CN112576562A - 多液压缸交叉耦合同步控制系统及同步控制方法 - Google Patents

多液压缸交叉耦合同步控制系统及同步控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多液压缸耦合同步控制系统，包括多个液压位置伺服链路，每个所述液压位置伺服链路用于控制一个垂荡液压缸的动作；其中，每两个所述液压位置伺服链路耦合，以实现每两个所述液压位置伺服链路同步控制。本发明提供的多液压缸耦合同步控制系统，通过设置多个液压位置伺服链路，并使其两两耦合，保证了两个垂荡液压缸同步控制，克服了相位滞后，提高了液压控制系统的稳定性，保证了多液压缸的同步控制精度。

Description

多液压缸交叉耦合同步控制系统及同步控制方法
技术领域
本发明涉及液压同步控制技术领域，尤其涉及一种多液压缸耦合同步控制系统及一种多液压缸交叉耦合同步控制方法。
背景技术
液压同步控制系统与其他形式的同步控制系统如电机同步控制系统相比，其优势体现在操作方便、易于控制、结构简单并且非常适合大功率的应用场合。因此，在越来越多的金属加工设备、冶金机械、工程机械及驱动装置中，为了增大驱动力，通常采用双液压缸甚至多液压缸协同工作，应运而生的是对于高精度同步控制技术的迫切需要。
液压同步控制一直以来都受到业界的广泛关注，但高精度的同步控制仍然没有得到真正的解决。主要影响因素有：比例阀的中位死区、时变的流量增益、液压缸的摩擦力、液压系统制造精度等。除上述的各因素之外，再加上在多个液压缸同时驱动一个负载时，负载的不平衡性、液压缸的泄露、多个液压缸之间的耦合作用等等因素，使得比例阀控液压缸同步系统成为一个典型的非线性、时变的控制系统。尤其是面向大负载载重平台对象时，同步系统容易出现以下问题：一是系统负载惯性较大，容易导致相位滞后；二是液压系统弹性较大、阻尼较小，容易引起振荡；三是垂荡、横摇、纵摇运动弱耦合、存在机械变形。针对这些关键问题的存在，特别是在高速高精度下如何获得系统的高品质与稳定的鲁棒性，目前的控制方法并未从根本上解决多套阀控液压缸的同步控制问题。
发明内容
本发明提供一种多液压缸耦合同步控制系统及一种多液压缸耦合同步控制方法，用以解决现有技术中多套阀控液压缸同步控制精度低的问题。
本发明提供一种多液压缸耦合同步控制系统，包括：包括多个液压位置伺服链路，每个所述液压位置伺服链路用于控制一个垂荡液压缸的动作；其中，每两个所述液压位置伺服链路耦合，以实现每两个所述液压位置伺服链路同步控制。
根据本发明提供一种多液压缸耦合同步控制系统，多个所述液压位置伺服链路包括4个所述液压位置伺服链路，其中，第一液压位置伺服链路与第三液压位置伺服链路交叉耦合，第二液压位置伺服链路与第四液压位置伺服链路交叉耦合。
根据本发明提供一种多液压缸耦合同步控制系统，每个所述液压位置伺服链路包括：垂荡液压缸；伺服阀，与所述垂荡液压缸电连接，用于驱动所述垂荡液压缸动作；位置复合控制机构，与所述伺服阀电连接，用于获取伺服阀阀芯的开度指令，并驱动所述伺服阀阀芯动作。
根据本发明提供一种多液压缸耦合同步控制系统，所述位置复合控制机构包括：位置控制器组件，用于进行所述垂荡液压缸的位置闭环处理计算；速度控制器，用于进行所述垂荡液压缸的速度闭环处理计算；压差控制器组件，与所述伺服阀电连接，用于进行所述垂荡液压缸的压差闭环控制。
根据本发明提供一种多液压缸耦合同步控制系统，所述位置控制器组件包括：位置控制器，包括第一PID调节子模块，用于根据PID控制算法计算所述垂荡液压缸的速度控制量；位置传感器，安装在所述垂荡液压缸的活塞杆上，用于检测所述垂荡液压缸的活塞杆伸缩位置的行程。
根据本发明提供一种多液压缸耦合同步控制系统，速度控制器包括比例前馈调节子模块，用于计算所述垂荡液压缸的压差控制量。
根据本发明提供一种多液压缸耦合同步控制系统，所述压差控制器组件包括：压差控制器，包括第二PID调节子模块，用于计算所述伺服阀的阀芯控制量；压差传感器，安装在所述垂荡液压缸的有杆腔及无杆腔的供油油管上，用于检测所述垂荡液压缸的有杆腔及无杆腔的压力及其差值。
根据本发明提供一种多液压缸耦合同步控制系统，还包括位置交叉耦合控制器，用于对所述压差传感器进行压力补偿。
