電液伺服系統(tǒng)能源壓力閉環(huán)控制算法研究

張小紅，陳克勤，曹英健，戴 瑩，劉 璐

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電液伺服系統(tǒng)能源壓力閉環(huán)控制算法研究

張小紅，陳克勤，曹英健，戴 瑩，劉 璐

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

為了減少電液伺服系統(tǒng)能源無用功的損耗和系統(tǒng)發(fā)熱，介紹一種能源壓力閉環(huán)控制算法。采用分段變增益調(diào)速和三冗余壓力表決算法，實(shí)現(xiàn)能源壓力閉環(huán)控制。建立了液壓能源蓄能器數(shù)學(xué)模型和控制算法模型，通過了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，表明控制算法有效，顯著降低系統(tǒng)無用功的損耗和發(fā)熱。

液壓能源；壓力閉環(huán)控制；三冗余

0 引 言

液壓伺服系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、負(fù)載剛度大、功率體積比大的優(yōu)點(diǎn)，使其在導(dǎo)彈或火箭控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。然而液壓伺服系統(tǒng)對溫度變化較為敏感，長時間工作時，隨著溫度的升高會使泄漏量增大，導(dǎo)致液壓伺服系統(tǒng)性能降低，同時也影響伺服系統(tǒng)元件的使用壽命[1]。

飛行器長時飛行需求，對電液伺服系統(tǒng)工作時間提出更加嚴(yán)酷要求[2]。為了提高飛行器的再入機(jī)動性和能量利用效率，液壓系統(tǒng)正朝著高壓化、大功率、重量輕、體積小、節(jié)能、變壓力、變流量和負(fù)載敏感調(diào)節(jié)等方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高壓、變壓力和變流量功能，是解決液壓系統(tǒng)無效功耗和溫升問題的有效途徑[3]。

依靠蓄壓器提供瞬態(tài)流量和功率，本文將蓄能器充氣壓力作為控制量對電液伺服系統(tǒng)實(shí)行壓力分檔控制，根據(jù)兩種不同工況實(shí)現(xiàn)變壓力的分段變增益和三冗余表決能源壓力閉環(huán)控制算法，以有效減少系統(tǒng)無用功的損耗，減少系統(tǒng)的發(fā)熱。

1 液壓能源蓄能器數(shù)學(xué)模型

電液伺服系統(tǒng)由電動液壓能源、伺服作動器和伺服控制驅(qū)動器等單機(jī)組成，如圖1所示。

直流無刷電機(jī)驅(qū)動油泵為伺服系統(tǒng)提供液壓動力，伺服控制驅(qū)動器接收控制指令，采集伺服作動器的位移信號形成閉環(huán)控制信號，伺服作動器根據(jù)控制信號驅(qū)動伺服閥進(jìn)行液壓功率放大，通過活塞桿的伸縮帶動負(fù)載運(yùn)動。

伺服系統(tǒng)液壓能源蓄能器在啟機(jī)工作過程中氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。

圖1 電液伺服系統(tǒng)原理

圖2 蓄能器氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)移

在蓄能器向負(fù)載排液過程中氣體狀態(tài)的變化可按絕熱過程計(jì)算，由蓄能器氣體狀態(tài)轉(zhuǎn)移可得蓄能器流量、壓力方程[4]：

結(jié)合蓄能器特性，得到液壓源工作中的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如式（4）所示。

式（3）、式（4）描述了液壓源在工作過程中輸出壓力隨負(fù)載流量間的動態(tài)數(shù)學(xué)關(guān)系。

2 壓力閉環(huán)控制算法

圖3 能源閉環(huán)控制原理

電機(jī)速度伺服控制采用分段變增益控制算法，伺服控制驅(qū)動器接收液壓能源上能源高壓傳感器、充氣壓力傳感器的信號，經(jīng)處理后，根據(jù)壓力閉環(huán)控制算法，計(jì)算出電機(jī)占空比，由電機(jī)控制單元調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定地工作在（12±1）MPa（低工況）、（21±1）MPa（高工況），分別如圖4、圖5所示。

圖4 低工況壓力-占空比控制策略曲線

圖5 高工況壓力-占空比控制策略曲線

低工況電機(jī)占空比1與能源壓力控制算法如下：

高工況電機(jī)占空比2與能源壓力控制算法如下：

3 壓力閉環(huán)控制仿真模型

利用Matlab/Simulink建立液壓能源系統(tǒng)模型，電機(jī)模型簡化如圖6所示，各參數(shù)的定義及取值如表1所示。

圖6 能源閉環(huán)控制回路

表1 能源閉環(huán)控制模型的主要參數(shù)

