析廣義脈碼調制閥控制非對稱缸動力特性|資料

研究了一種廣義脈碼調制控制的非對稱數字閥，利用不同編碼方式可實現閥正反向節流面積比率可調，同一個閥能適應兩作用腔面積比不同的非對稱缸控制要求。提出了廣義脈碼調制編碼的一般原則，與實驗相結合，研究了該系統的控制策略及控制方法，得出一種對廣義脈碼調制液壓位置伺服系統有效的控制方法。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特性不同，導致系統正反方向上的動靜態特性存在差異。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性能的不對稱性。普通的非對稱閥節流窗口面積梯度之比為固定值，需與缸配套設計使用，互換性差，制造工藝復雜，使閥成本增加。廣義脈碼調制(generalization　pulse　code　modulation，GPCM)閥采用一定數量、不同流量的節流基元組成，價格低，抗污染能力強，可以根據系統的需要靈活地改變各組成節流閥的節流面積和編碼方式，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閥控缸系統

1.1系統簡介

GPCM閥由一個四通方向控制閥和一組節流基元組成，各基元的節流口面積按一定調制規律設定，由脈沖控制信號來控制它們的啟閉狀態，經組合得到不同的總節流面積，構成回油節流調速系統，從而達到控制系統流量的目的，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為系統壓力，Pa；Qs為系統流量，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為系統等效質量，kg。

1.2GPCM編碼規律

當非對稱液壓缸活塞在不同方向運行時，由于活塞兩側作用面積不對稱，在相同速度下，通過閥節流單元群的流量不相同。GPCM閥流量控制為方向閥加回油節流方式，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；Ni為脈沖編碼值；S0為節流基面積，m2；∆p為節流單元節流口壓降，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以及假設液壓油不可壓縮，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，使液壓缸活塞運動的對稱性受到影響，特別是在多缸系統需要同步運動時，使系統運動不協調，控制性能降低。
GPCM伺服控制系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左右運動不對稱特性對系統控制性能的影響。左右運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運動速度的對稱性。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，輸出脈沖相應地向左移一位就可以達到輸出要求。

利用非線性控制理論對GPCM系統的穩定性進行了理論與試驗分析研究，推導出GPCM控制閥的節流基元最小節流基面積S0為缸活塞桿伸出與縮回時閥控制最小節流流量確定后，閥控制的最大流量根據系統要求來確定。

GPCM閥控制最小節流流量稱為GPCM閥的分辨率，它是閥的控制流量發生變化的控制最小增量。一般在電液伺服系統處于通常工作狀態時，閥分辨率對系統運行影響不大，但當系統處于低速流量運行時，閥分辨率對系統的動態性能就會有大的影響。當系統處于低速運動時，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于大流量的伺服閥。所以，對GPCM電液伺服系統采取變增益閥的方案液壓缸在高速或常速運動情況下，閥呈高增益，當液壓缸處于低速運動時，閥呈低增益，以實現高的分辨率，達到高速與高精度控制相結合的目的。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制比例排列，可以得到較高的分辨率，達到要求的控制性能。

２　控制策略

GPCM閥控位置伺服系統除了液壓伺服系統所固有的非線性特性外，還由于采用了脈沖調制控制，具有流量變化不連續的特點，系統高精度控制困難，系統建模不易且相關參數難以精確確定，使得基于被控對象數學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用于GPCM液壓伺服控制系統。將GPCM伺服定位系統的響應過程分為三個階段：①快速啟動，系統速度從零增加到最大，位置偏差迅速減小；②減速運行，在運動達到一定范圍時，為防止超調開始降低運行速度；③定位保持，穩態時具有強的抗干擾能力。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，閥流量逐步降低，到指定位置后保持輸出流量為零。

單獨使用一種控制算法難以實現系統高速、高精度的控制要求，因此采用了三種控制方法相結合，分別對應系統響應的三個階段實施控制。最后設計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。

系統在啟動階段，利用Bang—Bang控制的快速調節性能，使系統很快達到減速定位過程；在減速過程中，PID控制對動態性能有較好的調節作用，可有效消除和降低超調量，最后利用模糊控制，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個節流基元組合控制閥的輸出流量，按照控制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。它和非對稱缸組成了GPCM位置伺服系統，系統控制框圖見圖3，液壓系統的主要參數為A1=1.256×10-3m2，A2=8.76×10-4m2，m=30kg，ps=7MPa。

控制算法采用計算機實現，能方便地自動實現算法間的切換，在調試時可方便地調整各控制器的參數。
不同控制方式下位置伺服系統的階躍響應系統僅采用了PID調節控制的實驗結果，由于在指定位置附近控制器輸出量較小，常使閥工作在死區內，當閥工作在死區時，液壓缸停止運動，直到由于誤差積分作用使控制器輸出量超出死區，閥又突然開啟，缸又加速運動，通常會引起大的超調，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償閥死區非線性，有效克服死區的影響，提高控制精度，見圖4b。系統對方波輸入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制特性基本是對稱的，達到了控制目標。

４　結論

(1)GPCM閥的流量編碼規律可以根據系統控制精度和響應速度要求確定，最小節流流量與控制精度有關，而速度與綜合流量相關。GPCM電液伺服系統采取變增益閥的方案，前幾位節流閥的流量成二進制比例，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現非對稱閥的功能，得到不同正反向節流面積比。

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