液壓軟管脈沖試驗機電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計與研究

， (燕山大學(xué) 河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室， 河北 秦皇島　066004)

引言

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

近年來我國壓力脈沖試驗技術(shù)發(fā)展較為迅速，浙江大學(xué)在低壓力脈沖試驗機技術(shù)研究方面有較多的成果，王元[1]采用模糊PID控制設(shè)計了低壓的脈沖試驗臺；具大源[2]將重復(fù)控制加入了試驗臺控制系統(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償技術(shù)應(yīng)用在電液伺服疲勞試驗機中[3]。在高壓脈沖試驗臺方面，王雙[4]等人根據(jù)最近伺服技術(shù)的發(fā)展，選擇了壓力等級可到50 MPa，額定流量可達200 L/min的伺服閥來控制液壓缸進油腔壓力曲線的上升速率和波形的穩(wěn)定，進油脈沖峰值在35 MPa，進油脈沖谷值5 MPa，被測容腔為6 L，工作頻率為2 Hz，也具有指導(dǎo)意義。

本項目根據(jù)客戶要求，在基于檢測標準HB 6133-1987《液壓軟管、導(dǎo)管、接頭組件的脈沖試驗》和GB/T 7939-2008《液壓軟管總成試驗方法》的基礎(chǔ)上，對內(nèi)部容積為1 L左右的飛機導(dǎo)管進行最大工作壓力為28 MPa，峰值壓力為42 MPa進行水錘波的測試，也可以對液壓軟管進行最大工作壓力為31.5 MPa、脈沖疲勞壓力42 MPa的梯形波、正弦波、方波的測試，同時也可以按照其他的測試標準對更廣泛的產(chǎn)品進行測試。本試驗機的設(shè)計和研究，將對高壓電液伺服壓力脈沖試驗機液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和試驗技術(shù)產(chǎn)生一定的現(xiàn)實意義。

1　脈沖試驗機液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計

42 MPa電液伺服壓力脈沖試驗機設(shè)計技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　脈沖試驗機主要技術(shù)參數(shù)要求

根據(jù)試驗機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。

本試驗機要達到的試驗壓力為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、管道的密封、驅(qū)動介質(zhì)的選用要求更為嚴格，并具有特殊性[5]。伺服增壓缸是液壓驅(qū)動往復(fù)活塞式增壓缸，驅(qū)動部分和工作部分完全隔離，驅(qū)動部分為航空液壓油，增壓部分的試驗介質(zhì)為要求的DOT4制動液，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.空氣過濾器　3.電接點溫度計　4.液位報警　5.球閥　6.泄漏回收盤　7.試件工裝　8.被測試件　9.氣動高壓球閥 10.排空罐　11.氣動電磁換向閥　12.氣源兩聯(lián)件　13.氣源　14.溫度傳感器　15.壓力傳感器　16.補液泵　17.補液電機 18、30.吸油過濾器　19.高壓單向閥　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.高壓過濾器　28.軸向柱塞泵　29.主電機　31.冷油機　32.直回油過濾器　33.系統(tǒng)油箱　34.截止閥

圖2　增壓缸結(jié)構(gòu)簡圖

補液系統(tǒng)由介質(zhì)油箱、補液泵、溢流閥、超高壓單向閥等組成。該部分用于在試驗開始時充液，將試件內(nèi)空氣排出。壓力脈沖運行時該部分也一直運行以彌補管道的泄漏，并在增壓缸回程時提供油源防止吸空使空氣進入，使管道一直保持一定的正壓。

2　閥控非對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機壓力伺服系統(tǒng)主要由伺服閥、伺服增壓缸和壓力傳感器組成，本研究采用機理建模的方法建立了對稱伺服閥控制非對稱液壓缸壓力伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)液壓缸正反向運動的不同狀況，推導(dǎo)出了關(guān)于輸入電壓信號至輸出為試件內(nèi)壓力信號的傳遞函數(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)，對稱閥控非對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。

當輸入信號為設(shè)定測試壓力42 MPa、波形頻率2 Hz 的正弦波時，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，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機壓力伺服控制系統(tǒng)框圖

