析廣義脈碼調(diào)制閥控制非對稱缸動力特性|資料

研究了一種廣義脈碼調(diào)制控制的非對稱數(shù)字閥，利用不同編碼方式可實(shí)現(xiàn)閥正反向節(jié)流面積比率可調(diào)，同一個閥能適應(yīng)兩作用腔面積比不同的非對稱缸控制要求。提出了廣義脈碼調(diào)制編碼的一般原則，與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，研究了該系統(tǒng)的控制策略及控制方法，得出一種對廣義脈碼調(diào)制液壓位置伺服系統(tǒng)有效的控制方法。引言

非對稱液壓缸在液壓位置／力伺服系統(tǒng)中 使用。由于缸兩腔的作用面積不等，在正反方向上的速度特性及動態(tài)特性不同，導(dǎo)致系統(tǒng)正反方向上的動靜態(tài)特性存在差異。非對稱閥控制非對稱缸可有效降低換向時的壓力突變及動靜態(tài)性能的不對稱性。普通的非對稱閥節(jié)流窗口面積梯度之比為固定值，需與缸配套設(shè)計(jì)使用，互換性差，制造工藝復(fù)雜，使閥成本增加。廣義脈碼調(diào)制(generalization　pulse　code　modulation，GPCM)閥采用一定數(shù)量、不同流量的節(jié)流基元組成，價(jià)格低，抗污染能力強(qiáng)，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要靈活地改變各組成節(jié)流閥的節(jié)流面積和編碼方式，得到不同流量。筆者對GPCM液壓伺服控制理論進(jìn)行了研究，本文對GPCM數(shù)字閥控非對稱缸的壓力和流量特性進(jìn)行研究。

１　GPCM閥控缸系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)簡介

GPCM閥由一個四通方向控制閥和一組節(jié)流基元組成，各基元的節(jié)流口面積按一定調(diào)制規(guī)律設(shè)定，由脈沖控制信號來控制它們的啟閉狀態(tài)，經(jīng)組合得到不同的總節(jié)流面積，構(gòu)成回油節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，從而達(dá)到控制系統(tǒng)流量的目的，其流量控制原理見圖1。圖中，Q1、Q2分別為缸無桿腔和有桿腔壓力油流量，m3/s；ps為系統(tǒng)壓力，Pa；Qs為系統(tǒng)流量，m3/s；pr為閥出口壓力，Pa；Qr為閥出口流量，m3/s；A1、A2分別為缸無桿腔和有桿腔截面面積，m2；p1、p2分別為缸無桿腔和有桿腔壓力，Pa；m為系統(tǒng)等效質(zhì)量，kg。

1.2GPCM編碼規(guī)律

當(dāng)非對稱液壓缸活塞在不同方向運(yùn)行時，由于活塞兩側(cè)作用面積不對稱，在相同速度下，通過閥節(jié)流單元群的流量不相同。GPCM閥流量控制為方向閥加回油節(jié)流方式，只在一個方向上有流量控制作用。
式中，Q為無桿腔回油時GPCM閥流量，m3/s；Cd為流量系數(shù)；Ni為脈沖編碼值；S0為節(jié)流基面積，m2；∆p為節(jié)流單元節(jié)流口壓降，Pa；ρ為液體密度，kg/m3。
由于非對稱液壓缸兩腔的有效截面積不同，當(dāng)非對稱液壓缸活塞在相反方向運(yùn)行時，在相同速度下，GPCM閥的流量是不相同的。如忽略液壓缸和閥的泄漏以及假設(shè)液壓油不可壓縮，可得活塞具有相同速度的條件為
如果采用對稱編碼流量控制，在控制過程中，相同的控制輸入量將得到不同的速度，使液壓缸活塞運(yùn)動的對稱性受到影響，特別是在多缸系統(tǒng)需要同步運(yùn)動時，使系統(tǒng)運(yùn)動不協(xié)調(diào)，控制性能降低。
GPCM伺服控制系統(tǒng)可以利用編碼方式，使GPCM閥成為流量非對稱閥，可有效地降低非對稱缸左右運(yùn)動不對稱特性對系統(tǒng)控制性能的影響。左右運(yùn)動速度相等的條件對應(yīng)的編碼規(guī)則為即液壓缸縮回行程中的編碼值為伸出行程編碼值的A1/A2倍，可以保證非對稱液壓缸運(yùn)動速度的對稱性。一般非對稱缸兩腔的作用面積比近似于1∶2，這為非對稱缸的脈沖編碼控制帶來了方便。控制時，輸出脈沖相應(yīng)地向左移一位就可以達(dá)到輸出要求。

利用非線性控制理論對GPCM系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了理論與試驗(yàn)分析研究，推導(dǎo)出GPCM控制閥的節(jié)流基元最小節(jié)流基面積S0為缸活塞桿伸出與縮回時閥控制最小節(jié)流流量確定后，閥控制的最大流量根據(jù)系統(tǒng)要求來確定。

