劉佑民 王 磊 李 博

北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京100076

常見的雙缸舉升系統(tǒng)是以航天裝備為代表的重型裝備中的常用系統(tǒng)，利用兩根油缸將負(fù)載舉升到目標(biāo)高度[1-4]。由于負(fù)載較大，在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般設(shè)計(jì)為兩油缸貫通，利用平衡閥通過負(fù)載的壓力保證雙缸的伸出量一致[5-7]，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為簡單，對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度好的系統(tǒng)可以保證控制過程的穩(wěn)定[8-9]。隨著航天裝備復(fù)雜程度和減重要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)剛度不夠強(qiáng)、或負(fù)載無法承受較大扭力的系統(tǒng)逐漸增加，僅采用貫通的方式可能無法保證雙缸運(yùn)動(dòng)過程中的同步性[10-13]。

對(duì)于單級(jí)缸系統(tǒng)而言，直接采用貫通的方式在整個(gè)行程內(nèi)能保證雙缸的位移差處于一個(gè)比較穩(wěn)定的區(qū)間[14-15]，但對(duì)于多級(jí)缸系統(tǒng)而言，由于油缸在換級(jí)點(diǎn)存在短暫的不可控，因此當(dāng)雙缸換級(jí)時(shí)間不一致時(shí)，在換級(jí)時(shí)雙缸的位移差增大，相當(dāng)于增加了一個(gè)瞬態(tài)強(qiáng)干擾，可能無法保證同步性[16-17]，需考慮采用智能控制的方法提升系統(tǒng)的適應(yīng)性[18-19]。

本文提出了一種雙缸舉升智能同步控制系統(tǒng)，能夠適應(yīng)系統(tǒng)剛度不足或負(fù)載無法承受較大扭力的情況，同時(shí)能夠有效補(bǔ)償多級(jí)缸換級(jí)過程帶來的擾動(dòng)，使得系統(tǒng)整個(gè)行程內(nèi)雙缸的位移差保持在很小的范圍，適應(yīng)負(fù)載的需求。

本文第1節(jié)分析了控制過程中的干擾，第2節(jié)設(shè)計(jì)智能同步控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了舉升回路和補(bǔ)償回路的控制方法，基于第2節(jié)的控制方法第3節(jié)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，第4節(jié)是小結(jié)。

1 大負(fù)載舉升控制過程中的干擾分析

典型的大負(fù)載舉升系統(tǒng)由一個(gè)多級(jí)筒負(fù)載，并依靠2根多級(jí)舉升液壓缸將其舉升到目標(biāo)高度，如圖1所示。其中，舉升液壓缸為四級(jí)缸，多級(jí)筒負(fù)載為三級(jí)缸。

圖1 典型大負(fù)載舉升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在雙缸舉升過程中，系統(tǒng)主要面臨負(fù)載筒偏心、負(fù)載筒換級(jí)、舉升油缸速度不一致和舉升油缸換級(jí)等擾動(dòng)。其中，負(fù)載筒偏心、舉升油缸速度不一致帶來持續(xù)的干擾，而負(fù)載筒換級(jí)、舉升油缸換級(jí)帶來瞬態(tài)強(qiáng)干擾。僅依靠雙缸貫通不進(jìn)行補(bǔ)償，典型的雙缸誤差如圖2所示。

圖2 采用雙缸貫通方法時(shí)的雙缸誤差

由圖2可知，由于上述干擾的存在，如果雙缸僅依靠貫通和壓力，無法保證全程同步，故需要設(shè)計(jì)智能同步控制系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)這些干擾。

2 智能同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)及控制流程設(shè)計(jì)

考慮到液壓系統(tǒng)的通用性，雙缸仍設(shè)計(jì)為貫通缸而不是2個(gè)獨(dú)立缸，因此無法分別設(shè)計(jì)控制策略保證同步性，只能通過對(duì)其中一路油缸進(jìn)行補(bǔ)油、放油操作，使該油缸的行程與另一油缸保持一致。故設(shè)計(jì)雙缸舉升液壓系統(tǒng)：舉升過程中，用一路比例多路閥控制雙缸的舉升運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在雙缸中選擇一路油缸定義為基準(zhǔn)缸，另一路油缸定義為補(bǔ)償缸，在補(bǔ)償缸液壓回路中設(shè)計(jì)補(bǔ)油、放油環(huán)節(jié)，用以執(zhí)行雙缸位移差不滿足要求時(shí)的補(bǔ)償動(dòng)作。液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

為保證全過程的同步性，補(bǔ)油、放油操作需要實(shí)時(shí)進(jìn)行，即設(shè)置狀態(tài)反饋，實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償量計(jì)算，并進(jìn)行補(bǔ)償。考慮到雙缸同步的主要目的是保證雙缸位移一致，故選擇拉線位移傳感器采集雙缸的運(yùn)動(dòng)長度。拉線傳感器安裝在安裝面上，分別用于采集基準(zhǔn)缸、補(bǔ)償缸的位移長度，安裝時(shí)傳感器連接端與油缸頂部固定段連接，通過鉛垂線保證拉線與水平面垂直，不垂直度小于1′，盡量保證拉線與油缸伸出段平行[20]。控制器根據(jù)拉線位移傳感器反饋的基準(zhǔn)缸、補(bǔ)償缸長度差進(jìn)行補(bǔ)油、放油控制量計(jì)算并輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)調(diào)整雙缸的運(yùn)動(dòng)量。

