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析廣義脈碼調製閥控製非對稱缸動力特性

更新时间:2019-11-09 15:02人气:8480

研究了一種廣義脈碼調製控製的非對稱數字閥,利用不同編碼方式可實現閥正反向節流麵積比率可調,同一個閥能適應兩感化腔麵積比不同的非對稱缸控製要求。提出了廣義脈碼調製編碼的一般原則,與實驗相結合,研究了該係統的控製策略及控製方法,得出一種對廣義脈碼調製液壓位置伺服係統有效的控製方法。 引言

非對稱液壓缸在液壓位置/力伺服係統中廣泛使用。由於缸兩腔的感化麵積不等,在正反方向上的速度特性及動態特性不同,導致係統正反方向上的消息態特性存在差異。非對稱閥控製非對稱缸可有效降低換向時的壓力突變及消息態性能的不對稱性。普通的非對稱閥節流窗口麵積梯度之比為固定值,需與缸配套設計使用,互換性差,製造工藝複雜,使閥本錢增加。廣義脈碼調製(generalization pulse code modulation,GPCM)閥采用一定數目、不同流量的節流基元構成,價格低,抗汙染能力強 ,可以根據係統的需要靈活地改變各構成節流閥的節流麵積和編碼方式,得到不同流量 。筆者對GPCM液壓伺服控製理論進行了研究,本文對GPCM數字閥控非對稱缸的壓力和流量特性進行研究。

1 GPCM閥控缸係統

1.1 係統簡介

GPCM閥由一個四通方向控製閥和一組節流基元構成,各基元的節流口麵積按一定調製規律設定,由脈衝控製信號來控製它們的啟閉狀況,經組合得到不同的總節流麵積,構成回油節流調速係統 ,從而達到控製係統流量的目的,其流量控製道理見圖1。圖中,Q1、Q2分別為缸無杆腔和有杆腔壓力油流量,m3/s;ps為係統壓力,Pa;Qs為係統流量,m3/s;pr為閥出口壓力,Pa;Qr為閥出口流量,m3/s;A1、A2分別為缸無杆腔和有杆腔截麵麵積,m2;p1、p2分別為缸無杆腔和有杆腔壓力,Pa;m為係統等效質量,kg。

1.2 GPCM編碼規律

當非對稱液壓缸活塞在不同方向運行時,由於活塞兩側感化麵積不對稱,在相同速度下,通過閥節流單元群的流量不相同。GPCM閥流量控製為方向閥加回油節流方式,隻在一個方向上有流量控建造用。 式中,Q為無杆腔回油時GPCM閥流量,m3/s;Cd為流量係數;Ni為脈衝編碼值;S0為節流基麵積,m2;∆p為節流單元節流口壓降,Pa;ρ為液體密度,kg/m3。由於非對稱液壓缸兩腔的有效截麵積不同,當非對稱液壓缸活塞在相反方向運行時,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和假設液壓油不可壓縮,可得活塞具有相同速度的條件為假如采用對稱編碼流量控製,在控製過程中 ,相同的控製輸進量將得到不同的速度,使液壓缸活塞活動的對稱性受到影響,特別是在多缸係統需要同步活動時,使係統活動不協調,控製性能降低。 GPCM伺服控製係統可以利用編碼方式,使GPCM閥成為流量非對稱閥,可有效地降低非對稱缸擺布活動不對稱特性對係統控製性能的影響。擺布活動速度相等的條件對應的編碼規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活動速度的對稱性。一般非對稱缸兩腔的感化麵積比近似於1∶2,這為非對稱缸的脈衝編碼控製帶來了方便。控製時,輸出脈衝相應地向左移一名就可以達到輸出要求。

利用非線性控製理論對GPCM係統的穩定性進行了理論與試驗分析研究,推導出GPCM控製閥的節流基元最小節流基麵積S0為缸活塞杆伸出與縮回時閥控製最小節流流量確定後,閥控製的最大流量根據係統要求來確定。

