一種大負載雙缸舉升智能同步控制系統(tǒng)

劉佑民 王 磊 李 博

北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076

常見的雙缸舉升系統(tǒng)是以航天裝備為代表的重型裝備中的常用系統(tǒng)，利用兩根油缸將負載舉升到目標高度[1-4]。由于負載較大，在實際工程應(yīng)用中，一般設(shè)計為兩油缸貫通，利用平衡閥通過負載的壓力保證雙缸的伸出量一致[5-7]，該系統(tǒng)實現(xiàn)較為簡單，對于結(jié)構(gòu)剛度好的系統(tǒng)可以保證控制過程的穩(wěn)定[8-9]。隨著航天裝備復(fù)雜程度和減重要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)剛度不夠強、或負載無法承受較大扭力的系統(tǒng)逐漸增加，僅采用貫通的方式可能無法保證雙缸運動過程中的同步性[10-13]。

對于單級缸系統(tǒng)而言，直接采用貫通的方式在整個行程內(nèi)能保證雙缸的位移差處于一個比較穩(wěn)定的區(qū)間[14-15]，但對于多級缸系統(tǒng)而言，由于油缸在換級點存在短暫的不可控，因此當雙缸換級時間不一致時，在換級時雙缸的位移差增大，相當于增加了一個瞬態(tài)強干擾，可能無法保證同步性[16-17]，需考慮采用智能控制的方法提升系統(tǒng)的適應(yīng)性[18-19]。

本文提出了一種雙缸舉升智能同步控制系統(tǒng)，能夠適應(yīng)系統(tǒng)剛度不足或負載無法承受較大扭力的情況，同時能夠有效補償多級缸換級過程帶來的擾動，使得系統(tǒng)整個行程內(nèi)雙缸的位移差保持在很小的范圍，適應(yīng)負載的需求。

本文第1節(jié)分析了控制過程中的干擾，第2節(jié)設(shè)計智能同步控制系統(tǒng)，并設(shè)計了舉升回路和補償回路的控制方法，基于第2節(jié)的控制方法第3節(jié)進行了試驗驗證，第4節(jié)是小結(jié)。

1 大負載舉升控制過程中的干擾分析

典型的大負載舉升系統(tǒng)由一個多級筒負載，并依靠2根多級舉升液壓缸將其舉升到目標高度，如圖1所示。其中，舉升液壓缸為四級缸，多級筒負載為三級缸。

圖1 典型大負載舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在雙缸舉升過程中，系統(tǒng)主要面臨負載筒偏心、負載筒換級、舉升油缸速度不一致和舉升油缸換級等擾動。其中，負載筒偏心、舉升油缸速度不一致帶來持續(xù)的干擾，而負載筒換級、舉升油缸換級帶來瞬態(tài)強干擾。僅依靠雙缸貫通不進行補償，典型的雙缸誤差如圖2所示。

圖2 采用雙缸貫通方法時的雙缸誤差

由圖2可知，由于上述干擾的存在，如果雙缸僅依靠貫通和壓力，無法保證全程同步，故需要設(shè)計智能同步控制系統(tǒng)來應(yīng)對這些干擾。

2 智能同步控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液壓系統(tǒng)及控制流程設(shè)計

考慮到液壓系統(tǒng)的通用性，雙缸仍設(shè)計為貫通缸而不是2個獨立缸，因此無法分別設(shè)計控制策略保證同步性，只能通過對其中一路油缸進行補油、放油操作，使該油缸的行程與另一油缸保持一致。故設(shè)計雙缸舉升液壓系統(tǒng)：舉升過程中，用一路比例多路閥控制雙缸的舉升運動，同時在雙缸中選擇一路油缸定義為基準缸，另一路油缸定義為補償缸，在補償缸液壓回路中設(shè)計補油、放油環(huán)節(jié)，用以執(zhí)行雙缸位移差不滿足要求時的補償動作。液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

為保證全過程的同步性，補油、放油操作需要實時進行，即設(shè)置狀態(tài)反饋，實時進行補償量計算，并進行補償?？紤]到雙缸同步的主要目的是保證雙缸位移一致，故選擇拉線位移傳感器采集雙缸的運動長度。拉線傳感器安裝在安裝面上，分別用于采集基準缸、補償缸的位移長度，安裝時傳感器連接端與油缸頂部固定段連接，通過鉛垂線保證拉線與水平面垂直，不垂直度小于1′，盡量保證拉線與油缸伸出段平行[20]。控制器根據(jù)拉線位移傳感器反饋的基準缸、補償缸長度差進行補油、放油控制量計算并輸出到執(zhí)行機構(gòu)，實時調(diào)整雙缸的運動量。

