基于位移传感闭环控制的多液压缸同步研究

谭勇

（攀钢集团攀枝花钢钒有限公司冷轧厂 四川攀枝花617023）

1 前言

随着工业和工程的发展，在各个领域广泛使用多液压缸驱动负载，如冶金行业、海洋工程，国防领域，桥梁工程等［1－2］，而且对同步精度的要求越来越高。

现在，多缸同步控制系统常采用电液伺服阀或电液比例阀的闭环控制［3］，液压伺服和比例同步控制系统是指采用各种电液比例阀、电液伺服阀或数字阀构成电液伺服机构［4］。该同步系统的优点是采用闭环控制模式，可以对输出变量进行不断地检测和反馈，使输入信号、系统类型和系统干扰造成的误差及时得到抑制，在满足快速性和系统稳定性要求的同时，获得较高的控制精度。

目前常用控制算法有：PID控制及相关的改进控制算法，自适应控制，滑模变结构控制和智能控制［5］。

2 控制策略选择

理论上，相同液压缸输入流量相同的情况下就能达到同步，但是实际中液压缸制造误差的不同、负载的不同、以及控制元件特性差异等会造成多个液压缸出现不同步现象。

一般的液压同步回路限制了多液压缸的同步精度，需要使用先进的控制器实现不均匀负载的液压缸同步，每个液压缸的控制都需要单独控制［6］。

液压同步的控制策略很多，开环控制采用同步回路，闭环控制采用“同等方式”和“主从控制”等控制策略。采用闭环控制往往可以获得较高的控制精度，为了实现高精度的同步，研究人员做了大量工作，取得了相关的研究成果［7－8］。为了获得较好的同步精度和动态响应，参考大量相关文献以及同类研究经验，试采取“主从控制”控制策略和模糊PID相结合方法。

2.1 控制方式

单个液压缸的位移控制如图1所示，采用电液比例方向阀控制液压缸的位移，液压缸的位移传感器采集位移信号，位移信号与设定位移值的差值作为控制器的控制信号。

图1 单缸位移控制方案

采用的是带电反馈的直动型比例换向阀，控制器的控制信号越大，控制阀芯的位移也越大，即阀芯的行程与电信号成正比。行程越大，则阀口通流面积和通过的流量也越大。电感式位移传感器可检测出阀芯的实际位置，并把与阀芯行程成正比例的电信号（电压）反馈至电放大器。由于位移传感器的量程按两倍阀芯行程设计，所以能检测阀芯在两个方向的位置。PID控制器把用斜坡和阶跃函数发生器校正过的指令值和实际值相加。实际值和指令值的正负不同，因此，只将指令值和实际值的绝对值差值，即误差信号，用来作为控制器的信号。

2.2 控制策略

“主从控制”控制策略，是在多个液压缸中选择其中一个为主缸，其余油缸设为从缸，以主缸的输出作为其他液压缸的输入，从而进行跟踪达到同步的目的，控制方案如图2所示。

图2 主从控制多缸同步控制方案

3 设计和仿真

模糊PID控制在原理上具有极好的鲁棒性与较好的动静态控制性能，能够满足当系统结构特性发生变化时在线的调整PID控制器中的各个参数［9］，达到多液压缸同步控制的最佳效果。

多缸同步系统选取二维输入，三维输出模糊控制器，偏差和偏差变化率为输入量，以PID控制器三个参数的增量为模糊控制器的输出量，通过控制电液比例阀的阀芯位移控制流量，从而控制液压缸的位移。

根据多个液压缸同步控制的特点，确定了模糊PID控制规则。在实际同步运行过程中，根据控制量将经过模糊推理所得到控制量的模糊集合进行解模糊处理。针对四个液压缸的同步控制回路，将模糊PID控制模块封装，建立模糊PID控制的Simulink仿真模型如图3所示。

图3 主从控制四缸同步仿真模型

设置液压缸的位移280mm，仿真结果如图4所示，液压缸运行过程中最大同步误差约为0.4mm。

图4 同步仿真结果

4 实验回路设计

4.1 实验回路设计

设计的四缸同步回路如图5所示，四个液压缸都装有位置传感器，控制器主要由PLC组成，数据采集卡采集液压缸的位移信号，操作台发出指令控制第一液压缸的速度及位移，输出位移信号作为其他液压缸的输入指令。

图5 四缸同步液压回路

根据液压回路搭建实验平台，采用四个带有位置传感器的液压缸，位移传感器可以不断的检测活塞杆的位移信号，控制器不断地修正位移误差，最终达到各液压缸同步。

4.2 实验结果

在实验回路中，采用电液比例换向阀与液压缸组成闭环控制系统，利用其中一个液压缸作为主缸，该液压缸活塞杆的位移信号作为另外3个液压缸的输入信号，通过位移反馈控制比例换向阀电流使四缸保持同步，采集到四个液压缸的位移曲线如图6所示，可见4个液压缸位移曲线是基本重合的，最大同步误差约为0.5mm。

5 结论

在分析了各种同步控制方法基础上，针对多液压缸同步控制提出一种基于主从控制策略的液压缸同步方案，设计了模糊PID控制器，并通过建立Simulink仿真模型，得出可以达到较高的同步精度。并通过设计同步实验回路，采用PID与PLC相结合，进行控制模块的设计和制作，最后搭建同步控制实验台并进行了同步实验，进一步验证了该控制方案的控制精度。采用模糊PID控制和PLC控制，可以根据需要扩展同步控制液压缸数为4、8、12、16、24、32…，同步精度可以控制在0.5mm以内。