GPCM閥控制最小節(jié)流流量稱為GPCM閥的分辨率，它是閥的控制流量發(fā)生變化的控制最小增量。一般在電液伺服系統(tǒng)處于通常工作狀態(tài)時，閥分辨率對系統(tǒng)運(yùn)行影響不大，但當(dāng)系統(tǒng)處于低速流量運(yùn)行時，閥分辨率對系統(tǒng)的動態(tài)性能就會有大的影響。當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)動時，由于閥的量變化很小，即其輸入信號變化也較小，此時，閥分辨率就必須加以考慮，一般來說，小流量的伺閥分辨輸入信號的能力優(yōu)于大流量的伺服閥。所以，對GPCM電液伺服系統(tǒng)采取變增益閥的方案液壓缸在高速或常速運(yùn)動情況下，閥呈高增益，當(dāng)液壓缸處于低速運(yùn)動時，閥呈低增益，以實(shí)現(xiàn)高的分辨率，達(dá)到高速與高精度控制相結(jié)合的目的。據(jù)此確定了如下GPCM編碼規(guī)則：確定最小量，閥的前幾位節(jié)流單元流量按照二進(jìn)制比例排列，可以得到較高的分辨率，達(dá)到要求的控制性能。

２　控制策略

GPCM閥控位置伺服系統(tǒng)除了液壓伺服系統(tǒng)所固有的非線性特性外，還由于采用了脈沖調(diào)制控制，具有流量變化不連續(xù)的特點(diǎn)，系統(tǒng)高精度控制困難，系統(tǒng)建模不易且相關(guān)參數(shù)難以精確確定，使得基于被控對象數(shù)學(xué)模型的各類控制方法不能有效解決此控制問題。

本文提出了一種新的控制方法應(yīng)用于GPCM液壓伺服控制系統(tǒng)。將GPCM伺服定位系統(tǒng)的響應(yīng)過程分為三個階段：①快速啟動，系統(tǒng)速度從零增加到最大，位置偏差迅速減小；②減速運(yùn)行，在運(yùn)動達(dá)到一定范圍時，為防止超調(diào)開始降低運(yùn)行速度；③定位保持，穩(wěn)態(tài)時具有強(qiáng)的抗干擾能力。這三個階段對應(yīng)閥流量從大到小，剛開始時以較大的組合流量以得到快速響應(yīng)，隨著偏差減少，閥流量逐步降低，到指定位置后保持輸出流量為零。

單獨(dú)使用一種控制算法難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高速、高精度的控制要求，因此采用了三種控制方法相結(jié)合，分別對應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng)的三個階段實(shí)施控制。最后設(shè)計(jì)的控制器控制算法如下：①位移誤差|e|>ε1時，Bang—Bang控制；②位移誤差ε1>|e|>ε2時，PID控制；③位移誤差|e|≤ε2時，模糊控制。其中ε1、ε2為切換控制測量的閾值。

系統(tǒng)在啟動階段，利用Bang—Bang控制的快速調(diào)節(jié)性能，使系統(tǒng)很快達(dá)到減速定位過程；在減速過程中，PID控制對動態(tài)性能有較好的調(diào)節(jié)作用，可有效消除和降低超調(diào)量，最后利用模糊控制，可以方便地實(shí)現(xiàn)非對稱脈碼輸出，達(dá)到精確定位。

３　實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上理論設(shè)計(jì)了GPCM閥的樣機(jī)，由6個節(jié)流基元組合控制閥的輸出流量，按照控制精度與響應(yīng)速度要求，根據(jù)式(5)確定6個節(jié)流基元的過流孔直徑分別為0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.7mm、1.2mm、2mm。它和非對稱缸組成了GPCM位置伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)控制框圖見圖3，液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)為A1=1.256×10-3m2，A2=8.76×10-4m2，m=30kg，ps=7MPa。

控制算法采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，能方便地自動實(shí)現(xiàn)算法間的切換，在調(diào)試時可方便地調(diào)整各控制器的參數(shù)。
不同控制方式下位置伺服系統(tǒng)的階躍響應(yīng)系統(tǒng)僅采用了PID調(diào)節(jié)控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于在指定位置附近控制器輸出量較小，常使閥工作在死區(qū)內(nèi)，當(dāng)閥工作在死區(qū)時，液壓缸停止運(yùn)動，直到由于誤差積分作用使控制器輸出量超出死區(qū)，閥又突然開啟，缸又加速運(yùn)動，通常會引起大的超調(diào)，振蕩、過渡時間長，控制精度低。在定位階段采用模糊控制器，控制器的輸出可以快速補(bǔ)償閥死區(qū)非線性，有效克服死區(qū)的影響，提高控制精度，見圖4b。系統(tǒng)對方波輸入信號的響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線見圖5。結(jié)果表明非對稱缸在兩個相反方向上的控制特性基本是對稱的，達(dá)到了控制目標(biāo)。

４　結(jié)論

(1)GPCM閥的流量編碼規(guī)律可以根據(jù)系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度要求確定，最小節(jié)流流量與控制精度有關(guān)，而速度與綜合流量相關(guān)。GPCM電液伺服系統(tǒng)采取變增益閥的方案，前幾位節(jié)流閥的流量成二進(jìn)制比例，后幾位按照總流量需求確定。

(2)GPCM閥可以通過改變脈沖編碼值而實(shí)現(xiàn)非對稱閥的功能，得到不同正反向節(jié)流面積比。

(3)采用Bang-Bang控制、PID控制和模糊控制相結(jié)合，用于GPCM閥控非對稱缸伺服系統(tǒng)中是可行的，并且不需要知道系統(tǒng)的非線性特性參數(shù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。