張聲艷,陳玉坤,馮忠偉,劉 冬,歐連軍

(中國運載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

基于力同步控制的雙缸力加載系統(tǒng)控制策略研究

張聲艷,陳玉坤,馮忠偉,劉 冬,歐連軍

(中國運載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076)

針對液壓加載系統(tǒng)中雙缸力同步控制需求，設(shè)計了并聯(lián)控制方案;分別采用減壓閥和伺服閥作為主要控制元件，建立雙缸力同步控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型;通過調(diào)節(jié)相應(yīng)的液壓參數(shù)和控制參數(shù)，采用Simulink對兩類控制元件下的模型進行仿真研究;仿真結(jié)果表明，并聯(lián)控制可以有效實現(xiàn)雙液壓缸的力同步加載，理論上當(dāng)使用減壓閥作為控制元件宜采用純積分控制策略，當(dāng)使用伺服閥作為控制元件宜采用PD控制策略，均可得到較優(yōu)控制效果，為實際工程項目雙缸加載試驗提供理論指導(dǎo)。

力同步加載；并聯(lián)控制；減壓閥；伺服閥

0 引言

力加載系統(tǒng)作為施力機構(gòu)，常用于各種復(fù)雜工況下的力學(xué)性能測試，如用在隧道、道路、橋梁等方面的力學(xué)性能模擬。由于要求精度高、響應(yīng)快、低速穩(wěn)定、輸出力矩大等特點，因此力加載系統(tǒng)中常用電液伺服機構(gòu)作為執(zhí)行系統(tǒng)[1]。

根據(jù)實際加載需求，需要兩個液壓缸同時施力，針對這一工況本文設(shè)計了“閥控雙缸”的并聯(lián)控制方案，即將兩個液壓缸的進口油路和出口油路分別并聯(lián)連接到控制閥的負載口，通過控制其中一個液壓缸出力來實現(xiàn)兩缸同時出力。但是對于兩個液壓缸來說，由于每個缸加載位置不同會直接導(dǎo)致負載特性上的差異，并且由于液壓管路效應(yīng)、摩擦等非線性因素，都將給高精度力控制帶來較大難度。

近年來，隨著電液系統(tǒng)的精度要求不斷提高，業(yè)內(nèi)廣泛出現(xiàn)了許多新式控制算法的研究[2]，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、H∞魯棒控制，相比于上述新型控制策略，經(jīng)典PID控制具有實現(xiàn)容易、便于快速調(diào)試等優(yōu)點，因此仍具有非常重要的工程實用價值。針對本系統(tǒng)中“閥控雙缸”的特殊控制方式，考慮到控制閥溫漂、細長液壓管路[3-4]、負載特性差異[5-6]等因素都將給力加載控制帶來了很大難度，因此需設(shè)計相應(yīng)控制策略實現(xiàn)高精度力加載。

1 系統(tǒng)模型建立

本文研究的力同步加載系統(tǒng)包含2個液壓缸，采用并聯(lián)控制，分別將兩個液壓缸進口和出口油路并聯(lián)接入到控制閥，通過控制某一液壓缸來實現(xiàn)兩個液壓缸對被試件的換向與加載，綜合考慮摩擦阻力及負載剛度，建立控制系統(tǒng)物理模型見圖1[7]。

圖1 系統(tǒng)物理模型

1.1 雙缸并聯(lián)控制系統(tǒng)模型

設(shè)輸入Xv為閥芯位移，輸出Fg1為液壓缸1驅(qū)動力，得到雙缸并聯(lián)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 雙缸并聯(lián)控制系統(tǒng)模型

1.2 減壓閥控制下仿真模型

比例減壓閥是一種典型的比例壓力閥，其基本原理是根據(jù)給定輸入信號，實現(xiàn)連續(xù)比例的控制流體壓力[8]，結(jié)合圖2建立的數(shù)學(xué)模型，得到減壓閥控制下的系統(tǒng)仿真模型見圖3所示。

圖3 減壓閥控制下仿真模型

1.3 伺服閥控制下仿真模型

伺服閥是一種典型的液壓控制閥，其工作原理是接收電流信號控制，然后輸出跟隨電流信號變化的流量或壓力[9]。本系統(tǒng)中兩缸并聯(lián)，連接管路細長，導(dǎo)致系統(tǒng)固有頻率較低(遠小于50 Hz)，因此可將伺服閥數(shù)學(xué)模型近似簡化為一階慣性環(huán)節(jié)。

(1)

