CN108005971B - 双阀控缸带负载力控补偿协同装置及其控制方法 - Google Patents

双阀控缸带负载力控补偿协同装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双阀控缸带负载力控补偿协同装置及其控制方法，主要由液压缸、活塞杆、质量块、伺服阀、油箱、力传感器、控制单元、阻尼器、弹簧等组成。油泵在向伺服阀供油时，控制单元通过控制伺服阀流向液压缸的流量推动质量块，力传感器检测液压缸第一活塞杆和第二活塞杆的力的大小，将检测结果分别发送到电脑得到力的差值，根据第一活塞杆和第二活塞杆的力之差值分别对第一伺服阀的输油管道的流量和第二伺服阀的输油管道的流量进行一次或者多次调节，直到第一活塞杆和第二活塞杆的力的差值为零为止，本发明可实现液压双缸伺服系统的同步运动，提高同步精度和响应速度，增强安全性和可靠性。

Description

双阀控缸带负载力控补偿协同装置及其控制方法
所属技术领域
本发明涉及一种双阀控缸带负载力控补偿协同装置及其控制方法，属于液压控制技术领域。
背景技术
由于阀控缸的功率体积比大、快速性好系统响应快、控制精度高等明显优势，使得电阀控缸系统在重工业及大负载驱动场合得到了广泛使用。但是随着液压伺服驱动系统的负载质量不断增加，使得普遍采用双缸驱动负载，而同步精度变成了一个必须要考虑的问题。双缸在起竖过程中要做到同时升起或者同时回落，必须要保持其平稳性。而此过程会有同步误差的存在，如果在油缸供油无法达到其同步精度会导致严重的安全事故。
目前广泛采用的是同步纠偏系统，大多为流量的同步纠偏控制。虽然其具有造价低，控制简单，结构简易的特点被广泛认可，但是控制过程中响应速度慢，控制精度不高的缺陷，在大负载，同步响应快，调度频繁的应用场合中，适应能力较差。其纠偏系统的精度会大大降低，无法达到同步精度高要求。
发明内容
本发明提出一种双阀控缸带负载力控补偿协同装置及其控制方法，此控制方法在液压控制系统输出力与位移中的相互补偿，提高了同步精度，提高了液压系统的安全性和可靠性。此方法属于控制器内部结构性变化，能有效提高其控制效果。并且克服了液压同步纠偏系统响应速度慢，同步精度不高的缺陷。
本发明的基本技术方案为：一种双阀控缸带负载力控补偿协同装置，主要由液压缸、活塞杆、质量块、伺服阀、油箱、力传感器、控制单元、阻尼器、弹簧组成；油泵的吸油端接入油箱，油泵出油口的一端连接有用于测定油泵出油口压力的压力表，并且还设定有溢流阀，溢流阀的出油口连接油箱，油泵出油口的另一端将油箱中油压进第一伺服阀和第二伺服阀的进油口，第一伺服阀的两个输油口分别接入到第一液压缸活塞两侧的两个油腔，第一伺服阀的两个输油管道由第一控制单元控制其流量，第一伺服阀的回油口接入到油箱中；第二伺服阀的两个输油口分别接入到第二液压缸活塞两侧的两个油腔，第二伺服阀的两个输油管道由第二控制单元控制其流量，第二伺服阀的回油口接入到油箱中；第一液压缸的活塞固定连接第一活塞杆以带动第一活塞杆做活塞运动，并推动质量块；第二液压缸的活塞固定连接第二活塞杆以带动第二活塞杆做活塞运动，并推动质量块；在质量块的一端有外干扰力，阻尼器，弹簧与之相连，质量块的另一端则通过力传感器检测液压缸第一活塞杆和第二活塞杆推动质量块的力的大小，将检测结果分别经过AD转换器发送到电脑，经过电脑的计算得到力的差值，并将电脑计算的力的差值经过DA转化器发送给第一和第二控制单元，第一和第二控制单元根据第一活塞杆和第二活塞杆的力的差值分别对第一伺服阀的输油管道的流量和第二伺服阀的输油管道的流量进行一次或者多次调节，直到第一活塞杆和第二活塞杆的力的差值为零为止；
第一控制单元和第二控制单元通过设计控制器的方式实现对第一伺服阀和第二伺服阀的输油管道的油量控制，通过以下5个公式可以实现对伺服阀输入电流的相应调节，直到第一活塞杆和第二活塞杆推动质量块的力的差值为零为止；其中公式如下：
第一公式Xv＝KxvΔi
第二公式Ql＝KqXv-KcPl
第三公式
Figure GDA0002486017480000021
第四公式
Figure GDA0002486017480000022
第五公式
Figure GDA0002486017480000023