本发明提供一种利用如上所述的多液压缸耦合同步控制系统进行多液压缸耦合同步控制的方法，包括：检测每个所述液压位置伺服链路的所述垂荡液压缸的活塞杆伸缩位置的行程；检测每个所述液压位置伺服链路的所述垂荡液压缸的有杆腔及无杆腔的压力及其差值；根据检测到的所述活塞杆伸缩位置的行程对每个所述液压位置伺服链路的压差传感器进行压差补偿；伺服阀驱动所述垂荡液压缸动作。
根据本发明提供一种多液压缸耦合同步控制方法，还包括：进行所述垂荡液压缸的位置闭环处理计算、速度闭环处理计算以及压差闭环控制。
本发明提供的多液压缸耦合同步控制系统，通过设置多个液压位置伺服链路，并使其两两耦合，保证了两个垂荡液压缸同步控制，克服了相位滞后，提高了液压控制系统的稳定性，保证了多液压缸的同步控制精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的多液压缸耦合同步控制系统的示意图；
图2是本发明提供的多液压缸耦合同步控制方法的流程图。
附图标记：
1：位置控制器； 2：速度控制器； 3：压差控制器；
4：伺服阀； 5：垂荡液压缸； 6：压差传感器；
7：位置传感器； 8：位置交叉耦合控制器； 9：载重平台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1和图2描述本发明的多液压缸耦合同步控制系统以及多液压缸耦合同步控制方法。
在本发明的一个实施例中，多液压缸耦合同步控制系统包括多个液压位置伺服链路，每个液压位置伺服链路用于控制一个垂荡液压缸5的动作。其中，每两个液压位置伺服链路耦合，以实现每两个液压位置伺服链路同步控制，同时，每个液压位置伺服链路均与载重平台9连接。
具体来说，多个液压位置伺服链路的数量可以为大于等于4的偶数，其中每两个液压位置伺服链路进行耦合，通常来讲，将两个特性差异及同步控制偏差较大的液压位置伺服链路进行耦合，以获得良好的耦合效果，同时可以保证两个液压位置伺服链路耦合后的同步性好。在耦合过程中，若发现耦合的两个液压位置伺服链路耦合后效果不好，可调节与其他的液压位置伺服链路进行耦合，以保证每两个液压位置伺服链路控制垂荡液压缸5的同步性，从而在载重平台9负载惯性较大时，也能克服相位滞后，保证多液压缸的同步控制精度。
本发明实施例提供的多液压缸耦合同步控制系统，通过设置多个液压位置伺服链路，并使其两两耦合，保证了两个垂荡液压缸同步控制，克服了相位滞后，提高了液压控制系统的稳定性，保证了多液压缸的同步控制精度。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，多个液压位置伺服链路包括4个液压位置伺服链路，其中，第一液压位置伺服链路和第三液压位置伺服链路交叉耦合，第二液压位置伺服链路和第四液压位置伺服链路交叉耦合。
具体来说，在实际工作中，可根据具体设定的液压位置伺服链路的特性进行耦合，将特性差异及同步控制偏差较大的两个液压位置伺服链路进行耦合，以保证垂荡液压缸5控制的同步性。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，每个液压位置伺服链路包括：位置复合控制机构、伺服阀4和垂荡液压缸5。具体来说，位置复合控制机构由上位控制装置或上位控制模块获取垂荡液压缸5的位置期望值，并进行位置闭环处理计算、速度闭环处理计算以及压差闭环控制，获取伺服阀4阀芯的开度指令，通过D/A转化后，输出电信号驱动伺服阀4阀芯动作。伺服阀4与垂荡液压缸5电连接，从而实现对垂荡液压缸5的驱动控制。
进一步地，如图1所示，在本发明的一个实施例中，位置复合控制机构包括：位置控制器组件、速度控制器2和压差控制器组件。
具体来说，位置控制器组件用于进行垂荡液压缸5的位置闭环处理计算。进一步地，位置控制器组件包括：位置控制器1和位置传感器7。位置控制器包括第一PID调节子模块，该第一PID调节子模块用于采用PID控制算法依据垂荡液压缸5的位置偏差计算出各垂荡液压缸5的速度控制量。位置传感器7安装在垂荡液压缸5的活塞杆上，检测各垂荡液压缸5活塞杆伸缩位置的行程。
进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，每个位置传感器7的数量为一个。
速度控制器2包括比例前馈调节子模块，该比例前馈调节子模块采用比例及前馈控制算法依据各垂荡液压缸5的速度控制量计算各垂荡液压缸5的压差控制量，以克服相位滞后，不易引起液压系统的振荡。
