CN102108994B - 具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统及其控制方法。本发明主要是解决现有的电液位置伺服系统存在的抑制高强度冲击载荷干扰差和系统结构复杂的技术难点。具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统，它包括液压源、加减器、控制器、电液伺服阀、液压缸、负载、位移传感器、模数转换器、数模转换器和功率放大器，其中：它还包括两个压力传感器、抗冲击补偿器和第二模数转换器，两个压力传感器设在液压缸高压腔和低压腔的油路中，压力传感器的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与抗冲击补偿器的输入端连接，抗冲击补偿器的信号输出端与加减器的输入端连接，加减器的信号输出端与数模转换器的信号输入端连接。

Description

具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统

技术领域

本发明涉及一种具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统，它属于一种液压伺服控制系统。

背景技术

目前，在液压伺服控制系统中，特别是电液位置伺服系统中，负载力的变化会干扰电液位置伺服系统的控制精度，在响应速度很快、采用闭环控制的情况下，电液位置伺服系统可以自动调整电液伺服阀的开口变化，达到及时、准确控制负载位置的目的。但是对于数值很大、变化很快的冲击载荷，电液位置伺服系统难以对其作出及时反应，导致对被控制位置量出现相对较长时间的调整，给电液位置伺服系统所在的生产过程带来不利影响。如图1所示，冲击载荷从时间T₀时刻开始出现，经过极短的时间ΔT即可达到很大的强度F_c0，可对电液位置伺服系统的输入位移产生明显的干扰，并改变被控制负载的位置。

图4所示的是目前通用的控制位移的电液位置伺服系统的结构示意图，该系统由液压源1供油，设定的位移信号u_i在加减器2与负载的位移信号u_f相减得到误差信号e，控制器3计算出电液伺服阀4的输入信号u_sv，再经数模转换器15和功率放大器16，送入电液伺服阀4进行电液转换和液压放大，产生控制液压缸5的压力p_A和p_B，液压缸5驱动负载6，负载6的位移被位移传感器7检测后，经过模数转换器12转换为位移反馈信号u_f。为了提高抑制变化负载带来的位移变化，通常采用的办法是提高电液伺服阀4的响应速度、优化液压缸5的结构参数、调整控制器3的控制参数。但当负载力F_c是强度很高、变化速度很快的冲击载荷时，这种结构的电液位置伺服系统很难满足实际生产的需求。当出现冲击载荷后，这种常见的电液位置伺服系统所控制位移的变化过程见图2中的冲击抑制过程1，其特点是所控制位移出现较大幅度的变化，达到Y_1m，调整时间较长，达到T_S1，抑制过程完成后所控制位移的稳态值Y₁相对于冲击载荷发生前的所控制位移的稳态值Y₀不同，即出现了静差。图中11为受力对象。

为了解决这一问题，国外有人提出了一种快速改变液压缸5的高压腔体积的方法，该方法利用负载位移传感器检测出的负载位移信号，控制动态响应速度极高的专用压电驱动器发生变形，压电驱动器的变形动作推动一个与液压缸5高压腔连接的刚性装置运动，对液压缸5高压腔的体积进行微量调整，达到抑制冲击载荷的影响的目的。由于压电驱动器的输出能力不足，这种方法的缺点是不仅成本高、系统结构复杂，而且仅限于低压小负载系统。

发明内容

本发明的目的是解决现有的电液位置伺服系统存在的抑制高强度冲击载荷干扰差和系统结构复杂的技术难点，提出一种结构简单、成本低和可快速抑制高强度冲击载荷的具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：

具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统，它包括液压源、两个加减器、控制器、电液伺服阀、液压缸、负载、位移传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、模数转换器、第二模数转换器、数模转换器和功率放大器，其中：它还包括抗冲击补偿器，第一压力传感器设在液压缸高压腔的油路中，第二压力传感器设在液压缸低压腔的油路中，第一压力传感器和第二压力传感器的信号输出端与第二模数转换器的信号输入端连接，第二模数转换器的信号输出端与抗冲击补偿器的信号输入端连接，抗冲击补偿器的信号输出端与第二加减器的一个信号加法输入端连接，第二加减器的另一个信号加法输入端与控制器的信号输出端连接，第二加减器的信号输出端与数模转换器的信号输入端连接；

该伺服系统的控制步骤是：

(1)首先通过第一压力传感器和第二压力传感器检测液压缸的高压腔压力值p_A和低压腔压力值p_B，将所检测到的压力值p_A、p_B经过第二模数转换器进行A/D转换送入抗冲击补偿器中；