第一公式中，Xv是伺服阀阀芯位移，Kxv是伺服阀阀系数，Δi是伺服阀的输入电流变化量；第二公式中，Ql是伺服阀的流量，Kq是伺服阀流量增益，Kc是伺服阀流量压力系数，Pl是负载压力；第三公式中，Ap是液压缸活塞有效面积，s是拉普拉斯变换将微分线性化后的数学算子，Xp是活塞位移，Ctp是液压缸总的泄露系数，Vt是液压缸总的压缩容积，Be是液压缸有效体积弹性模量；第四公式中，Mt是活塞及负载折算到活塞上的总质量，Bp是活塞及负载的粘性阻尼系数，K是负载弹簧刚度，Fl是作用在活塞上的任意外负载力；第五公式中，Fg1是第一液压缸的输出力，Fg1是第二液压缸的输出力，Δx是第一活塞杆和第二活塞杆的位移差；
通过以上公式生成系统框图，做出控制部分；当Δx＞0或者Δx＜0时假设
Δx＝Xp1-Xp2
F11＝F12；
当Δx＞0时，对于第一液压缸，液压缸和负载的力平衡方程
Figure GDA0002486017480000031
(1)有相等实根时
Figure GDA0002486017480000032
其中：c1、c2-任意常数
(2)当Bp 2-4MtK＜0时，
Figure GDA0002486017480000033
(3)当Bp 2-4MtK＞0时，
Figure GDA0002486017480000034
x1是方程的通解，x*是方程的特解；
则第一液压缸的活塞杆位移为Xp1＝x1+x*；
同理第二液压缸的通解与第一液压缸缸相同，即第二液压缸的活塞杆位移为 Xp2＝x1+x*′；
即
Figure GDA0002486017480000035
求解上式得
Figure GDA0002486017480000036
当Δx＜0时，即Xp1＜Xp2，其和Δx＞0相同，都可以应用结果；
Figure GDA0002486017480000041
为了实现两缸的同步运动，必须使Fg1＝Fg2，所以通过上述算法，在方块图中达到结构补偿的目的；
两个输出Fg1和Fg2相减，与
Figure GDA0002486017480000042
相乘，结果为Δx＝(Xp1-Xp2或Xp2-Xp1)；分别补偿到液压缸流量方程方框图中，这样就实现了方块图中的结构补偿；
在Fg1-Fg2＞0或者Fg1-Fg2＜0时，满足同步控制。
本发明的有益效果是：
1.本发明通过力传感器检测液压缸第一活塞杆和第二活塞杆的力的大小，将检测结果分别发送到电脑得到力的差值，根据第一活塞杆和第二活塞杆的力之差值分别对第一伺服阀的输油管道的流量和第二伺服阀的输油管道的流量进行一次或者多次调节，直到第一活塞杆和第二活塞杆的力的差值为零为止，这种控制方法属于内部结构性调节控制，可实现液压双缸伺服系统的同步协同运动，提高同步精度和响应速度，增强安全性和可靠性。
2.本发明采用的是一种可实现的内部控制逻辑算法控制整个阀控缸带负载力控补偿协同装置，此控制算法第一和第二活塞杆位移差和第一和第二液压缸输出力之差建立联系，任意外负载力得以抵消，形成了闭环随动控制，从而避免了通常因忽略外负载力而引起的动态误差，从而提高其控制精度。
附图说明
附图1是本发明双阀控缸带负载力控补偿协同装置的结构示意图；
附图2是本发明双阀控缸带负载力控补偿协同装置及其控制方法的逻辑控制算法示意图；
附图3是本发明原始工况下双阀控缸带负载力控补偿协同装置的控制方法示意图。
图中：1、液压缸，2、活塞杆，3、质量块，4、伺服阀，5、油箱，6、力传感器，7、控制单元，8、油泵，9、溢流阀，10、压力表，11、弹簧，12、阻尼器，13、AD转换器，14、电脑，15、DA转换器。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。
结合图1至2，本发明是一种双阀控缸带负载力控补偿协同装置及其控制方法，主要由液压缸1(第一液压缸和第二液压缸)、活塞杆2(第一活塞杆2-1和第二活塞杆2-2)、质量块 3、伺服阀4(第一伺服阀4-1和第二伺服阀4-2)、油箱5、力传感器6、控制单元7(第一控制单元7-1包括第一指令器和第一控制器，第二控制单元7-2包括第二指令器和第二控制器)、阻尼器12、弹簧11等组成。油泵8的吸油端接入油箱5，油泵8出油口的一端连接有用于测定油泵8出油口压力的压力表10，并且还设定有溢流阀9，溢流阀9的出油口连接油箱5，油泵8出油口的另一端将油箱中5油压进第一伺服阀4-1和第二伺服阀4-2的进油口，第一伺服阀4-1的两个输油口分别接入到第一液压缸1-1的活塞两侧的两个油腔，第一伺服阀4-1 的两个输油管道由第一控制单元7-1控制其流量，第一伺服阀4-1的回油口接入到油箱5中。