基于高速开关阀的液压AGC系统的控制算法研究

!#$年%月第%%卷第&期机床与液压’()*+,-.//01*234(50+)6(789!#$:;9%%,;9&!#!#=?$?@A9BCCD9##EFF#9!#$9&9%收稿日期!!#GEE!$基金项目!山西省自然科学基金资助项目!#%##!%EG$#山西省回国留学人员科研资助项目!#%#$G$#莆田市工业科技计划项目!#X#!$作者简介!李玉贵#?$&%$&男&博士&教授&研究方向为机电液一体化和重型机械结构优化设计’-EJKB!&F!GF#&O‘‘9T;J’基于高速开关阀的液压(X)系统的控制算法研究李玉贵#!张辽#!庞思勤!!褚艳涛#!徐玉蕊##=太原重型机械装备协同创新中心!山西太原!%#!=北京理工大学机械与车辆学院!北京#F#$摘要!研究高速开关阀用于液压(X)系统的控制算法&使其代替伺服阀实现液压(X)的数字化控制’基于补偿滞后时间b^’控制与HKDYaHKDY控制相结合的思想提出三步消零算法&即对于所有的位移调节量&高速开关阀最多只需次切换&同时消除其零位死区&实现其对位置的快速精确控制’高速开关阀的次切换体现为$种情况&通过(’-6BJ建立缸体压下仿真模型&并对$种情况的位移响应曲线和速度响应曲线进行仿真分析’理论与仿真分析表明!当初始调节量大于#$!J时&运用该算法能够实现液压(X)系统的数字化控制&缸体在上抬和压下时其误差可分别控制在E#!o#!!J和E%o%!J内’关键词!高速开关阀#液压(X)#滞后时间补偿#HKDYaHKDY控制#(’-6BJ中图分类号!.*#&9G!VV文献标志码!(VV文章编号!##EFF#!#$#&E#GEG-).%/)0=0)/5%D2C,1,4/6D)*3(’/4&056=X-$(1%,2Y41,’).35DU1+,,’.U)**K40:,0+2SYSB#&j*(,X0BK;#&b(,X6B‘BD!&)*52KDPK;#&l52S8SB##=);K[;8KPB]Q+DD;]KPB;D)QDPQ8;Z.KB\SKD*QK]\’KTLBDQ8\-‘SB7JQDP&.KB\SKD6LKDMB!%&)LBDK#!=6TL;;;Z’QTLKDBTKKDR(SP;J;PB]Q-DYBDQQ8BDY&HQBABDY+DCPBPSPQ;Z.QTLD;;Y\&HQBABDY#F#&)LBDK$=71%/46%!4QCQK8TLPLQT;DP8;KY;8BPLJPLKPJKRQLBYLaC7QQR;Da;ZZ]K]QP;8Q7KTQCQ8];]K]QBD;8RQ8P;8QKBeQPLQRBYBPKT;DP8;;ZL\R8KSBTKSP;JKPBTYKBDT;DP8;(X)$C\CPQJ=.LQPL8QQaCPQ7QBJBDKPB;DeQ8;KY;8BPLJNKC78QCQDPQR&NLBTLNKC[KCQR;DT;J[BDBDYBRQKC;ZT;J7QDCKPBDYKYPBJQ7SCQNBRPLJ;RSKPB;Db^’$T;DP8;KDRHKDYaHKDYT;DP8;=I;8KRBC7KTQJQDPKRaASCPJQDPKJ;SDPC&PLQLBYLaC7QQR;Da;ZZ]K]Q;D\NKCDQQRQRP;CNBPTLPL8QQPBJQCP;QBJBDKPQBPCeQ8;RQKRe;DQ&KDRKTLBQ]QRPLQ7S87;CQ;ZT;DP8;BDY7;CBPB;D‘SBT_\KDRKTTS8KPQ\=.LQCNBPTLZ;8PL8QQPBJQC;ZLBYLaC7QQR;Da;ZZ]K]QNKCCL;ND[\CBM_BDRC;ZTB8TSJCPKDTQC=.LQCBJSKPB;DJ;RQNKCT8QKPQRBD(’-6BJC;ZPNK8QNLQDPLQT\BDRQ8LKRR;NDNK8RJ;]QJQDP=(DRPLQ8QC7;DCQTS8]