(2)抗冲击补偿器依据下述方程计算出补偿脉冲u_fc，

$\mathrm{\ΔV}={\∫}_{T_1}^{T_1+T_F}\mathrm{qdt}---\left(1\right)$

或

$\frac{V_A}{A{\mathrm{\β}}_e}{F}_c={\∫}_{T_1}^{T_1+T_F}\left[k_u{C}_{d}W{u}_{\mathrm{fc}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}(p_s-p_A)}\right]\mathrm{dt}---\left(2\right)$

公式(1)和(2)中，ΔV是冲击载荷F_c引起的液压缸的高压腔体积变化量，T₁为补偿脉冲u_fc的脉冲起始时间，T_F为补偿脉冲u_fc的脉冲持续时间，q为补偿脉冲u_fc所产生的补偿流量，V_A为液压缸的高压腔体积，A为液压缸的高压腔作用面积，ρ为液压油的密度，β_e为液压油的体积弹性模量，k_u为从功率放大器输入电压到电液伺服阀的阀芯位移的增益，C_d为电液伺服阀的节流边的流量系数，W为电液伺服阀的节流面积的面积梯度，p_s为电液位置伺服系统的油源压力；

(3)补偿脉冲u_fc与电液位置伺服系统的输入信号u_sv经第二加减器叠加后，形成经过补偿后的输入信号u_fcv，将信号u_fcv通过数模转换器转换为模拟信号后经功率放大器控制电液伺服阀工作；

(4)电液伺服阀的阀芯位移根据信号u_fcv产生相应的运动，控制油液做出流动，形成进入液压缸高压腔的补偿油液，抑制冲击载荷F_c对位置伺服系统所控制的位移的干扰。。

所述补偿脉冲u_fc的脉冲起始时间T₁和脉冲持续时间T_F的确定方法是：

脉冲起始时间T₁的确定方法：脉冲起始时间T₁可与冲击载荷发生的时间T₀同时产生，或是抗冲击补偿器完成计算脉冲强度u_fc0和脉冲持续时间T_F后的时刻，所述脉冲强度u_fc0的大小确定方法：脉冲强度u_fc0的大小应在电液伺服阀所规定输入范围内，最好选择输入范围的10％到90％内；

脉冲持续时间T_F的确定方法：设电液伺服阀对所输入的阶跃电压信号的响应时间为T_s，冲击载荷F_c从0达到最大冲击值F_c0的时间为ΔT，则脉冲持续时间T_F的确定原则是T_F应满足：T_s＜T_F＜ΔT。

由于本发明采用了上述技术方案，因此本发明具有以下特点：

(1)本发明的装置包含一个用于检测液压缸5高压腔压力的压力传感器8、一个用于检测液压缸低压腔压力的压力传感器9、一个用于计算补偿脉冲高度和宽度并将计算结果叠加到电液伺服阀4输入的抗冲击补偿器10。当电液位置控制系统中的液压缸带有重力平衡装置时，液压缸5低压腔压力为常值，这种情况下可省略压力传感器9。

(2)抗冲击补偿器可计算出补偿脉冲，该脉冲输入到电液伺服阀4后，可抑制冲击载荷对被控制液压缸位移造成的影响。

当出现冲击载荷，本发明的电液位置伺服系统所控制位移的变化过程见图3中的冲击抑制过程2，其特点是所控制位移出现较小幅度的变化，其值为Y_2m，抑制时间短，为T_S2，抑制过程完成后所控制位移的稳态值Y₂与冲击载荷F_c发生前所控制位移的稳态值Y₀基本相同，即静差基本被消除。