第二伺服阀4-2的两个输油口分别接入到第二液压缸1-2的活塞两侧的两个油腔，第二伺服阀4-2的两个输油管道由第二控制单元7-2控制其流量，第二伺服阀4-2的回油口接入到油箱5中。第一液压缸1-1的活塞固定连接第一活塞杆2-1以带动第一活塞杆2-1做活塞运动，并推动质量块3。第二液压缸1-2的活塞固定连接第二活塞杆2-2以带动第二活塞杆2-2做活塞运动，并推动质量块3。在质量块3的一端有外干扰力，阻尼器12，弹簧11与之相连，质量块3的另一端则通过力传感器6检测液压缸第一活塞杆2-1和第二活塞杆2-2推动质量块3的力的大小，将检测结果分别经过AD转换器13发送到电脑14，经过电脑的计算得到力的差值，并将电脑计算的力差值经过DA转换器15发送给第一控制单元和第二控制单元，第一控制单元7-1和第二控制单元7-2根据第一活塞杆2-1和第二活塞杆2-2的力之差值分别对第一伺服阀4-1的输油管道的流量和第二伺服阀4-2的输油管道的流量进行一次或者多次调节，直到第一活塞杆2-1和第二活塞杆2-1的力的差值为零为止。
第一控制单元7-1和第二控制单元7-2通过设计控制器的方式实现对第一和第二伺服阀的输油管道的油量控制，通过以下几个公式可以实现对伺服阀输入电流的相应调节，直到第一和第二活塞杆推动质量块的力差为零为止。其中公式如下：
第一公式Xv＝KxvΔi
第二公式Ql＝KqXv-KcPl
第三公式
Figure GDA0002486017480000051
第四公式
Figure GDA0002486017480000052
第五公式
Figure GDA0002486017480000061
第一公式中，Xv是伺服阀阀芯位移，Kxv是伺服阀阀系数，Δi是伺服阀的输入电流变化量；第二公式中，Ql是伺服阀的流量，Kq是伺服阀流量增益，Kc是伺服阀流量压力系数，Pl是负载压力；第三公式中，Ap是液压缸活塞有效面积，s是拉普拉斯变换将微分线性化后的数学算子，Xp是活塞位移，Ctp是液压缸总的泄露系数，Vt是液压缸总的压缩容积，Be是液压缸有效体积弹性模量；第四公式中，Mt是活塞及负载折算到活塞上的总质量，Bp是活塞及负载的粘性阻尼系数，K是负载弹簧刚度，Fl是作用在活塞上的任意外负载力；第五公式中，Fg1是第一液压缸的输出力，Fg1是第二液压缸的输出力，Δx是第一活塞杆和第二活塞杆的位移差；
通过以上公式生成系统框图，做出控制部分；当Δx＞0或者Δx＜0时假设
Δx＝Xp1-Xp2
F11＝F12；
当Δx＞0时，对于第一液压缸，液压缸和负载的力平衡方程
Figure GDA0002486017480000062
(1)有相等实根时
Figure GDA0002486017480000063
其中：c1、c2-任意常数
(2)当Bp 2-4MtK＜0时，
Figure GDA0002486017480000064
(3)当Bp 2-4MtK＞0时，
Figure GDA0002486017480000071
x1是方程的通解，x*是方程的特解；
则第一液压缸的活塞杆位移为Xp1=x1+x*；
同理第二液压缸的通解与第一液压缸缸相同，即第二液压缸的活塞杆位移为 Xp2＝x1+x*′；
即
Figure GDA0002486017480000072
求解上式得
Figure GDA0002486017480000073
当Δx＜0时，即Xp1＜Xp2，其和Δx＞0相同，都可以应用结果；
Figure GDA0002486017480000074
为了实现两缸的同步运动，必须使Fg1＝Fg2，所以通过上述算法，在方块图中达到结构补偿的目的。
图2中所示I区域两个输出Fg1和Fg2相减，与
Figure GDA0002486017480000075
相乘，结果为Δx＝(Xp1-Xp2或 Xp2-Xp1)；分别补偿到液压缸流量方程方框图中，这样就实现了方块图中的结构补偿；在Fg1-Fg2＞0或者Fg1-Fg2＜0时，满足同步控制。
但是在Fg2-Fg1＝0时，方块图没法实现，所以在原始工况下采用如图3所示的控制机构，在Fg2-Fg1＝0时，两缸实现同步运动，达到同步控制的目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书描述的只是发明的原理，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些发明和改进都属于要求保护的本发明范围内。