Tab.1 Main Parameters of Power Supply Pressure Close-loop

序號參數(shù)取值 1系統(tǒng)壓力Ps/MPa低工況12，高工況21 2常數(shù)n1.4 3啟機(jī)前充氣壓力P0/MPa9 4蓄能器最大排油時剩余體積V0/L0.437 5泄漏量Q0/(L·min-1)4.7 6油泵排量Q1/(mL·r-1)1.26 7電機(jī)力矩系數(shù)Kt/((N·m)·A-1)0.07 8電機(jī)與油泵轉(zhuǎn)動慣量Jv/(kg·m-2)1.23×10-4 9電機(jī)電感L/H1.3×10-4 10電機(jī)電阻R/Ω0.066 11電機(jī)電壓U/V低工況56，高工況96 12油泵效率λ190% 13電機(jī)效率λ275%

4 三冗余壓力表決算法

為提高液壓能源系統(tǒng)的可靠性，液壓能源系統(tǒng)配置了兩個能源高壓和一個充氣壓力傳感器測量液壓系統(tǒng)的壓力，利用這3路不同特性的信號對液壓能源實(shí)施三冗余壓力閉環(huán)控制，在任意一路信號出現(xiàn)異常的情況下，均能自動識別出異常信號排除其干擾，保證系統(tǒng)正常工作[7]。

設(shè)計(jì)的算法如下：

由于充氣壓力位于蓄能器端是經(jīng)過蓄能器濾波以后的信號，信號平穩(wěn)，因此在設(shè)計(jì)算法時優(yōu)先考慮；當(dāng)充氣壓力相對于兩路能源高壓均差距過大時，為防止信號采集時野點(diǎn)干擾判斷將連續(xù)判斷的時間設(shè)為100 ms，即當(dāng)連續(xù)超過100次異常時可判定充氣壓力異常，切換至能源高壓2進(jìn)行壓力閉環(huán)控制。

兩個能源高壓信號有高頻噪聲，用于控制不利于系統(tǒng)穩(wěn)定，因此經(jīng)過濾波后與充氣壓力一起經(jīng)過三冗余壓力決策算法后，用于壓力閉環(huán)控制。

該三冗余壓力表決算法可以適應(yīng)各種異常情況，可顯著提高液壓系統(tǒng)的工作可靠性。

5 仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)試驗(yàn)中，液壓能源充氣壓力為9 MPa，連接油管和4臺伺服作動器，進(jìn)行了兩種工況下的啟機(jī)測試，圖7為實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比。

圖7 建壓對比曲線

由圖7可知，低工況建壓時間為2.3 s；高工況建壓時間為3 s，滿足任務(wù)書規(guī)定的建壓時間要求，建壓完成后，壓力平穩(wěn)，無波動。由于仿真過程中未考慮作動器等非線性因素影響，故試驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算建壓過程中曲線存在一定差異，但建壓時間及建壓后能源壓力基本一致，能夠滿足使用要求。

在12 MPa壓力條件下，與采用傳統(tǒng)的恒速變量泵能源的系統(tǒng)相比，作動器在靜態(tài)工作條件下，電機(jī)電流消耗實(shí)測由15 A降到10 A。在21 MPa壓力條件下，電機(jī)電流消耗則由25 A降到20 A；此外，工作9 min后，溫度由135 ℃降至70 ℃以內(nèi)。能源消耗降低顯著，系統(tǒng)降溫效果良好，系統(tǒng)的工作壽命和本質(zhì)可靠度顯著提高。

6 結(jié) 論

a）采用分段變增益和三冗余表決能源壓力閉環(huán)控制算法對伺服系統(tǒng)能源壓力實(shí)施分檔實(shí)時閉環(huán)控制，建壓后，壓力平穩(wěn)，無波動，建壓時間滿足技術(shù)要求；

b）可有效減少系統(tǒng)無用功的損耗，減少系統(tǒng)的發(fā)熱，在某伺服系統(tǒng)中已得到廣泛地應(yīng)用。

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Research on the Close-loop Pressure Control Algorithm of a Power Supply in Electro-Hydraulic Servo Systems

Zhang Xiao-hong, Chen Ke-qin, Cao Ying-jian, Dai Ying, Liu Lu

(Beijing Research Institute of Precision Mechanical and Electronic Control Equipment, Beijing, 100076)

A close-loop pressure control algorithm for a power supply in electro-hydraulic servo systems is introduced to reduce power supply loss and heating. A piecewise variable gain and triple redundancy pressure voting algorithm are used to implement the close-loop supply pressure control. The mathematical model for the hydraulic accumulator and the control model are presented, simulation and experiment performed. It shows that the control algorithm is effective to significantly reduce the power loss and therefore the generated heat.

Electro-hydraulic; Power supply; Control algorithm

1004-7182(2018)01-0074-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20180115

V44

A

2017-04-22；

2017-05-15

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015BAF32B01）

張小紅（1984-），男，工程師，主要研究方向?yàn)樗欧到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)