同時，監(jiān)測雙缸的壓力，狀態(tài)異常時報警?？刂撇呗缘牧鞒虉D如圖4所示。

圖4 控制策略流程圖

2.2 狀態(tài)信息采集解算

利用傳感器測量基準缸運動時的位移Lb和油缸正腔壓力Pb，補償缸運動時的位移Lc和油缸正腔壓力Pc，反饋到控制系統(tǒng)中(注：其中正腔指油缸的無桿腔)，并標定基準缸、補償缸的換級點。其中，Pb和Pc的單位為MPa；Lb和Lc的單位為mm。

舉升油缸安裝方式和加工精度可保證雙缸的換級點基本處于同一位置，誤差小于0.5mm。對于某一油缸而言，設(shè)最先伸出的一級油缸為四級缸，最后伸出的一級油缸為一級缸，按照換級的先后順序，標定三四級油缸換級點C34，二三級油缸換級點C23和一二級油缸換級點C12。

利用式(1)得到基準缸運動時的速度Vb和補償缸運動時的速度Vc，單位mm/s：

Vb=(Lb(k)-Lb(k-10))/10Ts

Vc=(Lc(k)-Lc(k-10))/10Ts

(1)

其中，Lb(k)為基準缸當前采樣周期的位移;Lb(k-10)為基準缸10個采樣周期前的位移;Lc(k)為補償缸當前采樣周期的位移;Lc(k-10)為補償缸10個采樣周期前的位移;Ts為采樣周期，與控制周期一致。

利用式(2)得到雙缸運動過程中的位移差ΔL、速度差ΔV和壓力差ΔP：

ΔL=Lb-Lc

ΔV=Vb-Vc

ΔP=Pb-Pc

(2)

根據(jù)基準缸位移、補償缸位移和位移差，基準缸正腔壓力、補缸正腔壓力、壓力差，基準缸速度、補償缸速度及速度差的值進行舉升流程控制。

2.3 舉升控制策略

舉升過程中，根據(jù)雙缸舉升的目標位移為Laim、基準缸的位移Lb計算雙缸舉升運動的控制量Uup，其中，Uup的值為[-10000，10000]。

1)Lb∈[0,C23-50]時，Uup設(shè)置為-10000，使油缸舉升運動速度最大；

2)Lb∈[C23-50,C12-60]時，Uup設(shè)置為-8500；

3)Lb∈[C12-60,C12+30]時，Uup設(shè)置為-3500，使一、二級換級時速度降低；

4)Lb∈[C12+30,Laim-150]時，Uup設(shè)置為-4600，換級后線性提升速度；

5)Lb∈[Laim-150,Laim]時，Uup按照式(3)計算得到：

Uup=-((1+Krp(Vr-V0)/V0)U0+

Kbp(Vr-Vb)+ΘVr-Vb)

(3)

其中，Krp由閥的特性曲線決定，當閥的線性度較好時可取Krp=1，V0和U0分別為進入5)段時基準缸的速度和控制量，當閥的線性度較好時可根據(jù)樣本的控制量-流量曲線結(jié)合油缸截面積進行估算；Kbp是微分系數(shù)，Vr是末段規(guī)劃速度，按照式(4)計算得到：

(4)

ΘVr-Vb是一個積分環(huán)節(jié)，用以消除干擾帶來的誤差，考慮到閥的死區(qū)特性，其初值設(shè)為-1500，按照式(5)計算得到：

ΘVr-Vb(k+1)=

(5)

積分環(huán)節(jié)的設(shè)計應(yīng)保證積分作用時對速度的影響較小，且減速時較快，增速時較慢，避免造成系統(tǒng)運動速度的大幅震蕩。

2.4 急停保護策略

舉升過程中，當連續(xù)2s內(nèi)|ΔP|≥2MPa或|ΔL|≥5mm，將雙缸貫通，維持1s后斷電，流程進行報警急停處理。

2.5 補償缸補油、放油控制策略

舉升過程中，根據(jù)ΔL的值實時進行補油、放油補償，保證雙缸位移一致：

1)若|ΔL|≤1mm，實時監(jiān)測上述位移、壓力、速度數(shù)據(jù)即可，不進行控制；

2)若ΔL>1mm，對補償缸進行補油控制，根據(jù)ΔL和ΔV的值以及油缸的運動段級數(shù)進行補油控制量uc計算，按照式(6)得到uc：

uc=-(KlpΔL-KvpΔV)λ+ΙΔL

(6)

