基于電磁換向閥的液壓缸位置控制系統(tǒng)研究

楊韓峰,郭彥青,張 宏,王曉強(qiáng),林炳乾,黨盈偉

(1.中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051)

(2.太原通澤智能工程股份有限公司，山西 太原 030032)

(3.陜西晟思智能測(cè)控有限公司，陜西 西安 710100)

液壓缸位置控制技術(shù)是液壓傳動(dòng)和控制技術(shù)的重要內(nèi)容[1]，目前已較為成熟。工業(yè)應(yīng)用中以伺服閥、比例閥、高速開關(guān)閥作為控制元件的控制系統(tǒng)較為常見[2-4]，系統(tǒng)的定位精度依賴于控制元件的精度，但這些控制系統(tǒng)仍然存在著需要解決的問題，如伺服閥、比例閥等元件成本高、技術(shù)復(fù)雜[5]，高速開關(guān)閥的使用壽命不長(zhǎng)、可靠性不高[1]等。在某些精度要求不高的場(chǎng)合(精度小于1 mm)，采用低成本電磁換向閥實(shí)現(xiàn)液壓缸的位置控制具有很大的成本優(yōu)勢(shì)。

目前針對(duì)電磁換向閥閥控液壓缸位置控制系統(tǒng)及控制方法的相關(guān)研究較少。高強(qiáng)等[4]通過高速開關(guān)閥和換向閥組合控制液壓缸，采用卡爾曼濾波的PID控制算法實(shí)現(xiàn)液壓缸位置的精確控制，但控制系統(tǒng)的核心是高速開關(guān)閥，故而不是純粹的電磁換向閥控制；金里揚(yáng)[1]研究了基于電磁換向閥的液壓缸位置控制系統(tǒng)，采用狀態(tài)預(yù)測(cè)的控制算法實(shí)現(xiàn)精確定位。本文采用普通電磁換向閥通過Bang-Bang控制和脈頻調(diào)制(PFM)控制相結(jié)合的控制算法實(shí)現(xiàn)液壓缸位置的精確控制，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 液壓缸位置控制系統(tǒng)

1.1 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示。液壓缸位置控制系統(tǒng)采用齒輪泵作為動(dòng)力輸出源，齒輪泵的動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供，出油口連接三位四通電磁換向閥，用于改變液壓系統(tǒng)油路的方向以控制液壓缸工作；液壓缸有桿腔安裝有多圈絕對(duì)式編碼器，用于采集液壓缸的位移以形成閉環(huán)控制；安全溢流閥設(shè)置了系統(tǒng)的最高工作壓力，防止液壓回路超載；液控單向閥保證液壓缸在完成位置定位后的油路鎖緊保壓。

1—油箱；2—電動(dòng)機(jī)；3—泵；4—三位四通電磁換向閥；5—液控單向閥；6—液壓缸；7—多圈絕對(duì)式編碼器；8—負(fù)載；9—安全溢流閥

1.2 控制系統(tǒng)工作原理

液壓缸位置控制系統(tǒng)由上位機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)、電磁換向閥、液壓缸、多圈絕對(duì)式編碼器以及負(fù)載等組成，控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成

液壓缸位置控制系統(tǒng)工作時(shí)，首先上位機(jī)發(fā)送位置指令給PLC，PLC將信號(hào)經(jīng)算法處理后轉(zhuǎn)換為一定波形的電壓信號(hào)輸出給電磁換向閥，電磁換向閥在不同電壓信號(hào)下對(duì)不同油路進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)液壓缸的伸出、縮回，同時(shí)采集絕對(duì)式編碼器數(shù)據(jù)，使之與設(shè)定位置比較，將差值運(yùn)算處理后輸出，保證液壓缸在滿足精度要求的前提下快速到達(dá)指定位置[6]。

液壓缸位置控制系統(tǒng)所使用硬件見表1。

表1 控制系統(tǒng)硬件選型

1.3 系統(tǒng)特性分析

2 控制策略與控制方法

控制算法中，所使用的指令符號(hào)說明見表2。

表2 控制算法指令說明

2.1 控制策略

為了使系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，結(jié)合系統(tǒng)的輸入輸出特性，采用分段控制的策略，控制方式見式(1)。將液壓缸的設(shè)定位置和實(shí)際位置的差值定義為位置誤差，當(dāng)位置誤差|e|大于或等于閾值L時(shí)，此區(qū)間定義為快速定位區(qū)，在此區(qū)間內(nèi)采用耗時(shí)最短的Bang-Bang控制策略[7-9]，在短時(shí)間內(nèi)消除大誤差，實(shí)現(xiàn)時(shí)間最優(yōu)控制，當(dāng)位置誤差|e|小于閾值L時(shí)，此區(qū)間定義為精確定位區(qū)，在此區(qū)間內(nèi)采用PFM控制和Bang-Bang控制相結(jié)合的控制策略，以提高控制精度，實(shí)現(xiàn)精度最優(yōu)控制。

(1)

式中：閾值L>0。停止條件為|e|≤|ε|,其中ε>0，為停止閾值。

2.2 控制方法

1)快速定位區(qū)。

當(dāng)系統(tǒng)處于快速定位區(qū)，即|e|≥L時(shí)，系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的Bang-Bang控制方法，控制算法表達(dá)式如式(2)：

(2)

2)精確定位區(qū)。

當(dāng)系統(tǒng)處于精確定位區(qū)，即|e|

(3)

結(jié)合式(2)、(3)，可得控制算法最終的表達(dá)式如式(4)：

(4)

3 AMEsim-Simulink聯(lián)合仿真與實(shí)驗(yàn)分析

依據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖在AMESim[10]中繪制液壓系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示，在Simulink[11]中設(shè)計(jì)了液壓缸位置控制系統(tǒng)的模型如圖4所示，聯(lián)合仿真參數(shù)見表3。

對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓缸位置控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到液壓缸位移曲線如圖5所示。從圖5可以看出，液壓缸在3.99 s時(shí)定位到距初始位置129.5 mm處，與設(shè)定位置相差0.5 mm，滿足精度1 mm的要求。仿真驗(yàn)證了液壓缸位置控制系統(tǒng)的精確性和可行性。

圖3 仿真模型圖

圖4 控制系統(tǒng)圖

表3 主要仿真參數(shù)

圖5 Bang-Bang+PFM控制仿真示意圖

圖6所示為使用本文控制系統(tǒng)的生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)。在試驗(yàn)生產(chǎn)過程中，通過上位機(jī)設(shè)定液壓缸的目標(biāo)位置，讀取傳感器返回值，可以得到液壓缸的實(shí)際位置。表4為液壓缸在不同起始位置下的位置設(shè)定值、實(shí)測(cè)值以及定位誤差，由表可知本文控制系統(tǒng)的實(shí)際定位精度在[-1，1] mm，滿足企業(yè)生產(chǎn)要求，驗(yàn)證了仿真的正確性。

圖6 液壓缸定位實(shí)物圖

表4 液壓缸位置值及誤差 mm

4 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)的液壓缸位置控制方式(以伺服閥、比例閥、高速開關(guān)閥等為控制元件)存在成本高、維護(hù)困難等問題，設(shè)計(jì)了基于電磁換向閥的液壓缸位置控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電磁換向閥為控制元件，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、故障率低。該控制系統(tǒng)已投入企業(yè)實(shí)際使用，液壓缸定位精度小于1 mm，滿足企業(yè)生產(chǎn)要求，為企業(yè)節(jié)約了成本。本文的研究成果對(duì)低成本液壓缸位置控制系統(tǒng)的研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。