压差控制器组件包括：压差控制器3和压差传感器6，压差控制器3包括第二PID调节子模块，该第二PID调节子模块采用PID控制算法依据各个垂荡液压缸5的压差控制计算各伺服阀4阀芯的控制量。压差传感器6包括分别安装在各个垂荡液压缸5各有杆腔及无杆腔的供油油管上，用于检测垂荡液压缸5的有杆腔及无杆腔的压力及其差值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，可选地，压差传感器6的数量为2个。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，多液压缸耦合同步控制系统还包括位置交叉耦合控制器8，用于根据各个垂荡液压缸5的活塞杆反馈的伸缩位置信息对每个垂荡液压缸5的压差控制器3进行压力补偿。
具体来说，位置控制器1从位置期望值中减去位置反馈值，求出位置偏差，并采用PID控制算法求出速度期望值，即：
Figure BDA0002814383020000061
其中，U(i)为输出量，T为采样时间间隔，Kp为积分系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，e(i)为各垂荡液压缸5位置期望值与位置检测值偏差。速度控制器2基于上述速度期望值与差分求取的速度值，求出速度偏差，并采用比例、前馈补偿控制算法进行速度闭环处理，求出压差期望值(力矩期望值)；压差控制器3基于上述的力矩期望值及压差反馈值，进行压差闭环处理，求出各伺服阀4阀芯开度指令，通过D/A转化后，输出电信号驱动伺服阀4阀芯动作，从而实现对垂荡液压缸5的驱动控制。其中，位置传感器7获得垂荡液压缸5伸缩位置测量值，用于外环位置控制器1进行位置闭环控制。
中间环速度控制器2由比例控制器及前馈控制器组成，同时，在比例控制的基础上增加了速度前馈控制，与反馈控制相比，速度前馈控制需要对位置变量求取差分来计算速度，得出实际位置与目标位置预测的速度值，在每次输入到速度反馈控制器之前更新速度值，使得环路循环时采用的是最新数据。
压差传感器6安装在各垂荡液压缸5有杆腔及无杆腔供油油管上，用于获得垂荡液压缸5两腔压力测量值及压差测量值，用于内环压差控制器3对垂荡液压缸5驱动力矩进行闭环控制。
上述压差传感器6采用PID控制算法计算伺服阀4阀芯开度值，即：
Figure BDA0002814383020000071
其中，U(i)为输出量，T为采样时间间隔，Kp为积分系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，e(i)为各垂荡液压缸两腔压力期望值与压差检测值偏差。内环压差控制器3根据位置交叉耦合控制器8计算获得的压差补偿值及来自压差控制器3的阀芯开度值进行压差闭环控制。
本发明实施例还提供了一种多液压缸耦合同步控制的方法，具体步骤包括：
步骤01：检测每个液压位置伺服链路的垂荡液压缸5的活塞杆伸缩位置的行程；
步骤02：检测每个液压位置伺服链路的垂荡液压缸5的有杆腔及无杆腔的压力及其差值；
步骤03：根据检测到的活塞杆伸缩位置的行程对每个液压位置伺服链路的压差传感器6进行压差补偿；
步骤04：伺服阀4驱动垂荡液压缸5动作。
具体来说，位置传感器7检测各垂荡液压缸5活塞杆伸缩位置的行程，位置控制器1采用PID控制算法依据垂荡液压缸5的位置偏差计算出各垂荡液压缸5的速度控制量。速度控制器2采用比例及前馈控制算法依据各垂荡液压缸5的速度控制量计算各垂荡液压缸5的压差控制量。压差控制器3采用PID控制算法依据各个垂荡液压缸5的压差控制计算各伺服阀4阀芯的控制量，压差传感器6检测垂荡液压缸5的有杆腔及无杆腔的压力及其差值。位置交叉耦合控制器8根据各个垂荡液压缸5的活塞杆反馈的伸缩位置信息对每个垂荡液压缸5的压差控制器3进行压力补偿。
在本发明的一个实施例中，多液压缸耦合同步控制方法还包括：进行垂荡液压缸5的位置闭环处理计算、速度闭环处理计算以及压差闭环控制。
具体来说，位置控制器1从位置期望值中减去位置反馈值，求出位置偏差，并采用PID控制算法求出速度期望值，即：
Figure BDA0002814383020000081