其中，Klp是比例系數(shù)；Kvp是微分系數(shù)；ΙΔL是一個積分環(huán)節(jié)，用以消除干擾帶來的誤差，其初值為0，按照式(7)計算得到：

ΙΔL(k+1)=

(7)

λ是截面系數(shù)，根據(jù)油缸處于不同的級數(shù)決定補償量的系數(shù)，按照式(8)計算得到：

(8)

其中，D4為四級缸正腔面積；D3為三級缸正腔面積；D2為二級缸正腔面積；D1為一級缸正腔面積，σxy為補償系數(shù)，用以補償實際系統(tǒng)與理論計算之間的偏差。

3)若ΔL<-1mm，對補償缸進行放油控制，根據(jù)ΔL和ΔV的值以及油缸的運動段級數(shù)進行放油控制量ud計算，按照式(9)得到ud：

ud=-((KlpΔL-KvpΔV)λ+ΗΔL)/10000×44

(9)

ΗΔL是一個積分環(huán)節(jié)，用以消除干擾帶來的誤差，其初值為0，按照式(10)計算得到：

ΗΔL(k+1)=

(10)

λ是截面系數(shù)，其計算方法與2)中一致。

當基準缸運動到達目標位置時，將雙缸卸荷、貫通，并給蓄能器沖壓，當Pb壓力達到8MPa，且Lb和Lc已發(fā)出到位信號后，流程控制結(jié)束。

3 試驗驗證

在圖5所示的實際系統(tǒng)上開展試驗。

圖5 實際系統(tǒng)圖

首先，手動進行雙缸舉升試驗，僅依靠雙缸貫通不進行補償，雙缸誤差如圖2所示。

采用第2章中設(shè)計的智能同步控制系統(tǒng)進行雙缸同步舉升試驗，試驗過程參數(shù)配置如表1所示，雙缸誤差如圖6所示。

表1 試驗過程參數(shù)配置

圖6 采用智能同步控制系統(tǒng)時的雙缸誤差

由圖6的試驗結(jié)果可知，應(yīng)用本文提出的智能同步控制系統(tǒng)后，大負載雙缸舉升過程的同步性大大提高。整個過程中，雙缸位移差最大值(在負載筒換級時出現(xiàn))由19mm減小到6mm，且整個舉升過程位移差在無大瞬態(tài)干擾的情況下能保持在2mm以內(nèi)，即使由于負載筒換級、舉升缸換級等較大的瞬態(tài)干擾導(dǎo)致雙缸的瞬時位移誤差大于2mm，也能在2s內(nèi)將誤差糾正到2mm內(nèi)。

可見，本文提出的控制系統(tǒng)在獲得基準缸、補償缸狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，一方面使雙缸快速舉升，另一方面實現(xiàn)雙缸舉升過程中位移差的補償，且能夠消除換級等瞬態(tài)干擾造成的影響，使得舉升過程中雙缸的位移基本一致，提高了雙缸舉升的同步性，并使得該舉升系統(tǒng)能夠適應(yīng)剛度不夠強、或無法承受較大扭力的負載。

本控制系統(tǒng)不僅適用于雙缸舉升同步控制系統(tǒng)，同樣可推廣到雙缸下放同步控制系統(tǒng)和其他類似的高精度雙缸同步控制系統(tǒng)。經(jīng)過維度拓撲后，本控制系統(tǒng)的設(shè)計思想可用于多維同步控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

設(shè)計了一種大負載雙缸舉升智能同步控制系統(tǒng)，使得大負載雙缸舉升過程的同步性大大提高，能夠有效補償負載筒偏心、負載筒換級、舉升油缸速度不一致及舉升油缸換級等帶來的擾動，使得系統(tǒng)整個行程內(nèi)雙缸的位移差保持在很小的范圍，能夠適應(yīng)系統(tǒng)剛度不夠強、或負載無法承受較大扭力的工況。同時，該控制方法可以推廣到類似的大負載高精度的雙缸同步控制系統(tǒng)。