CN102562714A - 基于位移反馈的液压缸系统速度位置复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于位移反馈的液压缸系统速度位置复合控制方法，包括以下步骤：1)位移传感器将采集到的液压缸活塞实际位移值y₁发送给控制器；2)控制器将液压缸实际位移值y₁与设定的位移值y₀进行比较，得到位移偏差|Δy|，并判断该位移偏差|Δy|是否小于设定的阈值，若为是，执行步骤3)，若为否，执行步骤4)；3)控制器输出的电流为比例阀的额定电流，即比例阀全开，流经比例阀的流量为最大，液压缸活塞快速运动；4)控制器根据预定设定的关系函数将位移偏差|Δy|转化为输出电流i，通过输出电流i来控制比例阀，实现速度对位移的跟随的快速控制。与现有技术相比，本发明具有控制时间短、实现成本低等优点。

Description

基于位移反馈的液压缸系统速度位置复合控制方法

技术领域

本发明涉及一种液压系统速度位置复合控制方法，尤其是涉及一种基于位移反馈的液压缸系统速度位置复合控制方法。

背景技术

在工程中，普遍运用阀控缸来控制液压缸活塞的位移。一般的方法是采用位移传感器检测液压缸活塞的位移，通过将位移反馈信号与期望位置信号进行比较，得到位置偏差，从而对比例阀或伺服阀进行控制，实现对液压缸的位移控制。这种普通的位移反馈控制方法只能实现对活塞的位移进行控制，无法控制活塞位移变化过程中速度的变化，而比例阀或伺服阀的开度控制对应的是其流量的改变，直接改变的是液压缸的速度，这往往会导致位移控制过程中速度变化的不可控，尤其是位移终点和速度零点很难达到重合。为了实现定位控制，此时若强制速度回零，往往会出现液压冲击。常见的解决方法就是设置低速段，使液压缸在到达预定位置之前强制减速，以低速缓慢运行到目的行程，但是此种方法一方面降低了系统效率，另一方面低速运行对液压系统的能耗损失较大，易引起发热等问题。还有一种解决方法是采用速度闭环控制，另外设置行程开关来实现定位控制，但是此方法仅适用于固定位置控制的系统，对于需要在全行程任意位置实现定位的系统无法实现。而且此种方法既需要安装速度传感器，又需要安装位置控制信号发生装置，系统复杂程度及运行维护成本都会增加。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种控制时间短、实现成本低的基于位移反馈的液压缸系统速度位置复合控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于位移反馈的液压缸系统速度位置复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)位移传感器将采集到的液压缸活塞实际位移值y₁发送给控制器；

2)控制器将液压缸实际位移值y₁与设定的位移值y₀进行比较，得到位移偏差|Δy|，并判断该位移偏差|Δy|是否小于设定的阈值，若为是，执行步骤3)，若为否，执行步骤4)；

3)控制器输出的电流为比例阀的额定电流，即比例阀全开，流经比例阀的流量为最大，液压缸活塞快速运动；

4)控制器根据预定设定的关系函数将位移偏差|Δy|转化为输出电流i，通过输出电流i来控制比例阀，实现速度对位移的跟随的快速控制。

所述的控制器根据预定设定的关系函数将位移偏差|Δy|转化为输出电流i具体为：

控制器通过带指数的正弦函数计算出位移差所对应的液压缸活塞速度：

$V=V_0\·\sin ({\left(\frac{y_0-y_1}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^C\·\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(1\right)$

其中y₀为设定的位移值；

y₁为液压缸活塞的实际位移值；

ε为所设定的阈值；

c为指数系数；

V₀为比例阀在最大开度时，活塞速度；

又有：

$V=\frac{Q}{A}---\left(2\right)$

式中：

Q为进入油缸的流量；

A为油缸进油腔的面积；

进入油缸的流量Q与输入电流i之间存在函数关系：

Q＝f(i)                        (3)

其中i为比例阀的输入电流；

由上面(1)、(2)、(3)得：

$i=f^{-1}(A\·V_0\·\sin ({\left(\frac{y_0-y_1}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^C\·\frac{\mathrm{\π}}{2}))$

其中f¹(x)是f(x)的反函数，由此得到比例阀的输入电流i和位移偏差|Δy|之间的关系。

所述的进入油缸的流量Q与输入电流i之间存在函数关系具体为Q＝k·i，其中k为比例常数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、实现了位移反馈对速度的控制，使减速段时速度按带指数的正弦函数跟随位移变化，当到达位置终点后，速度也降为零，消除了速度突变带来的冲击，合理的选择指数系数c，能大大减小控制时间，同时增加了活塞运动的平顺性。

2、本控制方法只通过位移传感器来进行位移反馈，并没有使用速度传感器进行速度反馈，降低了使用成本，可以运用于多种工业控制领域。

附图说明

图1为本发明的液压缸系统的结构示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为本发明的速度与位移值差之间的曲线图；

