CN101672311B - 一种多液压缸同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多液压缸同步控制方法，所述控制方法包括下列步骤：A、控制器判断某一时刻缸的位移实际值PV是否到达行程值，若到达，则使得PID设定值SP等于该行程值；若不到达，则根据液压缸的实际位置值PV计算出PID设定值SP；根据SP及PV使用PID算法得到一个比例阀的开度设定值，比例阀按照此开度设定值做阀芯移动，并引起液压缸的运动；B、将液压缸的实际位置值PV反馈给控制器，转入步骤A；本发明中的同步控制方法不限运动缸数，没有主从运动缸的分工，缸运动速度和精度可通过参数调节，缸的运动速度是不固定的，以最快的速度到达目标值，最前缸与最后缸的位移值越接近，整体运动速度越快。

Description

一种多液压缸同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种同步控制方法，尤其涉及一种用于多个液压缸的同步控制方法。

背景技术

液压元器件在现代冶金设备中的运用越来越多，它具有反应快、速度高、动作稳定、控制精度高等特点，液压元件的运用不仅对液压专业提出了高的要求，同时对电气专业也提出了更高的要求。液压元件是执行器件，其运动的规律完全依靠电气专业的控制，电气的控制必须要尽量作到安全、平稳、快速、精度高。目前使用较多的同步控制方式是主从方式，就是选择一个缸作为主缸，以主缸的运动作为基础运动，其它缸为从缸，跟随主缸。主缸动作，从缸就动作，主缸运动快，从缸就运动快，主缸停止，从缸就停止。先给定主缸一个速度，然后用主缸的位置作为从缸的控制目标，这样就实现了主从缸的动作一致，并且在动作控制上，只需要将控制信号发送到主缸上就行了。而主从方式有如下不足：(1)主缸的选取存在难度，如果刚好选到比较差的缸作为主缸，那么会导致所有缸的运动受到约束。理论上说，用最接近于平均运动速度的缸作为主缸最为理想，但这种运动关系的寻找相当麻烦，一般都是随机确定主缸。(2)由于所有从缸的运动跟随主缸。从缸的运动精度很难保证。有可能出现主缸在前面，而从缸在后面追不上，并且差距越来越大的情况。缸的运动精度无法保证。(3)由于运动速度由主缸决定，无法协调从缸与主缸的速度匹配，也就无法作到整体运动速度的最优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种无需区分主从缸的多液压缸同步控制方法。

为了实现上述目的，采用下列技术方案：一种多液压缸同步控制方法，其特征在于：所述控制方法包括下列步骤：A、控制器判断某一时刻缸的位移实际值PV是否到达行程值，若到达，则使得PID设定值SP等于该行程值；若不到达，则根据液压缸的实际位置值PV计算出PID设定值SP；根据SP及PV使用PID算法得到一个比例阀的开度设定值，比例阀按照此开度设定值做阀芯移动，并引起液压缸的运动；

B、将液压缸的实际位置值PV反馈给控制器，转入步骤A；

所述PID设定值SP是根据下列函数计算出来的：

当液压缸处于上升状态时： $\mathrm{SP}=\mathrm{PV}+[\frac{\mathrm{Ka}}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}+(\mathrm{Max}-\mathrm{PV})*\mathrm{Kc}]*\mathrm{Step}$

式中，

若Max-Min＜Ka  则使得Max-Min的值为Ka；

若(Max-PV)*Kc＞Km则使得(Max-PV)*Kc的值为Km；

当液压缸处于下降状态时： $\mathrm{SP}=\mathrm{PV}-[\frac{\mathrm{Ka}}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}+(\mathrm{PV}-\mathrm{Min})*\mathrm{Kc}]*\mathrm{Step}$

式中

若Max-Min＜Ka  则使得Max-Min的值为Ka；

若(PV-Min)*Kc＞Km  则使得(PV-Min)*Kc的值为Km；

其中，

SP为某缸位移控制的PID设定值；

PV为某缸的位移实际值；

Max为位移最大缸的位移实际值；

Min为位移最小缸的位移实际值；

Ka为前进速度系数；

Kc为跟随系数；

Km为跟随系数极限值；

Step为控制周期运动步长。

本发明的有益效果为：本发明中的同步控制方法不限运动缸数；不限定缸的运动行程；没有主从运动缸的分工；缸运动速度和精度可通过参数调节；缸的运动速度是不固定的，前后位置关系不是固定的；以最快的速度到达目标值；最前缸与最后缸的位移值越接近，整体运动速度越快。