与背景技术相比，本发明具有下列优点：

(1)可快速向液压缸的高压腔注入适当的油液，抑制冲击载荷对被控位移造成的影响。使所控位移动态波动幅度小，静差基本被消除。

(2)利用原电液位置伺服系统的伺服阀4进行补偿，不需要专门的油液补偿回路，节约成本、降低液压伺服系统的复杂程度。

(3)由于抗冲击补偿器10产生的补偿脉冲是输入到原来电液位置系统的电液伺服阀4中，适用于高强度、快速冲击出现的场合。

附图说明

图1是冲击载荷F_c的时间变化示意图；

图2是现有的典型电液位置伺服系统抑制冲击载荷的过程示意图；

图3是采用本发明方法后电液位置伺服系统抑制冲击载荷的过程示意图；

图4是现有电液位置伺服系统的结构示意图；

图5是本发明的结构示意图；

图6是本发明又一实施例的结构示意图；

图7是补偿脉冲u_fc为矩形脉冲时的u_fc示意图。

具体实施方式

实施例1

如图5所示，本实施例中的具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统，它包括液压源1、两个加减器2、14、控制器3、电液伺服阀4、液压缸5、负载6、位移传感器7、模数转换器12、数模转换器15和功率放大器16，其中：它还包括第一压力传感器8、第二压力传感器9、抗冲击补偿器10和第二模数转换器13，第一压力传感器8设在液压缸5高压腔的油路中，第二压力传感器9设在液压缸5低压腔的油路中，第一压力传感器8和第二压力传感器9的信号输出端与第二模数转换器13的信号输入端连接，第二模数转换器13的信号输出端与抗冲击补偿器10的信号输入端连接，抗冲击补偿器10的信号输出端与第二加减器14的一个信号加法输入端连接，第二加减器14的另一个信号加法输入端与控制器3的信号输出端连接，第二加减器14的信号输出端与数模转换器15的信号输入端连接。

上述具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统的控制方法，其包括下列步骤：

(1)首先通过第一压力传感器8和第二压力传感器9检测液压缸5的高压腔压力值p_A和低压腔压力值p_B，将所检测到的压力值p_A、p_B经过第二模数转换器13进行A/D转换送入抗冲击补偿器10中；

(2)抗冲击补偿器10依据下述方程计算出补偿脉冲u_fc，

$\mathrm{\ΔV}={\∫}_{T_1}^{T_1+T_F}\mathrm{qdt}---\left(1\right)$

或

$\frac{V_A}{A{\mathrm{\β}}_e}{F}_c={\∫}_{T_1}^{T_1+T_F}\left[k_u{C}_{d}W{u}_{\mathrm{fc}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}(p_s-p_A)}\right]\mathrm{dt}---\left(2\right)$

公式(1)和(2)中，ΔV是冲击载荷F_c引起的液压缸的高压腔体积变化量，T₁为补偿脉冲u_fc开始的时刻，T_F为补偿脉冲u_fc持续的时间，q为补偿脉冲u_fc所产生的补偿流量，V_A为液压缸的高压腔体积，A为液压缸的高压腔作用面积，ρ为液压油的密度，β_e为液压油的体积弹性模量，k_u为从功率放大器输入电压到电液伺服阀的阀芯位移的增益，C_d为电液伺服阀的节流边的流量系数，W为电液伺服阀的节流面积的面积梯度，p_s为电液位置伺服系统的油源压力；

(3)补偿脉冲u_fc与电液位置伺服系统的输入信号u_sv经第二加减器14叠加后，形成经过补偿后的输入信号u_fcv，将信号u_fcv通过数模转换器15转换为模拟信号后经功率放大器16控制电液伺服阀4工作；

(4)电液伺服阀4的阀芯位移根据信号u_fcv产生相应的运动，控制油液做出流动，形成进入液压缸5高压腔的补偿油液，抑制冲击载荷F_c对位置伺服系统所控制的位移的干扰。

公式(1)中的液压缸的高压腔体积变化量ΔV通常由公式(2)的等号左端计算，即公式(1)中的补偿脉冲u_fc所产生的补偿流量通常由公式(2)中的被积分部分计算，即 $q=k_u{C}_{d}W{u}_{\mathrm{fc}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}(p_s-p_A)}.$

如图7所示，选择补偿脉冲u_fc为矩形脉冲，在满足公式(2)的条件下，上述脉冲起始时间T₁、脉冲持续时间T_F、脉冲强度u_fc0的确定方法是：

补偿脉冲u_fc的脉冲起始时间T₁的确定方法：脉冲起始时间T₁是抗冲击补偿器完成计算u_fc0和T_F的时刻；

脉冲持续时间T_F的确定方法：设电液伺服阀4对所输入的阶跃电压信号的响应时间为T_s，冲击载荷F_c从0达到最大冲击值F_c0的时间为ΔT，则T_F的确定原则是T_F的应满足：T_s＜T_F＜ΔT；

脉冲强度u_fc0的大小确定方法：脉冲强度u_fc0的大小应在电液伺服阀(4)所规定输入范围内，最好选择输入范围的10％到90％内。

实施例2

如图6所示，本发明又一实施例中的具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统，它包括液压源1、两个加减器2、14、控制器3、电液伺服阀4、液压缸5、负载6、位移传感器7、模数转换器12、数模转换器15和功率放大器16，其中：它还包括第一压力传感器8、重力平衡装置17、抗冲击补偿器10和第二模数转换器13，第一压力传感器8设在液压缸5高压腔的油路中，重力平衡装置17设在液压缸5低压腔的油路中，第一压力传感器8的信号输出端与第二模数转换器13的信号输入端连接，第二模数转换器13的信号输出端与抗冲击补偿器10的信号输入端连接，抗冲击补偿器10的信号输出端与第二加减器14的一个信号加法输入端连接，第二加减器14的另一个信号加法输入端与控制器3的信号输出端连接，第二加减器14的信号输出端与数模转换器15的信号输入端连接。