GPCM閥控製最小節流流量稱為GPCM閥的分辨率,它是閥的控製流量發生變化的控製最小增量。一般在電液伺服係統處於通常工作狀況時,閥分辨率對係統運行影響不大,但當係統處於低速流量運行時,閥分辨率對係統的動態性能就會有大的影響。當係統處於低速活動時 ,由於閥的量變化很小,即其輸進信號變化也較小,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進信號的能力優於大流量的伺服閥。所以,對GPCM電液伺服係統采取變增益閥的方案液壓缸在高速或常速活動情況下 ,閥呈高增益,當液壓缸處於低速活動時,閥呈低增益,以實現高的分辨率,達到高速與高精度控製相結合的目的。據此確定了如下GPCM編碼規則 :確定最小量,閥的前幾位節流單元流量按照二進製比例排列,可以得到較高的分辨率,達到要求的控製性能。

2 控製策略

GPCM閥控位置伺服係統除了液壓伺服係統所固有的非線性特性外,還由於采用了脈衝調製控製,具有流量變化不連續的特點 ,係統高精度控製困難,係統建模不易且相關參數難以精確確定,使得基於被控對象數學模型的各類控製方法不能有效解決此控製題目。

本文提出了一種新的控製方法利用於GPCM液壓伺服控製係統。將GPCM伺服定位係統的響應過程分為三個階段:①快速啟動,係統速度從零增加到最大 ,位置偏差迅速減小;②減速運行,在活動達到一定範圍時,為防止超調開始降低運行速度;③定位保持,穩態時具有強的抗幹擾能力。這三個階段對應閥流量從大到小,剛開始時以較大的組合流量以得到快速響應,隨著偏差減少,閥流量慢慢降低,到指定位置後保持輸出流量為零。

單獨使用一種控製算法難以實現係統高速、高精度的控製要求,是以采用了三種控製方法相結合,分別對應係統響應的三個階段實施控製。最後設計的控製器控製算法如下:①位移誤差|e|>ε1時,Bang—Bang控製;②位移誤差ε1>|e|>ε2時,PID控製;③位移誤差|e|≤ε2時,模糊控製。其中ε1 、ε2為切換控製丈量的閾值。

係統在啟動階段 ,利用Bang—Bang控製的快速調節性能,使係統很快達到減速定位過程;在減速過程中,PID控製對動態性能有較好的調節感化,可有效消除和降低超調量,最後利用模糊控製,可以方便地實現非對稱脈碼輸出,達到精確定位。

3 實驗

根據以上理論設計了GPCM閥的樣機,由6個節流基元組合控製閥的輸出流量,按照控製精度與響應速度要求,根據式(5)確定6個節流基元的過流孔直徑分別為0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.7mm、1.2mm、2mm。它和非對稱缸構成了GPCM位置伺服係統,係統控製框圖見圖3,液壓係統的首要參數為A1=1.256×10-3m2,A2=8.76×10-4m2,m=30kg,ps=7MPa。

控製算法采用計算機實現,能方便地主動實現算法間的切換,在調試時可方便地調整各控製器的參數。 不同控製方式下位置伺服係統的階躍響應係統僅采用了PID調節控製的實驗結果,由於在指定位置四周控製器輸出量較小,常使閥工作在死區內,當閥工作在死區時,液壓缸停止活動,直到由於誤差積分感化使控製器輸出量超出死區,閥又忽然開啟,缸又加速活動,通常會引發大的超調 ,振蕩、過渡時間長 ,控製精度低 。在定位階段采用模糊控製器,控製器的輸出可以快速補償閥死區非線性,有效克服死區的影響,進步控製精度,見圖4b。係統對方波輸進信號的響應實驗曲線見圖5。結果表明非對稱缸在兩個相反方向上的控製特性基本是對稱的,達到了控製目標。

4 結論

(1)GPCM閥的流量編碼規律可以根據係統控製精度和響應速度要求確定 ,最小節流流量與控製精度有關 ,而速度與綜合流量相關。GPCM電液伺服係統采取變增益閥的方案,前幾位節流閥的流量成二進製比例,後幾位按照總流量需求確定。

(2)GPCM閥可以通過改變脈衝編碼值而實現非對稱閥的功能,得到不同正反向節流麵積比。

(3)采用Bang-Bang控製、PID控製和模糊控製相結合,用於GPCM閥控非對稱缸伺服係統中是可行的,並且不需要知道係統的非線性特性參數,具有較強的實用性。

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