附图说明

图1为本发明的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的说明：

每个液压缸带一个位移传感器，以测量实际位移。一个单独的控制环路如图1所示：首先控制器判断某一时刻缸的位移实际值PV是否到达行程值，若到达，则使得SP的值等于该行程值，若不到达则根据液压缸的实际位置值PV计算出PID设定值SP；然后PID算法根据设定值SP及PV计算出一个输出值，此处的PID输出值就是比例阀的开度设定。将此PID输出值送到比例阀的输入上，比例阀会根据此值作阀芯移动，引起液压缸的运动。由于要形成闭环控制，将液压缸的实际位置信号反馈给控制器，作为PID算法的实际值PV。这样一个简单的位置闭环控制回路就形成了。当多只缸同时动作时，由于油路、阀、缸、载荷的差异性，势必会导致同步性差。为了提高同步性，这里对设定值SP进行相应的变化。

如果把运动快的缸的设定值SP减小，而把运动慢的缸的设定值SP加大，这样就会引起PID计算值的相应不断变化，缸的运动速度也会随之变化。也就是说，当缸在运动过程中，设定值SP是一个根据同步性要求动态变化的值。只有在当缸的实际位移值到达行程要求时，这时的设定值才更改为行程值，不再变化。

为了找到一个合理的设定值SP动态变化范围，必须先求得多缸运动的差异性的大小，即最大值与最小值的差值，以这个差值作为变化基数。具体计算方法如下：

上升过程：

$\mathrm{SP}=\mathrm{PV}+[\frac{\mathrm{Ka}}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}+(\mathrm{Max}-\mathrm{PV})*\mathrm{Kc}]*\mathrm{Step}---(2-1)$

若Max-Min＜Ka使得Max-Min的值为Ka            (2-2)

若(Max-PV)*Kc＞Km使得(Max-PV)*Kc＝Km        (2-3)

下降过程：

$\mathrm{SP}=\mathrm{PV}-[\frac{\mathrm{Ka}}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}+(\mathrm{PV}-\mathrm{Min})*\mathrm{Kc}]*\mathrm{Step}---(2-4)$

若Max-Min＜Ka使得Max-Min的值为Ka            (2-5)

若(PV-Min)*Kc＞Km使得(PV-Min)*Kc的值为Km    (2-6)

式中，

SP为某缸位移控制的PID设定值，

PV为某缸的位移实际值，

Max为位移最大缸的位移实际值，

Min为位移最小缸的位移实际值，

Ka为前进速度系数，

Kc为跟随系数，

Km为跟随系数极限值，

Step为控制周期运动步长。

从式中可以看出，某缸的位移控制PID的设定值SP是动态变化的，是在实际值的基础上作动态的修改；当缸向上运动时，SP就是在实际值的基础增加一定的量，让PID控制算法得出向上运动的开度；当缸向下运动时，SP就是在实际值的基础减少一定的量，让PID控制算法得出向下运动的开度；并且SP修改值的大小与最大位移缸和最小位移缸的差值、以及此缸相对于最大位移缸或最小位移缸的位移差值相关。

当缸位移的实际值与设定值满足系统要求时，SP应该等于设定值，不再变化。

2-1式或2-4式中的第一项PV就是此缸位移的实际值，现在把式中的第二项进行分解，即SP值在实际值基础上的增加量：

上升时：

$\frac{\mathrm{Ka}}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}*\mathrm{Step}+(\mathrm{Max}-\mathrm{PV})*\mathrm{Kc}*\mathrm{Step}---(2-7)$

下降时：

$-\frac{\mathrm{Ka}}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}*\mathrm{Step}-(\mathrm{PV}-\mathrm{Min})*\mathrm{Kc}*\mathrm{Step}---(2-8)$

2-7式又可以分解为两项

$\frac{\mathrm{Ka}}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}*\mathrm{Step}---(2-9)$

(Max-PV)*Kc*Step            (2-10)

2-8式也可以分解为两项

$-\frac{\mathrm{Ka}}{\mathrm{Max}-\mathrm{Min}}*\mathrm{Step}---(2-11)$

-(PV-Min)*Kc*Step           (2-12)