Q;ZPLQC7QQRKDRRBC7KTQJQDPNKCKDK\eQRNBPLCBJSKPB;DBDCBM_BDRC;ZTB8TSJCPKDTQC=.LQPLQ;8QPBTKKDRCBJSKPB;DKDK\CBC8QCSPCCL;NPLKPNLQDPLQBDBPBKRBC7KTQJQDPBCJ;8QPLKD#$!J&PLQL\R8KSBT(X)C\CPQJT;DP8;QR[\PLBCKY;8BPLJTKD8QKBeQBPCRBYBPKT;DP8;=^LQDPLQT\BDRQ8LKRS7NK8RJ;]QJQDPKDRR;NDNK8RJ;]QJQDP&PLQQ88;8TKD[QBJBPQRNBPLBDa#!o#!!JKDRE%o%!J8QC7QTPB]Q\=,(;)/’1!*BYLaC7QQR;Da;ZZ]K]Q#*\R8KSBT(X)#);J7QDCKPB;D;ZPBJQKY#HKDYa[KDYT;DP8;#(’-6BJ!前言目前在液压(X)系统中&主要通过伺服阀来实现缸体位置的精确控制&但伺服阀存在抗污染性能差(价格较昂贵(工作稳定性及重复性差等缺点)#*&不利于系统可靠性的提高及成本的降低’而高速开关阀则能够克服上述缺点&故将高速开关阀用于液压(X)系统中实现其数字化控制优点显著&该系统可以简称为数字液压(X)系统’同样高速开关阀也存在一些缺点!如输出流量小(存在零位死区等&对于小型带材轧机液压(X)系统&高速开关阀能够满足其流量的需求&因此研究一种控制算法消除高速开关阀的零位死区&同时可以实现阀控缸的快速动作&对于数字液压(X)系统的研究意义重大’目前没有高速开关阀用于(X)系统的相关研究&但国内外学者对高速开关阀控缸位置精确控制做了大量的研究’刘少军(高建臣(苏明等)!E%*先后用线性二次型最优控制原理(模糊控制算法(遗传算法等方法对高速开关阀的位置控制进行优化’然而他们的研究均缺乏对高速开关阀零位死区的影响分析&要提高系统的控制精度&必须消除高速开关阀的零位死区’高钦和采用b^’EbI’相结合的控制算法进行流量调节&以降低频响为代价&有效地降低了液压缸启动过程中的时间延迟与位置误差)G*&但此方法对于高频响的液压(X)系统不适用’对于消除高速开关阀零位死区的方法&国外相关学者曾提出补偿滞后时间b^’控制和差动b^’控制法&然而差动b^’控制则仅用于对称缸&对于液压(X)系统的液压缸不适用’故本文作者基于补偿滞后时间b^’控制与HKDYaHKDY控制相结合的思想提出用于数字液压(X)系统控制的三步消零算法&以实现缸体位置的快速精确控制’#补偿滞后时间b^’控制所谓脉宽调制b^’$就是在一定的脉冲周期?内&通过调节开启时间宽度?7与?的比值即占空比2$大小来实现高速开关阀对平均输出流量的调节’图#所示为一周期内高速开关阀的动作过程&共分为五个阶段!电气延迟阶段&##阀芯开启阶段&!#阀芯全开阶段&&#断电延迟阶段&#阀芯关闭阶段&%)$*’图#V高速开关阀的动作过程由图#可知&当?7小于&#时&高速开关阀无法开启即进入零位死区$&此时要实现其开启就必须对其滞后时间进行补偿’所谓补偿滞后时间b^’控制&就是通过测定实际阀的滞后时间&#&在决定占空比时对滞后时间加以考虑&预先给予变调脉冲幅以某种程度的加宽&从而抵消滞后带来的影响)&*&实现高速开关阀对位置的精确控制’三步消零算法中的补偿滞后时间b^’控制只用于最后一个周期&阀的启闭是通过换算后的时间差来调节的&此时的?7c&EA&其中&E为所需调节量#A为高速开关阀开启时缸体的运动速度’控制流程图如图!