一种水压比例同步控制系统的研究

　　0　引　言

　　液压同步控制系统在许多领域具有广泛的用途.传统的液压系统以矿物油作为工作介质,相比较而言,由于水介质容易获得、不燃、安全性高、体积模量大以及环境友好和易于维护等优点,以水为工作介质的水压同步控制系统在许多场应用具有独特的优势.

　　根据控制模式分,液压同步控制有两种类型:开环控制和闭环控制.文献[1]介绍了一种水压驱动的水下舞台,采用开环的机械同步控制方式,水压缸的速度由节流阀来控制.对于闭环控制系统,常见的有两种方式,一是以比例阀作为控制元件的比例同步控制系统,另一种是以伺服阀作为控制元件的伺服同步控制系统.

　　国内外关于水压同步控制的研究并不多见.在水压控制技术研究方面,1995年,KOSKINEN K.T.等人研究了几种水压控制阀的特性,并建立了水压控制系统的非线性数学模型及试验系统[2].芬兰坦佩拉工业大学等单位的学者研究了ITER项目中水压驱动并联机器人及机械手的控制问题[3-5].在控制方法上,Sanada K.基于控制理论提出了一种鲁棒力控制器用于水压伺服控制系统[6].

　　研究了一种带位置反馈的水压比例同步控制系统.两个水压缸为非对称缸,采用比例阀流量阀控制.在理论建模仿真分析的基础上进行了试验研究,并设计了一种自适应控制器.通过这些研究,以期为水压同步控制系统的设计和现场应用提供理论基础.

　　1　系统组成和原理

　　图1所示为水压双缸同步控制系统原理图.系统可以分成三个模块:动力源模块,水压缸执行元件模块以及计算机辅助测试和控制模块(CAMCM).

　　动力源模块由电动机、水泵、水箱、压力控制阀和管道等组成.执行元件模块包括两个水压缸,两个单向节流阀及两个比例流量控制阀.CAMCM模块包括工控机、两个位移传感器和信号处理电路等.控制元件采用Danfoss提供的VOH30PE型比例流量阀.

　　系统采用线性自适应PID控制方法,如图2所示,选择主从控制策略,一个缸作为主动缸,由两个单向节流阀进行调速,而另一个缸作为从动缸,由两个比例流量控制阀来进行控制.

　　2　数学模型

　　2.1　比例流量控制阀

　　比例流量控制阀的输出流量与输入的电信号成正比.Satoru Hayashi等人对VOH30PE型流量控制阀进行了较深入的研究[7],其传递函数可可表示为

　　2.2　水压缸

　　从动缸的数学结构原理及主要参数如图4所示.关于水压缸的摩擦力问题,文献[8]、[9]进行了较深入的研究.在在缸的建模过程中,忽略摩擦力的影响,可以得出从动缸的控制方程.