CN111120438B - 一种伺服泵抗偏载的同步控制方法 - Google Patents

Abstract

一种伺服泵抗偏载的同步控制方法，在伺服油压机的伺服泵同步控制中，对流量压力死区进行补偿，设计油压特性函数及油压补偿增益值，设定同步偏差阈值及压力阈值，并以实际同步偏差及实际系统压力为输入，实时判断，当实际同步偏差绝对值大于同步偏差阈值，并判断系统压力小于压力阈值时，对油压缸的控制输出进行油压特性补偿，否则不进行补偿，按照原定同步控制方法进行同步控制。本发明提出了一种结合油压特性补偿同步方法，以解决多缸同步压制过程中，尤其初始接触工件段的同步性能问题，克服偏载影响，进一步提高系统同步性能，在保证工件质量的同时，保护模具，提高了加工质量，减缓机床磨损，延长设备生命周期。

Description

一种伺服泵抗偏载的同步控制方法

技术领域

本发明属于锻压制造技术领域，涉及伺服油压机的多泵同步控制，为一种伺服泵抗偏载的同步控制方法。

背景技术

锻压制造行业，随着成型件工艺复杂度的提升，对机床吨位及性能的要求愈发严苛，偏载加工已成为必不可少的工艺动作。伺服泵控的形式以其突出的节能降噪优点已逐步成为市场主流，且常以多泵组合的方式克服单泵排量低的缺点，现已较成熟地应用于在大吨位伺服油压机，粉末压机或注塑机等设备中，并取得不错的市场反馈。

多泵组合的方式难免会涉及到同步控制，目前针对同步控制的研究已取得丰硕的成果，如传统的主从控制，均值控制或交叉耦合等，以及专利CN201611270394.8《一种多压机共用磨具加工的控制策略》的方案，其通过模糊控制的思想动态调节同步增益参数，泛化地提高了纠偏能力；专利CN201711484353.3《一种多缸同步的控制方法》，其通过动态主轴的选取同时保证了跟踪与同步性能。然而上述方案并未考虑泵控系统中的油压特性，即因油及油路的可压缩性，导致偏载压制初期，尤其刚接触工件段的同步性能下降，这不仅会影响到工件成型质量，同时也会加速磨具及机床本体的磨损，缩短设备使用寿命。

因此，研究可消除上述影响，且控制结构简单，计算负载小的同步控制方法已成为进一步提升机床设备性能的重要环节。

发明内容

本发明要解决的问题是：针对伺服泵多缸同步的控制方案，现有技术并未考虑泵控系统中的油压特性，初始接触工件段的同步性能不能得到保证。

本发明的技术方案为：一种伺服泵抗偏载的同步控制方法，在伺服油压机的伺服泵同步控制中，对流量压力死区进行补偿，设计油压特性函数f(p)及油压补偿增益值Kprs，设定同步偏差阈值Thrs_offset及压力阈值Thre_prs，并以实际同步偏差offset及实际系统压力p为输入，实时判断，当offset的绝对值大于同步偏差阈值Thrs_offset，且判断系统压力p小于压力阈值Thre_prs时，对偏载油压缸的控制输出进行油压特性补偿，否则不进行补偿，按照原定同步控制方法进行同步控制。

确定伺服泵的同步控制方法后，以所述同步控制方法得到实际同步偏差offset，调试获取流量压力死区补偿偏差阈值Thrs_offset及油压阈值Thre_prs，并拟合或调试得到油压特性函数f(p)及确定油压补偿增益值Kprs，油压特性函数f(p)为一渐近线。