现假定缸作上升下降运动，上升运动位移值增加，下降运动位移值减小。

对于位移增加的上升运动：

2-9式称为前导因子，2-10式称为追随因子。2-9式决定了最上面缸的SP值，当此缸是最上面缸时，2-10式的值为0，2-9式的值随Max-Min的值变化，最大与最小位移缸的差值越大，前导因子的值就越小，最上面缸的运动速度就会降低；最大位移缸与最小位移缸的差值越小，前导因子的值就越大，最上面缸的运动速度就会更快；如果差值小于了Ka，则前导因子的值就等于Step。就是说最上面缸的运动速度会受到最下面缸的影响。当此缸是最下面缸时，2-9式的值相对非常小，起主导作用的将是2-10式，并且最大与最小位移的差值越大，2-9式的值将变得越小，2-10式的值变得越大，可能是数倍的Step，这样经过PID控制算法得出向上运动的开度就会很大，运动速度就会很快，当越接近最大位移缸时，2-10式的值就会变得越小，速度也会降低。只要此缸不是最大位移缸，都是处于追逐状态，并且实际位移值越小，追逐速度越快，这样就达到了同步的目的。

对于位移减少的下降运动：

2-11式称为前导因子，2-12式称为追随因子。2-11式决定了最下面缸的SP值，当此缸是最小位移缸时，2-12式的值为0，2-11式的值随Max-Min的值变化，最大与最小位移缸的差值越大，前导因子的值就负得越小，最下面缸的运动速度就会降低；最大位移缸与最小位移缸的差值越小，前导因子的值就负得越大，最下面缸的运动速度就会更快；如果差值小于了Ka，则前导因子的值就等于-Step。就是说最下面缸的运动速度会受到最上面缸的影响。当此缸是最上面缸时，2-11式的绝对值相对非常小，起主导作用的将是2-12式，并且最大与最小位移的差值越大，2-11式的绝对值将变得越小，2-12式的绝对值变得越大，可能是数倍的Step，这样经过PID控制算法得出向下运动的开度就会很大，运动速度就会很快，当越接近最下面缸时，2-12式的绝对值就会变得越小，速度也会降低。只要此缸不是最小位移缸，都是处于追逐状态，并且实际位移值越大，追逐速度越快，这样就达到了同步的目的。

在上式中，可能出现一种情况，最大位移缸与最小位移缸的差值非常大，而第二位移缸与最大位移缸的差值又非常小，这时，由于参数选取的不合适，可能会出现第二位移缸的PID计算开度没有最大位移缸的PID计算开度大，第二位移缸的运动速度没有最大位移缸的速度快，但这种差值并不会很大。这时可以在控制程序里加一个判断，强制把速度补上去，也可以不去理会，因为这样的差值肯定会在控制的误差范围之内。同步控制的最主要目的是要把最落后的缸尽快追上去。

以上公式中，取值的一般范围是：

Step：理论计算的每控制周期行程值的2～4倍

Ka：允许控制最大误差的1/3～1

Kc：5～10/允许控制最大误差

Km：3～5

以上描述中仅对同步方法的公式及参数作了说明，未涉及PID算法的参数取值，PID参数取值需要根据具体执行机构特点和传递函数进行确认，并且可根据需要，取消I控制或D控制。此处不作说明。

可以看出，这是一种动态的同步，没有缸数的限制，没有行程限制，没有主从的分工，每个缸都是平等的，缸的运动速度是不固定的，前后位置关系也可能不是固定的。通过前导因子和追随因子的作用，让最前面的缸保持向前运动，使后面的缸尽量快地追上来，这样就可以在同步的运动中，以最快的速度到达目标值，并且是最前缸与最后缸的位移值越接近，整体运动速度越快。

式中Step的值即影响了前导因子的大小，也影响了追随因子的大小，也就是说，调节Step的值就可以实现对运动速度的调节，增加Step值，运动速度加快，减小Step值，运动速度降低。

PID算法为一个成熟的现有技术，在此不在进行描述。凡是有多缸同时运动的控制状况均可采用此方法进行控制，本方法可以适用于多种液压执行器，如比例阀和伺服阀等。

以连铸机的翻转冷床的液压缸同步运动为例：

连铸机的翻转冷床的升降动作是由四个液压缸驱动，要求的运动速度快，同步性要求比控制精度要求更高。每个缸都采用相同的位移闭环PID控制，具体的程序编制此处不作说明。

A.控制周期不宜太长，但也不宜太短。太长会导致控制精度下降，太短会引起CPU负荷过重。实际应用中，取控制周期为50ms。

B.由于设备制造和装配的问题，四缸的最低水平位置不会是一样的，需要人工确定一个相对零点。

C.由于选用的是通用型正遮盖比例阀，又要作闭环控制，必须对零点死区作良好的处理，不然会导致开始动作的等待时间非常长，一旦动作，速度又相当快，这样比例阀就会失控。

D.如果规定位移增加的上升运动方向为正，则下降运动位移应该减少，方向为负。同时要注意比例阀开度为正时，对应的运动方向是不是为正，如果不是，程序中应该反过来。由于比例阀的输入信号为4～20mA，则12-4mA为开度负值，12-20mA为开度正值。

