某液壓伺服系統(tǒng)振動分析及改進

宋麗華，張廣闊

（1.大連四達高技術(shù)發(fā)展有限公司，遼寧大連 116023；2.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的動作不是特別精確，因為大部分液壓閥是開關(guān)閥，控制方式常常是開環(huán)控制，或者使用不精確的反饋機制，例如限位開關(guān)或由操作員控制的操作桿。隨著液壓系統(tǒng)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展，液壓傳動系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足對其精度高、響應(yīng)快、定位準等的高要求，因此，液壓伺服控制系統(tǒng)逐漸發(fā)揮其優(yōu)勢并應(yīng)用越來越廣泛[1]。本文所研究的設(shè)備為航空航天領(lǐng)域某機構(gòu)試驗系統(tǒng)，旨在研究液壓同步伺服系統(tǒng)的應(yīng)用[2]，從機構(gòu)實際應(yīng)用中遇到的問題著手，分析并找到解決方案，為液壓伺服控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中提供參考。

1 機構(gòu)組成

如圖1 所示，機械結(jié)構(gòu)為液壓油缸雙缸同步控制機構(gòu)，2 個油缸的缸桿端同時鉸接在機械結(jié)構(gòu)件上，無桿腔為自由端；當油缸無桿腔供油時，雙缸同時伸出，要求雙液壓缸具有較高的同步精度，推動機械結(jié)構(gòu)件圍繞轉(zhuǎn)軸進行擺動，從而使機械結(jié)構(gòu)完成一定范圍內(nèi)的角度運動。

2 系統(tǒng)控制原理

圖1 機械結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，為本機構(gòu)液壓同步伺服控制原理圖[3]，圖中2個液壓缸各自由1 個伺服閥控制，伺服閥采用國際知名品牌德國力士樂4WSE2E 系列帶集成電子元件的噴嘴擋板伺服閥，控制信號為±10 mA；2 個液壓缸分別內(nèi)置德國巴魯夫公司的BTL7 系列磁滯伸縮位移傳感器，信號為SSI 數(shù)字接口，分辨率1 μm，同步模式輸出；同時，系統(tǒng)壓力檢測通過配備高精度壓力傳感器來實現(xiàn)，選用德國賀德克公司HDA4800 系列金屬膜片式壓力傳感器，響應(yīng)時間＜1 ms。

電氣控制系統(tǒng)采用采用美國DELTA 的RMC150 運動控制器，實現(xiàn)2 個液壓軸嚴格同步，其控制器硬件及RMC 軟件系統(tǒng)，如圖3 所示。RMC150 能夠輕松實現(xiàn)重載荷的精確移動，對電液執(zhí)行器可以實行精確地閉環(huán)控制。使用閉環(huán)控制主要是因為它的靈活性、準確性、速度可控性以及在不同工況（例如負載變化）下保持精確調(diào)節(jié)的能力。控制器有了精確的位置和壓力反饋后，可以選擇以下5 種控制模式中的1 種：①位置控制，②力控制，③位置或力控制，④限力情況下的位置控制，⑤主阻尼控制。

圖2 系統(tǒng)控制原理

圖3 DELTA 控制器

由于系統(tǒng)為雙缸同步控制，因此采用閉環(huán)位置控制模式，位置PID 控制算法。將持續(xù)的反饋和閉環(huán)控制相結(jié)合，閉環(huán)控制將反饋裝置發(fā)送的位置反饋信號和理想位置做比較，實現(xiàn)2 個油缸同步精度控制。

3 問題及分析

試驗之初，將機構(gòu)連接軸脫開，使2 個油缸空載運行，經(jīng)過多次往復運動，2 個油缸的同步性很好。但是當液壓油缸缸桿與機械結(jié)構(gòu)相連，再進行同步運動時，隨著油缸位移的增加，設(shè)備產(chǎn)生明顯抖動現(xiàn)象，導致設(shè)備無法繼續(xù)進行試驗。經(jīng)過排查液壓回路及機構(gòu)，分析并排除了常規(guī)導致系統(tǒng)產(chǎn)生振動的原因，例如管路內(nèi)空氣未排盡、機械結(jié)構(gòu)干涉等，發(fā)現(xiàn)此并非問題所在。

進一步從液壓控制原理上進行分析，由于2 個油缸均鉸接在同一個機械結(jié)構(gòu)上，圍繞軸心轉(zhuǎn)動時，不考慮裝配和安裝間隙等因素的情況下，可以認為2 個油缸和機械結(jié)構(gòu)是剛性連接體。當其中1 個油缸的位置固定后，另外1 個油缸只有唯一的對應(yīng)位置，不適合采用液壓強制嚴格同步控制。由于位置的實時調(diào)整，系統(tǒng)產(chǎn)生的內(nèi)力會造成2 只油缸的受力不一致，從而引起機構(gòu)抖動。

圖4 改進的系統(tǒng)原理

圖5 DELTA 的RMC150運動控制

4 系統(tǒng)改進

基于上述原因考慮，對系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進，改進后的系統(tǒng)原理，如圖4 所示。此方案更改為將2 只油缸的大腔與大腔相連通、小腔與小腔相連通，由2個伺服閥分別控制2 個液壓缸的模式，更改為1 個伺服閥控制2 個液壓缸的模式。相當于2 個油缸等效成1 個油缸，由1 個伺服閥進行控制。

對改進后的系統(tǒng)重新進行試驗，空載運行依然良好，加載后系統(tǒng)振動現(xiàn)象消失。如圖5 所示，從DETAL 控制器RMC150 軟件的運動圖中可以看出，液壓油缸雙缸的跟隨性很好，同步精度較高。

5 總結(jié)

運動控制的最高境界就是通過最佳的控制方法對系統(tǒng)實現(xiàn)精準的位置、速度和加速度控制。在做高精度、高頻響的伺服系統(tǒng)時，除了配置高精度、高響應(yīng)的位置、壓力反饋元件外，也要從機械結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的匹配合理性出發(fā)進行設(shè)計，使控制與系統(tǒng)達到更優(yōu)。這對伺服系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用以及控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)，都具有一定的現(xiàn)實意義。