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注:本文由佛山兴迪整理自《内燃机与配件》,作者张晓菊、张春友。
近年来,随着电液伺服系统应用日益扩大,大型设备对于负载能力的要求不断增加,机构复杂程度加强,在设备中因负载或布局的关系要求,一个执行元件已经远远不能独立完成任务,往往需要多个执行元件协同作用共同驱动完成任务,尤其是液压同步驱动,因其具有结构简单、易于控制、功率密度大、负载能力强等显著特点而占据了重要的地位。
同步精度以位置误差或速度误差来表示是衡量同步运动好坏重要指标。电液伺服系统的同步控制方式主要有开环控制和闭环伺服控制两种方式。
1、开环控制系统
开环控制是利用同步控制里设计的液压回路与它们自身的精度,来协调保障液压系统的同步,主要有如下几种分类:
1.1利用刚性连接的同步控制回路
利用刚性连接的同步控制回路的原理图如图1所示。它的主要特点是所有的液压缸分别通过刚性联接来保证其位置同步,且直接决定了控制回路的同步精度。这种同步控制回路的优点是结构简单可靠,但很大的缺点是运行平稳性较差,容易出现卡死等现象。所以基于以上特点,主要应用在同步精度要求不高、偏载较小、间距较近的场合。
1.2利用调速阀的同步控制
利用调速阀作为主要元件的同步控制回路,是通过调速阀保证进入执行器的流量相等来提高同步精度,其具体原理如图2所示。该同步控制回路的优点是结构简单、价格便宜,应用也比较广泛,缺点是调速阀不同时刻的瞬时速度不同,使得同步精度无法保证。
1.3利用分流集流阀同步控制
该同步回路主要元件为分流集流阀,原理如图3所示。该同步回路的优点是结构简单、价格经济,抗偏载能力较强,但也有其自身的缺点:因该同步控制执行机构太多,不适用于同步精度要求高、压力较低的系统。
1.4利用并联马达同步控制回路
利用并联同步液压马达同步控制回路的原理如图4所示。为保证其同步性,选用时,作为主要元件的同步液压马达要求排量相同且刚性连接,来控制每个支路的流量均相同。把单向阀和溢流阀分别设置在每一条控制回路上,消除累计误差,提高稳定性。尤其适用于同步稳定性要求较高的场合。
1.5利用并联泵同步控制回路
利用并联泵的液压同步控制回路原理如图5所示。为保证其速度同步,选用时作为主要元件的液压泵要求排量相同且刚性联接,来控制各支路输出流量相等。这种同步控制的主要优点是通过多个液压泵联合供油,可以承受较大的偏载。但由于其自身的同步误差很难控制,因此需要另外加设其他的装置来消除系统的累积误差,以提高同步精度。
以上几种开环同步控制方式的共同特点是,结构比较简单、使用比较方便、易于控制等优点,但是不能完全消除或抑制外界环境的干扰,同步控制精度不高,这就在很大范围内限制了开环控制方式的应用。
2、闭环液压同步控制
所谓闭环液压同步控制是利用传感器将采集到的液压缸的输出信号作为反馈信号,并结合对电液比例阀进行控制,即各支路的输出流量按需求调节,从而实现多液压缸同步运动。实现了在液压同步系统中带有反馈控制系统。现有的闭环液压同步控制方式主要有如下两种:
2.1采用电液比例阀的同步控制
采用电液比例阀的优点是造价低抗污染能力强、性能良好,所以在系统频率响应和同步精度较高的场合被广泛应用。其控制精度主要取决于位移传感器的检测精度及比例阀的响应特性,理论上没有累积误差。但是电液比例阀比电液伺服阀的频率响应低,动态响应能力也不及电液伺服阀。电液比例阀的同步回路可分为:比例方向阀的同步回路、比例调速阀的同步回路、比例流量调节变量泵的同步回路等。
2.2采用电液伺服阀的同步控制
麻省理工学院电液伺服控制技术最先产生于美国的,后因其响应快、精度高,很快在工业界得到了普及,“工业液压技术在全球经济中稳步发展,其应用没有边界”。
电液伺服系统是一种以液压动力元件作为执行机构,根据负反馈原理,使系统的输出跟踪给定信号的控制系统。它不仅能自动、准确、快速地复现输入信号的变化规律,而且可对输入量进行变换与放大。
以上两种闭环同步控制方式的共同特点是,价格较高,污染严重,但同步精度较高。近年来,随着大型设备的同步性能逐年提高的同时,将现代控制理论应用在电液比例同步控制回路中,以实现同步精度,具有广泛的应用。
为获得满意的同步控制效果,一阀控一缸的控制模式是必要的,这样就将多缸同步系统引入了阀缸单控的伺服控制模式中。电液伺服控制系统是指通过对输出进行检测和反馈的闭环控制方法,在很大程度上消除或抑制执行元件及外界环境误差的影响,从而可以获得高精度可靠性和稳定性的同步控制系统,为了提高电液伺服多缸加载系统的同步精度,在传统PID控制基础上设计出一种模糊免疫自适应PID控制器。