E.当实际位移值接近目标行程值时，应该把PID控制的SP值更改为目标行程值。这时一定要注意运动的惯性，并且要通过实验的方法来确定到位信号。

表1

数据名	代号	数值	单位	说明
					液压缸直径		280	mm
液压工作压力		200	bar
					液压缸数目		4	个
运动抬升重量		50~400	t	由坯子数量决定
					比例阀死区		±10~15	％	各阀不一致
上升行程		300	mm	油缸行程350
					设备允许最大误差		15	mm	任意两缸的位移差
控制周期		15	ms

PID参数	P	0.9
						I	30	s	可以取消I控制
	D	0	s
					同步参数设定	Ka	15
	Kc	1.5
						Step	6	mm
	Km	3
					实际运行同步最大误差		5	mm	任意两缸的位移差
实际运行平均速度		30	mm/s	从启动至到位结束

首先，控制器判断某一时刻的位移实际值是否到达该时刻的行程值300mm，若不到达，则根据液压缸的实际位置值PV计算出PID设定值SP，根据SP和PV使用PID算法得到一个比例阀的开度设定值，比例阀按照此开度设定值做运动，并引起液压缸的运动。液压缸的实际位置值PV反馈给控制器从而形成闭环控制。经过调节后的液压缸的实际位置PV值会不断的变换，因此SP的值与比例阀的开度设定值也会相应的进行不断地调整。此实施例中PID参数的取值、同步参数的设定及其他参数如表1中的数据所示。

采用此同步方法的效果是相当明显的，很好在控制了同步，并且运动速度也极快。

在适当放宽同步精度的条件下，还可以提高运行速度，这要根据实际需要来确定。提高位移最大缸运行速度可以修改的参数有：增加P值，增加Step值，增加Ka值；提高追逐缸运行速度可以修改的参数有：增加P值，增加Step值，增加Kc值，增加Km值；提高反应速度可以减小I值。但这些参数是相互制约的，修改某一项时，一定要考虑到对其它因素的影响。一般来说，如果调节整体运动速度，只需要修改Step的值就行了。同理，如果要调节最大缸的运动速度，修改Ka的值，如果要调节缸的追随速度，修改Kc和Km的值就行了。

同步最大误差的产生时刻一般都是在刚启动的时候，这是由于各阀死区不同引起的，如果能换用伺服阀，则同步精度会大幅提高，运行速度也能相应提高。就是说在高精度控制的场合，此同步方法同样适用，只是要将执行元件换成精度更高的伺服阀。

此方法能非常有效地解决因阀、油路、液压缸、机械设备、载荷等因素导致的多油缸运动的不同步性；能保证在同步的条件下用最快的速度到达目标值；不受运动缸数目和运动行程的限制；运行速度与同步精度可以通过参数进行调节。当在设备运动控制精度要求非常高的情况下使用本同步方法，则需要将执行元件换成高精度的伺服阀，使用方法一样，只是参数需要更改。

Claims (1)

1.一种多液压缸同步控制方法，其特征在于：所述控制方法包括下列步骤：

A、控制器判断某一时刻缸的位移实际值PV是否到达行程值，若到达，则使得PID设定值SP等于该行程值；若不到达，则根据液压缸的实际位置值PV计算出PID设定值SP；根据SP及PV使用PID算法得到一个比例阀的开度设定值，比例阀按照此开度设定值做阀芯移动，并引起液压缸的运动；

B、将液压缸的实际位置值PV反馈给控制器，转入步骤A；

所述PID设定值SP是根据下列函数计算出来的：

当液压缸处于上升状态时：

式中，

若Max-Min＜Ka  则使得Max-Min的值为Ka；

若(Max-PV)*Kc＞Km则使得(Max-PV)*Kc的值为Km；

当液压缸处于下降状态时：

式中

若Max-Min＜Ka  则使得Max-Min的值为Ka；

若(PV-Min)*Kc＞Km  则使得(PV-Min)*Kc的值为Km；

其中，

SP为某缸位移控制的PID设定值；

PV为某缸的位移实际值；

Max为位移最大缸的位移实际值；

Min为位移最小缸的位移实际值；

Ka为前进速度系数；

Kc为跟随系数；

Km为跟随系数极限值；

Step为控制周期运动步长；

取值范围为：

Step：理论计算的每控制周期行程值的2～4倍；

Ka：允许控制最大误差的1/3～1；

Kc：5～10/允许控制最大误差；

Km：3～5。

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