作为优选方式，油压特性模型函数f(p)采用高斯曲线，高斯曲线采用归一化处理。

作为另一种优选方式，油压特性模型函数f(p)采用线性曲线，以降低计算量。

作为优选方式，对油压补偿增益值Kprs做抗饱和处理：

其中n表示偏载缸，CMDout(n)为偏载缸的控制输出，CMD_Limited为控制器所设定最大输出量。

本发明在对原有伺服泵的控制不做改动的前提下实现抗偏载，根据伺服泵的工艺要求，允许独立规划各缸位置轨迹，如针对起始位置不同而目标位置一致的情形，也允许多缸位置统一规划。本发明方法根据油压特性补偿，以伺服泵的同步偏差及压力为输入，补偿量沿渐进线逐步减小的方式，平滑无突变地补偿流量油压死区，其中，油压特性函数为一渐进线，可通过实际测试拟合获得，或采用线性、高斯曲线或近似曲线替代。

本发明针对伺服泵多缸同步应用场合，提出了一种结合油压特性补偿同步方法，以解决多缸同步压制过程中，尤其初始接触工件段的同步性能问题，克服偏载影响，进一步提高系统同步性能，可实现全行程段高同步性能的工件加工，在保证工件质量的同时，保护模具，提高了加工质量，减缓机床磨损，延长设备生命周期。

附图说明

图1为本发明实施例所采用的抗偏载同步控制框图。

图2为本发明实施例所采用的流量油压死区补偿流程图。

图3为本发明实施例所采用的工艺位置曲线。

图4为本发明实施例所采用的工艺速度曲线。

图5为本发明实施例所采用流量压力死区补偿渐进曲线。

具体实施方式

伺服泵控液压系统中具有如下油压特性：因油及油路本身的可压缩性，当处于负压至约3Mpa段时无法实现实时起压，即存在流量与压力死区，因此导致偏载压制过程中，因偏载缸的起压延迟会导致位置滞后，进而降低多缸的同步性能。据此，本发明提出了一种结合该油压特性的补偿方案，可进一步提高系统尤其初始接触工件段的同步纠偏能力，增强系统鲁棒性。

本发明针对因液压油及油路本身压缩性所导致的同步性能下降的问题，引入了油压特性补偿，在伺服油压机的伺服泵同步控制中，对流量压力死区进行补偿，设计油压特性函数f(p)及油压补偿增益值Kprs，设定同步偏差阈值Thrs_offset及压力阈值Thre_prs，并以实际同步偏差offset及实际各缸压力p为输入，实时判断磨具工件是否接触，当offset的绝对值大于同步偏差阈值Thrs_offset，并判断系统压力p小于压力阈值Thre_prs时，对油压缸的控制输出进行油压特性补偿，否则不进行补偿，按照原定同步控制方法进行同步控制。其中，确定伺服泵的同步控制方法后，以所述同步控制方法得到实际同步偏差offset，调试获取流量压力死区补偿偏差阈值Thrs_offset及油压阈值Thre_prs，并拟合得到油压特性函数f(p)及确定油压补偿增益值Kprs，油压特性函数f(p)为一随油压增大而减少压缩量的渐近线。

本发明方法对伺服泵的原有控制不做改动，各缸位置轨迹通常采用S曲线，也允许其他如多项式曲线，三角函数类曲线等。伺服泵通常工作于速度模式，伺服泵控制器设计位置环算法保证各缸的跟踪性能，如传统的PID算法+前馈的方式或其他智能算法，伺服泵也可运行于力矩模式，此时控制器需同时设计位置环及速度环，常采用P-PI算法实现。

下面以常用的交叉耦合同步控制来说明本发明的实施，交叉耦合的方式不仅补偿速度环，同时补偿指令位置端，常采用固定增益形式。

如图1所示，为本发明方法结合在交叉耦合同步控制的控制示意图。本发明即为图中油压特性补偿模块，该模块嵌在交叉耦合同步控制中，实施例载体为800T双缸同驱的伺服油压机，采用光栅尺做反馈元件，并设向下压制时计数增加；双缸分别由AB两套伺服泵系统驱动，皆工作于速度环模式。