所示’图!V滞后补偿b^’控制流程图$HKDYaHKDY控制原理所谓HKDYaHKDY控制&是利用极小值原理求解时间最小的方法&是一种时间最优控制&它的目标函数总是取在容许控制的边界上&要么取最大值&要么取最小值&只在这两个数值上切换&相当于一个继电器’这种控制又称为快速控制法&控制的关键在于阀值的选取&阀值选取过大&则系统的超调量增加#阀值选取过小&则HKDYaHKDY控制不能充分发挥其优越性)F*’基于HKDYaHKDY控制的三步消零算法将阀值选取为高速开关阀开启一周期后缸体的位移量J&当所需调节量大于J时&高速开关阀得电开启&不进行b^’控制&只有当调节量小于J时&才进行b^’控制及补偿滞后时间b^’控制&从而实现了缸体位置的快速控制’%系统控制原理及算法描述基于动态设定型(X)控制模型&记#Qc实测压力E设定压力&当#Qv时&缸体压下#当#Qf时&缸体上抬#根据外加扰动&#可以计算出所需调节量&E’由于缸体在上抬和压下时&数字液压(X)的控制原理相同&故文中以缸体压下为例阐述数字液压(X)系统的控制原理及算法’研究用的高速开关阀为贵州红林机械厂生产的两位三通常闭式高速开关阀&额定压力!’bK&额定流量?0@JBD&死区滞后最大时间为9GJC&此时当占空比小于&i时&阀进入死区不开启’液压缸的频率为#G*e&为保证板带材的精度&设定脉宽调制的频率为!*e’数字液压(X)系统工作原理图如图所示’+M@L+机床与液压第%%卷图V数字液压(X)原理图由图可知&当缸体压下时&高速开关阀得电开启通流&高速开关阀%失电回流’当两阀都关闭时双向液压锁起保压作用’为实现缸体压下的精确控制&文中引入三步消零算法&三步消零算法设置了个位置切换点!占空比为!i时高速开关阀开启一个周期的位移量记为J##占空比为#i时的位移量&记为J!#占空比为Fi的位移量为J!EJ#’算法控制流程图如图%所示’图%V控制算法流程图控制算法描述及其数学模型如下!#$&E()&J#$时&高速开关阀得电开启&时间&后高速开关阀关闭’此阶段为补偿滞后时间b^’控制阶段’&c&EAd&##$Ac!$#!$式中!!为高速开关阀的输出流量&?0@JBD#$#为液压缸大腔面积#&为高速开关阀得电时间#A为高速开关阀开启时缸体的速度’!$&E()J#&J!EJ#$时&高速开关阀得电开启进行b^’调制’&c2+?$2c&EJ!%$式中!2为占空比&?为高速开关阀的周期’$&E()J!EJ#&J!$时&高速开关阀得电开启进行b^’调制&第二个周期进行补偿滞后时间b^’控制’&c2?d&EdJ#EJ!Ad&#G$Ac!$#$$2cJ!EJ#J!&$%$&Ec)J!d1且1()&J#$时&在前)个周期内&高速开关阀得电开启&在第)d#$个周期内进行补偿滞后时间b^’控制’&c)?d1Ad&#F$Ac!$#?$G$&Ec)J!d1且1()J#&J!EJ#$时&在前)个周期内&高速开关阀得电全开&第)d#$个周期内进行b^’控制’&c)?d2+?#$2c1J!##$$$&Ec)J!d1且1()J!EJ#&J!$时&在前)个周期内&高速开关阀得电开启&第)d#$个周期进行b^’控制&第)d!$个周期进行补偿滞后时间b^’控制’&c)?d2+?d&EdJ#EJ!Ad&##!$2cJ!EJ#J!#$Ac!$##%$&(’-6BJ仿真分析%9#V仿真模型根据数字液压(X)系统的工作原理及控制算法&利用(’-6BJ软件建立缸体压下仿真模型&如图G所示’+F@L+第&期李玉贵等!基于高速开关阀的液压(X)系统的控制算法研究VVV图GV数字液压(X)系统压下时仿真模型VV仿真模型中各元件的主要参数设置如下!高速开关阀进油口直径为!JJ&球阀直径为JJ&阀芯质量为!Y&阀芯的最大位移为JJ&频率为!*e&死区滞后时间小于9GJC#系统压力为!’bK&活塞直径为!!JJ&活塞杆直径为#FJJ’基于液压(X)压下的特点&在线微调时&调节量一般在#JJ左右’经理论分析&设定所需压下调节量分别为!9#$(9##(9#F(#(#9#(#9#GJJ’%9!V仿真结果所需压下量&Ec9#$JJ时&模型仿真结果如图$(&所示’图$V位移响应曲线VVVV图&V速度响应曲线所需压下量&Ec9##