表2　壓力伺服控制系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

從閥控非對稱缸壓力伺服系統(tǒng)的仿真曲線中可以看出，對于不同的正弦波、水錘波輸入信號，都可以實現(xiàn)跟蹤。采用線性化建模，二種波形對于跟蹤時間上滯后約為0.01 s，幅值上基本可以實現(xiàn)精確跟蹤，系統(tǒng)對于階躍輸入的上升時間約為0.017 s，調(diào)整時間約為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，通過誤差的逐步補償使得系統(tǒng)的實際輸出逐步零誤差地跟蹤期望輸入，并且具有對周期變化的外部干擾信號加以抑制的能力。重復(fù)控制同時也具有自身的弱點：由于重復(fù)控制器延遲因子e-Ts具有延時輸出的作用，系統(tǒng)在第一個信號周期中沒有控制輸出，控制指令在第二個周期中才得以輸出，如果此時系統(tǒng)內(nèi)部存在干擾，系統(tǒng)此時并無調(diào)節(jié)功能，近似處于開環(huán)狀態(tài)，對于擾動的消除也要延遲一個周期。為了彌補重復(fù)控制的弱點可以利用傳統(tǒng)PID進行補償，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)控制用以提高對周期性輸入信號的跟蹤精度，在穩(wěn)態(tài)時起主要作用；而PID可對系統(tǒng)進行實時的控制，在第一個信號周期中控制輸出，同時減小因為瞬時擾動造成的跟蹤誤差，在出現(xiàn)較大干擾時起主要作用。

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

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

輸入信號為壓力42 MPa、頻率1.25 Hz的水錘波時的響應(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%，遠低于試驗標準所要求的±5%；因此電液伺服壓力脈沖試驗機采用重復(fù)控制補償PID的控制策略，顯著的提高了對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。且對于不同類型的輸入波形、壓力、頻率的變化，系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性和較強的魯棒性。由于本仿真實驗中采用的為改進型重復(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，并不為理想型的無靜差反饋系統(tǒng)，因此本實驗的輸出在較短的一段時間內(nèi)仍存在一定的靜差。

圖8　水錘波響應(yīng)的誤差曲線

5　試驗機現(xiàn)場調(diào)試實驗

由于實驗條件和時間的限制，試驗機調(diào)試實驗采用的控制算法為常規(guī)的PID控制。按照試驗機工作流程，通過試件工裝將多根飛機導(dǎo)管固定在分流器上，打開補液泵進行充液和排氣，然后設(shè)定測控界面前面板上的試驗波形類別、試驗壓力、試驗頻率、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，冷油機冷卻循環(huán)溫度設(shè)定為40 ℃，采用YH-15號航空液壓油為工作介質(zhì)，軟管灌注實驗介質(zhì)為DOT3制動液，工控機采用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。

點擊開始試驗后設(shè)備對于不同的輸入信號，其中頻率1.25 Hz的水錘波時的實際響應(yīng)輸出如圖9所示。

圖9　水錘波的實際響應(yīng)曲線

實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的42 MPa電液伺服壓力脈沖試驗機能夠完成HB 6133、GB/T 7939所要求的測試任務(wù)，對于不同類型的輸入信號，所設(shè)計的壓力伺服控制系統(tǒng)能夠較好地進行壓力伺服控制，所設(shè)計的試驗機測控系統(tǒng)也能夠滿足試驗需求。通過理論分析和仿真所模擬的曲線能夠真實復(fù)現(xiàn)實測的壓力曲線，說明了所建立的閥控非對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)實際需要和相關(guān)檢測標準，設(shè)計了一臺“42 MPa電液伺服壓力脈沖試驗機”，本試驗機可以對飛機導(dǎo)管、液壓膠管等進行最高試驗壓力42 MPa、最高試驗頻率2 Hz、最大測試容積1 L的水錘波、梯形波、正弦波的壓力脈沖試驗。

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

(3) 設(shè)計了試驗機上位機為基于LabVIEW虛擬儀器和下位機為PLC的測控系統(tǒng)，試驗機安裝調(diào)試后，對輸入不同類型波形的實際試驗結(jié)果達到了相關(guān)測試標準的要求，驗證了閥控非對稱缸壓力伺服控制系統(tǒng)建模的正確性。

參考文獻：

[1]王元，王耘,宋小文,齊放,夏立峰.疲勞性能脈沖實驗臺模糊PID控制器的研究與設(shè)計[J].輕工機械，2008,26(6):76-79.

[2]具大源，胡樹根，王耘，宋小文，齊放.基于重復(fù)控制的疲勞脈沖試驗臺控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機床與液壓，2012,40(9):92-93，97.

[3]張福波，王貴橋.電液伺服疲勞試驗機波形幅值的模糊補償[J].振動、測試與診斷，2008,28(2):96-99.

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

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

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

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

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