具体控制如下：

(a)根据工艺动作，规划相应位置轨迹；

(b)针对伺服泵工作方式，设计控制器位置跟踪算法，用于保证各缸的跟踪性能。

控制器位置跟踪可以跟踪位置，但无法保证同步，交叉耦合方法可以保证同步，但无法保证压制初期的同步，本发明油压特性补偿就是专门用于补偿压制初期的同步性能，包括位置环或位置环+速度环，一般常采用P-PI技术。

设计交叉耦合算法，根据实际同步偏差及所设计同步增益Kxr，Kdc对位置指令与控制输出分别进行补偿,参照图1所示，图中参数s为拉式变换复变数，这里表征微分操作，图中p为系统压力，A缸B缸位置跟踪性能由P-PI算法保证，速度环为PI控制结构，其中，Kva为A缸速度环比例增益，Tia为积分时间常数，当伺服泵工作于电流环模式时，此部分应于控制器中实现；位置环为P控制结构，Kpa为A缸位置环比例增益；同理以a、b字母对应，知晓图中B缸的个参数含义。Kxr为所设计交叉耦合算法中用于补偿指令位置段的增益参数，Kdc为所设计交叉耦合算法中用于补偿控制输出的增益参数。Xra为A缸系统位置指令，Ya为A缸系统实际位置反馈，Ea为其跟踪误差；B缸系统参数参照A缸系统，且因工艺要求，AB缸系统常采用同一位置指令，即Xra＝Xrb。

根据工艺要求，对AB缸同时进行位置轨迹的规划，这里所设计快下段，工进段及回程段轨迹皆采用标准7段S曲线。其中工进段位置轨迹示意如图3所示，其所对应速度轨迹如图4所示。因所设计位置环为单比例控制，故A缸系统位置环输出F_fb(0)＝Ea*Kpa，B缸系统位置环输出F_fb(1)＝Eb*Kpb，受交叉耦合算法影响，A缸跟踪误差Ea＝(Xra-offset*Kxr)-Ya，B缸跟踪误差Eb＝(Xrb+offset*Kxr)-Yb，其中参数offset为两缸同步偏差offset＝Ea-Eb。A缸输出同步补偿量F_cc(0)＝-offset*Kdc，B缸输出同步补偿量F_cc(1)＝offset*Kdc。

(c)设计油压特性模块，对流量压力死区进行补偿。根据油压特性，并考虑计算负载，设计油压特性模型函数f(p)及油压补偿增益值Kprs，f(p)一般采用高斯曲线，或近似曲线，高斯参数可通过实验辨识或试错调试获取，为简化计算，高斯曲线采用归一化处理。若因计算负载限制，综合考虑抗偏载性能，也可采用线性曲线替代。

设定同步偏差阈值Thrs_offset及压力阈值Thre_prs，通常为3Mpa，并以实际同步偏差offset及实际各缸压力p为输入，实时判断伺服泵驱动的磨具工件是否接触：当offset的绝对值大于同步偏差阈值Thrs_offset，判定为磨具工件已接触，同时判断系统压力p是否低于设定的压力阈值Thre_prs，若是，则考虑进行补偿，并进入步骤(d)，否则进入步骤(e)，即不需要进行特定补偿。具体流程可参照图2所示。

在实际实施中，先调试上述AB缸各参数，保证各缸的跟踪性能及同步性能，基于上述油压特性补偿流程，调试伺服泵，获取流量压力死区补偿偏差阈值Thrs_offset及油压阈值Thre_prs，并选择油压特性模型函数f(p)及油压补偿增益值Kprs，用于加工段实时进行判断补偿。

若abs(offset)>Thre_offset时定发生偏载，其中abs(offset)表示取offset的绝对值，且当offset>Thre_offset时，判定偏载缸为A缸，设置偏载缸号n＝0，当offset<-Thre_offset时，判定偏载缸为B缸，设置偏载缸号n＝1；判断p<Thre_prs时，置油压特性补偿模块使能开关Fprs_Enable为TRUE，否则置Fprs_Enable＝FALSE，即不进行特定补偿。