本实施例中的控制方法与实施例1中的相同。

Claims (2)

1.一种具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统，它包括液压源(1)、两个加减器(2、14)、控制器(3)、电液伺服阀(4)、液压缸(5)、负载(6)、位移传感器(7)、第一压力传感器(8)、第二压力传感器(9)、模数转换器(12)、第二模数转换器(13)、数模转换器(15)和功率放大器(16)，其特征是：它还包括抗冲击补偿器(10)，第一压力传感器(8)设在液压缸(5)高压腔的油路中，第二压力传感器(9)设在液压缸(5)低压腔的油路中，第一压力传感器(8)和第二压力传感器(9)的信号输出端与第二模数转换器(13)的信号输入端连接，第二模数转换器(13)的信号输出端与抗冲击补偿器(10)的信号输入端连接，抗冲击补偿器(10)的信号输出端与第二加减器(14)的一个信号加法输入端连接，第二加减器(14)的另一个信号加法输入端与控制器(3)的信号输出端连接，第二加减器(14)的信号输出端与数模转换器(15)的信号输入端连接；

该伺服系统的控制步骤是：

(1)首先通过第一压力传感器(8)和第二压力传感器(9)检测液压缸(5)的高压腔压力值p_A和低压腔压力值p_B，将所检测到的压力值p_A、p_B经过第二模数转换器(13)进行A/D转换送入抗冲击补偿器(10)中；

(2)抗冲击补偿器(10)依据下述方程计算出补偿脉冲u_fc，

$\mathrm{\ΔV}={\∫}_{T_1}^{T_1+T_F}\mathrm{qdt}---\left(1\right)$

或

$\frac{V_A}{A{\mathrm{\β}}_e}{F}_c={\∫}_{T_1}^{T_1+T_F}\left[k_u{C}_{d}W{u}_{\mathrm{fc}}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\ρ}}(p_s-p_A)}\right]\mathrm{dt}---\left(2\right)$

公式(1)和(2)中，ΔV是冲击载荷F_c引起的液压缸的高压腔体积变化量，T₁为补偿脉冲u_fc的脉冲起始时间，T_F为补偿脉冲u_fc的脉冲持续时间，q为补偿脉冲u_fc所产生的补偿流量，V_A为液压缸的高压腔体积，A为液压缸的高压腔作用面积，ρ为液压油的密度，β_e为液压油的体积弹性模量，k_u为从功率放大器输入电压到电液伺服阀的阀芯位移的增益，C_d为电液伺服阀的节流边的流量系数，W为电液伺服阀的节流面积的面积梯度，p_s为电液位置伺服系统的油源压力；

(3)补偿脉冲u_fc与电液位置伺服系统的输入信号u_sv经第二加减器(14)叠加后，形成经过补偿后的输入信号u_fcv，将信号u_fcv通过数模转换器(15)转换为模拟信号后经功率放大器(16)控制电液伺服阀(4)工作；

(4)电液伺服阀(4)的阀芯位移根据信号u_fcv产生相应的运动，控制油液做出流动，形成进入液压缸(5)高压腔的补偿油液，抑制冲击载荷F_c对位置伺服系统所控制的位移的干扰。

2.根据权利要求1所述的具有快速抑制冲击载荷的电液位置伺服系统，其特征是：所述补偿脉冲u_fc的脉冲起始时间T₁和脉冲持续时间T_F的确定方法是：

脉冲起始时间T₁的确定方法：脉冲起始时间T₁可与冲击载荷发生的时间T₀同时产生，或是抗冲击补偿器完成计算脉冲强度u_fc0和脉冲持续时间T_F后的时刻，所述脉冲强度u_fc0的大小确定方法：脉冲强度u_fc0的大小应在电液伺服阀(4)所规定输入范围内，最好选择输入范围的10％到90％内；

脉冲持续时间T_F的确定方法：设电液伺服阀(4)对所输入的阶跃电压信号的响应时间为T_s，冲击载荷F_c从0达到最大冲击值F_c0的时间为ΔT，则脉冲持续时间T_F的确定原则是T_F应满足：T_s＜T_F＜ΔT。

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