图4为使用传统PID控制的活塞速度变化图；

图5为使用本次发明后的活塞速度变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，阀控缸系统包括泵源、比例阀、液压缸、位移传感器、控制器以及负载敏感回路，负载敏感回路并联在比例阀两端，用以控制比例阀两端压力保持恒定，使流过比例阀的流量只与比例阀的开口面积有关。控制器接收从上位机传来的设定位移值信号，同时与位移传感器反馈回来的实际位移信号进行比较。如图2的流程图所示，当其差值Δy还未达到设定的阈值ε时，控制器输出比例阀的额定电流，液压活塞快速运动；当两者差值Δy达到设定的阈值ε时，控制器将位移差Δy通过带指数的正弦函数转化为速度信号v；由于比例阀两侧压差一定，流过的流量只与比例阀的开口面积有关，即只与比例阀的输入信号有关，可以的得到速度v与输入信号i之间的对应关系，将速度v通过具体函数转化为比例阀的输入信号，此函数由比例阀的静态特性和油缸的结构决定。

下面以船舶调距桨的液压调距为例：

船舶调距桨的调距过程属于阀控缸的位移控制，传统的控制是通过位移传感器进行位移反馈，与设定值比较后，其偏差通过PID调节后对比例阀进行控制，比例阀通过负载敏感回路保持两端压差恒定，但这种控制方法很难达到即快速又稳定的位移控制。

如果运用本次发明的速度跟随的位移控制方法，先将位移偏差通过带指数的正弦函数转化为理想速度信号，这里根据具体的研究对象，选择ε＝0.01m，指数系数c＝0.6，其函数图形如图3：横坐标为位移差Δy，纵坐标为要得到的理想速度。这里要求调距桨的微调段(即油缸活塞减速段)的时间不超过2s，比较本次发明控制方法和传统控制方法的区别，图4为使用传统PID控制的活塞速度变化图，图5为使用本次发明后的活塞速度变化图。比较两张图可以发现，传统的控制方法想要实现时间在2s内的快速调距，速度无法在位移达到设定位置时减到零，这是需要强制关闭阀锁住油缸，速度的突降必然会造成冲击，使系统不稳定。本次发明的控制方法能使速度在短时间内追随位移回到零，并成带指数的正弦函数变化到零，这说明速度能跟随预先设定的函数变化，实现快速调距的目标，并速度变化平顺，没有对系统产生冲击。

此方法非常有效的解决了液压系统在快速控制过程中由速度突变引起的振动、冲击等不稳定现象，保证了速度跟随、位移变化。针对不同的设备及控制目标，可以修改阈值ε以及指数系数c。当设备运动的控制精度要求非常高时，可以选择伺服阀进行控制，这时本控制方法仍然适用，只需根据伺服阀的样本特性修改控制算法中的转化函数。

Claims (3)

1.一种基于位移反馈的液压缸系统速度位置复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)位移传感器将采集到的液压缸活塞实际位移值y₁发送给控制器；

2)控制器将液压缸实际位移值y₁与设定的位移值y₀进行比较，得到位移偏差|Δy|，并判断该位移偏差|Δy|是否小于设定的阈值，若为是，执行步骤3)，若为否，执行步骤4)；

3)控制器输出的电流为比例阀的额定电流，即比例阀全开，流经比例阀的流量为最大，液压缸活塞快速运动；

4)控制器根据预定设定的关系函数将位移偏差|Δy|转化为输出电流i，通过输出电流i来控制比例阀，实现速度对位移的跟随的快速控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于位移反馈的液压缸系统速度位置复合控制方法，其特征在于，所述的控制器根据预定设定的关系函数将位移偏差|Δy|转化为输出电流i具体为：

控制器通过带指数的正弦函数计算出位移差所对应的液压缸活塞速度：

$V=V_0\·\sin ({\left(\frac{y_0-y_1}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^C\·\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(1\right)$

其中y₀为设定的位移值；

y₁为液压缸活塞的实际位移值；

ε为所设定的阈值；

c为指数系数；

V₀为比例阀在最大开度时，活塞速度；

又有：

$V=\frac{Q}{A}---\left(2\right)$

式中：

Q为进入油缸的流量；

A为油缸进油腔的面积；

进入油缸的流量Q与输入电流i之间存在函数关系：

Q＝f(i)                            (3)

其中i为比例阀的输入电流；

由上面(1)、(2)、(3)得：

$i=f^{-1}(A\·V_0\·\sin ({\left(\frac{y_0-y_1}{\mathrm{\ϵ}}\right)}^C\·\frac{\mathrm{\π}}{2}))$

其中f¹(x)是f(x)的反函数，由此得到比例阀的输入电流i和位移偏差|Δy|之间的关系。

3.根据权利要求2所述的一种基于位移反馈的液压缸系统速度位置复合控制方法，其特征在于，所述的进入油缸的流量Q与输入电流i之间存在函数关系具体为Q＝k·i，其中k为比例常数。

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