式中,G1(s)表示簡化的傳遞函數(shù)；Kv1表示增益(m/A)；Tv表示時間常數(shù)(s)。

在圖2基礎(chǔ)上，加入流量伺服閥的傳遞函數(shù)，兼顧伺服閥的飽和電流及控制算法，得到伺服閥控制下的仿真模型如圖4所示。

圖4 伺服閥控制下仿真模型

2 仿真結(jié)果分析

基于上述建立的減壓閥和伺服閥控制下的仿真模型，在Simulink環(huán)境下進行時域特性仿真，從而得到系統(tǒng)響應(yīng)時間、超調(diào)量及穩(wěn)定性指標(biāo)。

基于減壓閥控制下的仿真參數(shù)見表1所示。

2.1 比例控制

基于減壓閥系統(tǒng)和伺服閥控制下的仿真模型，通過調(diào)節(jié)比例系數(shù)，得到兩種控制方案下的時間響應(yīng)曲線，如圖5所示。

表1 減壓閥仿真參數(shù)

基于伺服閥控制下的仿真參數(shù)見表2所示。

表2 伺服閥仿真參數(shù)

圖5 比例控制仿真曲線

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)使用減壓閥作為控制元件時，增大比例系數(shù)Kp，系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)誤差得以改善，但當(dāng)Kp持續(xù)增大時系統(tǒng)會出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象；當(dāng)使用伺服閥作為控制元件時，增大比例系數(shù)Kp，系統(tǒng)響應(yīng)速度明顯提升且穩(wěn)態(tài)誤差得以減小，但當(dāng)Kp持續(xù)增大時系統(tǒng)響應(yīng)時間最終會飽和且導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。對比這兩種控制閥，當(dāng)采用比例控制策略時，減壓閥系統(tǒng)比伺服閥控制系統(tǒng)響應(yīng)慢，但超調(diào)量小；且從仿真結(jié)果可看出比例系數(shù)增大到一定程度時，穩(wěn)態(tài)誤差才能消除，但在工程應(yīng)用中比例系數(shù)不宜取得太大，很可能會由于系數(shù)取得太大而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.2 積分控制

同樣地，通過調(diào)節(jié)不同量級的積分系數(shù)，分別得到減壓閥控制和伺服閥控制下的時間響應(yīng)曲線， 如圖6所示。

圖6 積分控制仿真曲線

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)使用減壓閥作為控制元件時，增大積分系數(shù)Ki，系統(tǒng)響應(yīng)速度提升且無穩(wěn)態(tài)誤差，但整體上來看其響應(yīng)時間明顯慢于比例控制，且系統(tǒng)超調(diào)量非常大，當(dāng)積分系數(shù)Ki持續(xù)增加時系統(tǒng)響應(yīng)時間最終會飽和且導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；當(dāng)使用伺服閥作為控制元件時，增大積分系數(shù)Ki，系統(tǒng)現(xiàn)象與減壓閥控制變化趨勢基本一致。對比兩種控制閥，僅用積分控制時，減壓閥系統(tǒng)比伺服閥控制系統(tǒng)響應(yīng)慢，但超調(diào)量小。

2.3 比例-積分控制

為消除穩(wěn)態(tài)誤差，在比例控制中加入積分環(huán)節(jié)，通過調(diào)節(jié)比例和積分系數(shù)，分別得到減壓閥控制和伺服閥控制下的時間響應(yīng)曲線，如圖7所示。

圖7 比例-積分控制仿真曲線

從仿真結(jié)果可以看出，減壓閥系統(tǒng)中當(dāng)比例積分系數(shù)分別設(shè)置為Kp=1，Ki=1，伺服閥系統(tǒng)中當(dāng)比例積分系數(shù)分別設(shè)置為Kp=40，Ki=1時，兩種系統(tǒng)的超調(diào)均控制在25%左右，且都沒有穩(wěn)態(tài)誤差；從響應(yīng)時間來看，伺服閥系統(tǒng)比減壓閥系統(tǒng)響應(yīng)速度快，但減壓閥控制下系統(tǒng)加載更加平穩(wěn)；同時與純比例和純積分控制效果相比，可以看出對于減壓閥，使用純積分和比例-積分策略，系統(tǒng)達到的控制效果相似，而對于伺服閥，使用純比例和比例-積分策略，系統(tǒng)達到的控制效果基本相同。