为更为严谨的判断，用户可以设定某一位置区域，仅当油缸运行至该区域时方才进行上述判断，否则均不进行油压特性补偿的判断。

本实施例油压特性模型函数为高斯曲线，如图5所示。

并进一步对油压补偿增益值Kprs做抗饱和处理：

CMDout(n)为偏载缸的控制输出，CMD_Limited为控制器所设定最大输出量。非偏载缸的流量压力死区补偿量F_prs(n)设置为0。

(d)根据步骤(c)所设计油压特性模型函数f(p)及油压补偿增益值Kprs计算偏载缸油压特性补偿量F_prs(n)，并置非偏载缸油压特性补偿量为0。

(e)置两缸油压特性补偿量F_prs(n)＝0；

(f)最后，根据步骤(b)计算的位置跟踪算法输出F_fb(n)，及各缸交叉耦合算法输出F_cc(n)，得到各缸控制输出CMDout(n)＝F_fb(n)+F_cc(n)+F_prs(n),n＝0,1。

本发明可以用于传统交叉耦合算法，其他同步控制方法可参考实施例结合使用。

本发明可进一步保证机床压制初期，即初始接触工件段的同步性能，同时保护磨具，减缓机床磨损，延长设备的使用寿命。该补偿方案结构简单，计算负载小，易于工程实现，具有明显的应用价值。

综上所述，本发明所提出的这种伺服泵抗偏载同步控制方法，在保留传统交叉耦合同步控制的优点的基础上，可在压制过程中，尤其刚接触工件段，提高系统纠偏性能，首先判定是否偏载，偏载后启用补偿模块，增强同步性能，增强系统同步性，进一步保证工件质量，且可减缓模具即机床本体的磨损，延迟设备使用寿命。本发明结构简单，计算负载较低，易于工程实现，具有明显的应用价值及现实意义。

Claims (6)

1.一种伺服泵抗偏载的同步控制方法，其特征是在伺服油压机的伺服泵同步控制中，对流量压力死区进行补偿，设计油压特性函数f(p)及油压补偿增益值Kprs，设定同步偏差阈值Thrs_offset及压力阈值Thre_prs，并以实际同步偏差offset及实际系统压力p为输入，实时判断，当offset的绝对值大于同步偏差阈值Thrs_offset，且判断系统压力p小于压力阈值Thre_prs时，对偏载油压缸的控制输出进行油压特性补偿，否则不进行补偿，按照原定同步控制方法进行同步控制；

确定伺服泵的同步控制方法后，以所述同步控制方法得到实际同步偏差offset，调试获取流量压力死区补偿同步 偏差阈值Thrs_offset及压力 阈值Thre_prs，并拟合或调试得到油压特性函数f(p)及确定油压补偿增益值Kprs，油压特性函数f(p)为一渐近线。

2.根据权利要求1所述的一种伺服泵抗偏载的同步控制方法，其特征是油压特性函数f(p)采用高斯曲线，高斯曲线采用归一化处理。

3.根据权利要求1所述的一种伺服泵抗偏载的同步控制方法，其特征是油压特性函数f(p)采用线性曲线，以降低计算量。

4.根据权利要求1所述的一种伺服泵抗偏载的同步控制方法，其特征是对油压补偿增益值Kprs做抗饱和处理：

其中n表示偏载缸，CMDout(n)为偏载缸的控制输出，CMD_Limited为控制器所设定最大输出量。

5.根据权利要求1所述的一种伺服泵抗偏载的同步控制方法，其特征是压力阈值Thre_prs为3Mpa。

6.根据权利要求1所述的一种伺服泵抗偏载的同步控制方法，其特征是对伺服泵的运行设定位置区域，仅当油缸运行至该区域时才进行是否进行油压特性补偿的判断。

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