Claims (1)

1.一种双阀控缸带负载力控补偿协同装置，其特征是：主要由液压缸、活塞杆、质量块、伺服阀、油箱、力传感器、控制单元、阻尼器、弹簧组成；油泵的吸油端接入油箱，油泵出油口的一端连接有用于测定油泵出油口压力的压力表，并且还设定有溢流阀，溢流阀的出油口连接油箱，油泵出油口的另一端将油箱中油压进第一伺服阀和第二伺服阀的进油口，第一伺服阀的两个输油口分别接入到第一液压缸活塞两侧的两个油腔，第一伺服阀的两个输油管道由第一控制单元控制其流量，第一伺服阀的回油口接入到油箱中；第二伺服阀的两个输油口分别接入到第二液压缸活塞两侧的两个油腔，第二伺服阀的两个输油管道由第二控制单元控制其流量，第二伺服阀的回油口接入到油箱中；第一液压缸的活塞固定连接第一活塞杆以带动第一活塞杆做活塞运动，并推动质量块；第二液压缸的活塞固定连接第二活塞杆以带动第二活塞杆做活塞运动，并推动质量块；在质量块的一端有外干扰力，阻尼器，弹簧与之相连，质量块的另一端则通过力传感器检测液压缸第一活塞杆和第二活塞杆推动质量块的力的大小，将检测结果分别经过AD转换器发送到电脑，经过电脑的计算得到力的差值，并将电脑计算的力的差值经过DA转化器发送给第一和第二控制单元，第一和第二控制单元根据第一活塞杆和第二活塞杆的力的差值分别对第一伺服阀的输油管道的流量和第二伺服阀的输油管道的流量进行一次或者多次调节，直到第一活塞杆和第二活塞杆的力的差值为零为止；
第一控制单元和第二控制单元通过设计控制器的方式实现对第一伺服阀和第二伺服阀的输油管道的油量控制，通过以下5个公式可以实现对伺服阀输入电流的相应调节，直到第一活塞杆和第二活塞杆推动质量块的力的差值为零为止；其中公式如下：
第一公式Xv＝KxvΔi
第二公式Ql＝KqXv-KcPl
第三公式
Figure FDA0002486017470000011
第四公式
Figure FDA0002486017470000012
第五公式
Figure FDA0002486017470000013
第一公式中，Xv是伺服阀阀芯位移，Kxv是伺服阀阀系数，Δi是伺服阀的输入电流变化量；
第二公式中，Ql是伺服阀的流量，Kq是伺服阀流量增益，Kc是伺服阀流量压力系数，Pl是负载压力；第三公式中，Ap是液压缸活塞有效面积，s是拉普拉斯变换将微分线性化后的数学算子，Xp是活塞位移，Ctp是液压缸总的泄露系数，Vt是液压缸总的压缩容积，Be是液压缸有效体积弹性模量；第四公式中,Mt是活塞及负载折算到活塞上的总质量，Bp是活塞及负载的粘性阻尼系数，K是负载弹簧刚度，Fl是作用在活塞上的任意外负载力；第五公式中，Fg1是第一液压缸的输出力，Fg2是第二液压缸的输出力，Δx是第一活塞杆和第二活塞杆的位移差；
通过以上公式生成系统框图，做出控制部分；当Δx＞0或者Δx＜0时假设
Δx＝xp1-xp2
Fl1＝Fl2；
当Δx＞时，对于第一液压缸，液压缸和负载的力平衡方程
Figure FDA0002486017470000021
(1)有相等实根时
Figure FDA0002486017470000022
其中：c1、c2－任意常数
(2)当Bp 2-4MtK＜0时，
Figure FDA0002486017470000023
(3)当Bp 2-4MtK＞0时，
Figure FDA0002486017470000024
x1是方程的通解，x*是方程的特解；
则第一液压缸的活塞杆位移为Xp1＝x1+x*；
同理第二液压缸的通解与第一液压缸缸相同，即第二液压缸的活塞杆位移为Xp2＝x1+x*′；
即
Figure FDA0002486017470000031
求解上式得
Figure FDA0002486017470000032
当Δx＜0时，即Xp1＜Xp2，其和Δx＞0相同，都可以应用结果；
Figure FDA0002486017470000033
为了实现两缸的同步运动，必须使Fg1＝Fg2，所以通过上述算法，在方块图中达到结构补偿的目的；
两个输出Fg1和Fg2相减，与
Figure FDA0002486017470000034
相乘，结果为Δx＝(Xp1-Xp2或xp2-xp1)；分别补偿到液压缸流量方程方框图中，这样就实现了方块图中的结构补偿；
在Fg1-Fg2＞0或者Fg1-Fg2＜0时，满足同步控制。
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