2.4 比例-微分控制

為改善動態(tài)性能，在比例控制中加入微分環(huán)節(jié)，通過調(diào)節(jié)比例和微分系數(shù)，得到的曲線如圖8所示。

圖8 比例-微分控制仿真曲線

從仿真結(jié)果可以看出，減壓閥系統(tǒng)中當(dāng)比例、微分系數(shù)分別設(shè)置為Kp=1 000，Kd=10，伺服閥系統(tǒng)中當(dāng)比例、微分系數(shù)分別設(shè)置為Kp=40，Kd=0.1時，兩種系統(tǒng)均穩(wěn)定且無穩(wěn)態(tài)誤差；從響應(yīng)時間來看，伺服閥系統(tǒng)動態(tài)性能優(yōu)于減壓閥，且超調(diào)約12.5%，比PI控制效果好；而減壓閥系統(tǒng)會出現(xiàn)局部振蕩，控制效果不如PI控制策略。

2.5 比例-積分-微分控制

對比上述控制策略下的仿真結(jié)果，綜合加入比例、積分、微分環(huán)節(jié)，得到PID控制下的仿真曲線，如圖9所示。

圖9 比例-微分-積分控制仿真曲線

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)減壓閥系統(tǒng)中各參數(shù)設(shè)置為Kp=1 000，Ki=1，Kd=10時，當(dāng)伺服閥系統(tǒng)中各參數(shù)設(shè)置為Kp=40，Ki=1，Kd=0.1，兩系統(tǒng)均穩(wěn)定，且無穩(wěn)態(tài)誤差；從響應(yīng)時間來看，伺服閥系統(tǒng)動態(tài)性能優(yōu)于減壓閥，且超調(diào)約10%，與PD效果相似；而減壓閥系統(tǒng)階躍出現(xiàn)振蕩，效果不如PI控制策略。

綜上所述，綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)、階躍過程中振蕩以及響應(yīng)時間等指標(biāo)，從仿真結(jié)果可以看出，對于減壓閥系統(tǒng)， PI ≈ I > P ≈ PID ≈ PD，對于伺服閥系統(tǒng)，PID ≈ PD > PI > P > I；也就是說，當(dāng)使用減壓閥作為控制元件時，最佳控制策略應(yīng)加入I環(huán)節(jié)，P環(huán)節(jié)視情況而定，而當(dāng)使用伺服閥作為控制元件時，最佳控制策略中應(yīng)加入P和D環(huán)節(jié)，I環(huán)節(jié)視情況而定。

3 結(jié)論

本文以雙缸力同步加載為背景，從理論角度對減壓閥和伺服閥控制下的力同步加載系統(tǒng)進行建模仿真，通過采用不同的控制策略仿真分析，實現(xiàn)了高精度力同步控制，并得到如下結(jié)論：

1)對于需要實現(xiàn)液壓缸同步加載的需求，本文設(shè)計的“閥控雙缸”并聯(lián)控制方案可行，即將兩個液壓缸進口油路和出口油路分別并聯(lián)連接到控制閥的負載口，通過控制其中一個液壓缸出力來實現(xiàn)兩缸同時出力，該方案簡單，易于工程實踐操作；

2)當(dāng)使用減壓閥作為控制元件時，宜采用積分控制策略，而當(dāng)使用伺服閥作為控制元件時，宜采用比例微分控制策略，但具體的控制參數(shù)應(yīng)在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，在工程實踐中進行動態(tài)調(diào)節(jié)，本文中的設(shè)計參數(shù)可以作為理論參考。

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Strategy Research of Force Synchronous Control of Double Cylinder Force Loading System

Zhang Shengyan，Chen Yukun，F(xiàn)eng Zhongwei，Liu Dong，Ou Lianjun

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076，China)

Under the condition that two cylinders of hydraulic loading system are controlled synchronously, the loading scheme of grouping parallel control is proposed. Servo valve and relief valve are used respectively as the hydraulic control components, and then the mathematical and simulation model of the force control system are established. By adjusting the hydraulic and control parameters, the two control simulation models are researched. The results indicate that the method of grouping parallel control can implement double hydraulic cylinders force loading synchronously. Besides, the servo valve control can get a better control effect with PD control strategy, and the relief valve control can get a better control effect with integral strategy, which provides the theoretical reference for practical engineering project.

loading force synchronization; relief valve force control; servo valve force control

2016-06-08；

2016-07-16。

張聲艷(1989-)，女，貴州安順人，碩士研究生，工程師，主要從事GNC系統(tǒng)綜合設(shè)計。

1671-4598(2016)12-0056-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.016

TP271.4

A