其中，U(i)为输出量，T为采样时间间隔，Kp为积分系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，e(i)为各垂荡液压缸5位置期望值与位置检测值偏差。速度控制器2基于上述速度期望值与差分求取的速度值，求出速度偏差，并采用比例、前馈补偿控制算法进行速度闭环处理，求出压差期望值(力矩期望值)；压差控制器3基于上述的力矩期望值及压差反馈值，进行压差闭环处理，求出各伺服阀4阀芯开度指令，通过D/A转化后，输出电信号驱动伺服阀4阀芯动作，从而实现对垂荡液压缸5的驱动控制。其中，位置传感器7获得垂荡液压缸5伸缩位置测量值，用于外环位置控制器1进行位置闭环控制。
中间环速度控制器2由比例控制器及前馈控制器组成，同时，在比例控制的基础上增加了速度前馈控制，与反馈控制相比，速度前馈控制需要对位置变量求取差分来计算速度，得出实际位置与目标位置预测的速度值，在每次输入到速度反馈控制器之前更新速度值，使得环路循环时采用的是最新数据。
压差传感器6安装在各垂荡液压缸5有杆腔及无杆腔供油油管上，用于获得垂荡液压缸5两腔压力测量值及压差测量值，用于内环压差控制器3对垂荡液压缸5驱动力矩进行闭环控制。
上述压差传感器6采用PID控制算法计算伺服阀4阀芯开度值，即：
Figure BDA0002814383020000091
其中，U(i)为输出量，T为采样时间间隔，Kp为积分系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数，e(i)为各垂荡液压缸两腔压力期望值与压差检测值偏差。内环压差控制器3根据位置交叉耦合控制器8计算获得的压差补偿值及来自压差控制器3的阀芯开度值进行压差闭环控制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多液压缸耦合同步控制系统，其特征在于，包括多个液压位置伺服链路，每个所述液压位置伺服链路用于控制一个垂荡液压缸的动作；其中，每两个所述液压位置伺服链路耦合，以实现每两个所述液压位置伺服链路同步控制。
2.根据权利要求1所述的多液压缸耦合同步控制系统，其特征在于，多个所述液压位置伺服链路包括4个所述液压位置伺服链路，其中，第一液压位置伺服链路与第三液压位置伺服链路交叉耦合，第二液压位置伺服链路与第四液压位置伺服链路交叉耦合。
3.根据权利要求2所述的多液压缸耦合同步控制系统，其特征在于，每个所述液压位置伺服链路包括：
垂荡液压缸；
伺服阀，与所述垂荡液压缸电连接，用于驱动所述垂荡液压缸动作；
位置复合控制机构，与所述伺服阀电连接，用于获取伺服阀阀芯的开度指令，并驱动所述伺服阀阀芯动作。
4.根据权利要求3所述的多液压缸耦合同步控制系统，其特征在于，所述位置复合控制机构包括：
位置控制器组件，用于进行所述垂荡液压缸的位置闭环处理计算；
速度控制器，用于进行所述垂荡液压缸的速度闭环处理计算；
压差控制器组件，与所述伺服阀电连接，用于进行所述垂荡液压缸的压差闭环控制。
5.根据权利要求4所述的多液压缸耦合同步控制系统，其特征在于，所述位置控制器组件包括：
位置控制器，包括第一PID调节子模块，用于根据PID控制算法计算所述垂荡液压缸的速度控制量；
位置传感器，安装在所述垂荡液压缸的活塞杆上，用于检测所述垂荡液压缸的活塞杆伸缩位置的行程。
6.根据权利要求5所述的多液压缸耦合同步控制系统，其特征在于，速度控制器包括比例前馈调节子模块，用于计算所述垂荡液压缸的压差控制量。
7.根据权利要求6所述的多液压缸耦合同步控制系统，其特征在于，所述压差控制器组件包括：
压差控制器，包括第二PID调节子模块，用于计算所述伺服阀的阀芯控制量；
压差传感器，安装在所述垂荡液压缸的有杆腔及无杆腔的供油油管上，用于检测所述垂荡液压缸的有杆腔及无杆腔的压力及其差值。
8.根据权利要求7所述的多液压缸耦合同步控制系统，其特征在于，还包括位置交叉耦合控制器，用于对所述压差传感器进行压力补偿。
9.一种利用权利要求1-8中任一项所述的多液压缸耦合同步控制系统进行多液压缸耦合同步控制的方法，其特征在于，包括：
检测每个所述液压位置伺服链路的所述垂荡液压缸的活塞杆伸缩位置的行程；
检测每个所述液压位置伺服链路的所述垂荡液压缸的有杆腔及无杆腔的压力及其差值；
根据检测到的所述活塞杆伸缩位置的行程对每个所述液压位置伺服链路的压差传感器进行压差补偿；
伺服阀驱动所述垂荡液压缸动作。
10.根据权利要求9所述的多液压缸耦合同步控制方法，其特征在于，还包括：
进行所述垂荡液压缸的位置闭环处理计算、速度闭环处理计算以及压差闭环控制。
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