時具有強的抗干擾能力。這三個階段對應閥流量從大到小，剛開始時以較大的組合流量以得到快速響應，隨著偏差減少，閥流量逐步降低，到指定位置后保持輸出流量為零。
單獨使用一種控制算法難以實現(xiàn)系統(tǒng)高速、高精度的控制要求，因此采用了三種控制方法相結合，分別對應系統(tǒng)響應的三個階段實施控制。最后設計的控制器控制算法如下：①位移誤差|e|>ε1時，Bang—Bang控制；②位移誤差ε1>|e|>ε2時，PID控制；③位移誤差|e|≤ε2時，模糊控制。其中ε1、ε2為切換控制測量的閾值。
系統(tǒng)在啟動階段，利用Bang—Bang控制的快速調節(jié)性能，使系統(tǒng)很快達到減速定位過程；在減速過程中，PID控制對動態(tài)性能有較好的調節(jié)作用，可有效消除和降低超調量，最后利用模糊控制，可以方便地實現(xiàn)非對稱脈碼輸出，達到精確定位。
３ 實驗
根據(jù)以上理論設計了GPCM閥的樣機，由6個節(jié)流基元組合控制閥的輸出流量，按照控制精度與響應速度要求，根據(jù)式(5)確定6個節(jié)流基元的過流孔直徑分別為0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.7mm、1.2mm、2mm。它和非對稱缸組成了GPCM位置伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)控制框圖見圖3，液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)為A1=1.256×10-3m2，A2=8.76×10-4m2，m=30kg，ps=7MPa。
控制算法采用計算機實現(xiàn)，能方便地自動實現(xiàn)算法間的切換，在調試時可方便地調整各控制器的參數(shù)。
不同控制方式下位置伺服系統(tǒng)的階躍響應系統(tǒng)僅采用了PID調節(jié)控制的實驗結果，由于在指定位置附近控制器輸出量較小，常使閥工作在死區(qū)內，當閥工作在死區(qū)時，液壓缸停止運動，直到由于誤差積分作用使控制器輸出量超出死區(qū)，閥又突然開啟，缸又加速運動，通常會引起大的超調，振蕩、過渡時間長，控制精度低。在定位階段采用模糊控制器，控制器的輸出可以快速補償閥死區(qū)非線性，有效克服死區(qū)的影響，提高控制精度，見圖4b。系統(tǒng)對方波輸入信號的響應實驗曲線見圖5。結果表明非對稱缸在兩個相反方向上的控制特性基本是對稱的，達到了控制目標。
４ 結論
(1)GPCM閥的流量編碼規(guī)律可以根據(jù)系統(tǒng)控制精度和響應速度要求確定，最小節(jié)流流量與控制精度有關，而速度與綜合流量相關。GPCM電液伺服系統(tǒng)采取變增益閥的方案，前幾位節(jié)流閥的流量成二進制比例，后幾位按照總流量需求確定。
(2)GPCM閥可以通過改變脈沖編碼值而實現(xiàn)非對稱閥的功能，得到不同正反向節(jié)流面積比。
(3)采用Bang-Bang控制、PID控制和模糊控制相結合，用于GPCM閥控非對稱缸伺服系統(tǒng)中是可行的，并且不需要知道系統(tǒng)的非線性特性參數(shù)，具有較強的實用性。
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