同時(shí)，監(jiān)測雙缸的壓力，狀態(tài)異常時(shí)報(bào)警。控制策略的流程圖如圖4所示。

圖4 控制策略流程圖

2.2 狀態(tài)信息采集解算

利用傳感器測量基準(zhǔn)缸運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移Lb和油缸正腔壓力Pb，補(bǔ)償缸運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移Lc和油缸正腔壓力Pc，反饋到控制系統(tǒng)中(注：其中正腔指油缸的無桿腔)，并標(biāo)定基準(zhǔn)缸、補(bǔ)償缸的換級(jí)點(diǎn)。其中，Pb和Pc的單位為MPa；Lb和Lc的單位為mm。

舉升油缸安裝方式和加工精度可保證雙缸的換級(jí)點(diǎn)基本處于同一位置，誤差小于0.5mm。對(duì)于某一油缸而言，設(shè)最先伸出的一級(jí)油缸為四級(jí)缸，最后伸出的一級(jí)油缸為一級(jí)缸，按照換級(jí)的先后順序，標(biāo)定三四級(jí)油缸換級(jí)點(diǎn)C34，二三級(jí)油缸換級(jí)點(diǎn)C23和一二級(jí)油缸換級(jí)點(diǎn)C12。

利用式(1)得到基準(zhǔn)缸運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度Vb和補(bǔ)償缸運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度Vc，單位mm/s：

Vb=(Lb(k)-Lb(k-10))/10Ts

Vc=(Lc(k)-Lc(k-10))/10Ts

(1)

其中，Lb(k)為基準(zhǔn)缸當(dāng)前采樣周期的位移;Lb(k-10)為基準(zhǔn)缸10個(gè)采樣周期前的位移;Lc(k)為補(bǔ)償缸當(dāng)前采樣周期的位移;Lc(k-10)為補(bǔ)償缸10個(gè)采樣周期前的位移;Ts為采樣周期，與控制周期一致。

利用式(2)得到雙缸運(yùn)動(dòng)過程中的位移差ΔL、速度差ΔV和壓力差ΔP：

ΔL=Lb-Lc

ΔV=Vb-Vc

ΔP=Pb-Pc

(2)

根據(jù)基準(zhǔn)缸位移、補(bǔ)償缸位移和位移差，基準(zhǔn)缸正腔壓力、補(bǔ)缸正腔壓力、壓力差，基準(zhǔn)缸速度、補(bǔ)償缸速度及速度差的值進(jìn)行舉升流程控制。

2.3 舉升控制策略

舉升過程中，根據(jù)雙缸舉升的目標(biāo)位移為Laim、基準(zhǔn)缸的位移Lb計(jì)算雙缸舉升運(yùn)動(dòng)的控制量Uup，其中，Uup的值為[-10000，10000]。

1)Lb∈[0,C23-50]時(shí)，Uup設(shè)置為-10000，使油缸舉升運(yùn)動(dòng)速度最大；

2)Lb∈[C23-50,C12-60]時(shí)，Uup設(shè)置為-8500；

3)Lb∈[C12-60,C12+30]時(shí)，Uup設(shè)置為-3500，使一、二級(jí)換級(jí)時(shí)速度降低；

4)Lb∈[C12+30,Laim-150]時(shí)，Uup設(shè)置為-4600，換級(jí)后線性提升速度；

5)Lb∈[Laim-150,Laim]時(shí)，Uup按照式(3)計(jì)算得到：

Uup=-((1+Krp(Vr-V0)/V0)U0+

Kbp(Vr-Vb)+ΘVr-Vb)

(3)

其中，Krp由閥的特性曲線決定，當(dāng)閥的線性度較好時(shí)可取Krp=1，V0和U0分別為進(jìn)入5)段時(shí)基準(zhǔn)缸的速度和控制量，當(dāng)閥的線性度較好時(shí)可根據(jù)樣本的控制量-流量曲線結(jié)合油缸截面積進(jìn)行估算；Kbp是微分系數(shù)，Vr是末段規(guī)劃速度，按照式(4)計(jì)算得到：

(4)

ΘVr-Vb是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，用以消除干擾帶來的誤差，考慮到閥的死區(qū)特性，其初值設(shè)為-1500，按照式(5)計(jì)算得到：

ΘVr-Vb(k+1)=

(5)

積分環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證積分作用時(shí)對(duì)速度的影響較小，且減速時(shí)較快，增速時(shí)較慢，避免造成系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度的大幅震蕩。

2.4 急停保護(hù)策略

舉升過程中，當(dāng)連續(xù)2s內(nèi)|ΔP|≥2MPa或|ΔL|≥5mm，將雙缸貫通，維持1s后斷電，流程進(jìn)行報(bào)警急停處理。

2.5 補(bǔ)償缸補(bǔ)油、放油控制策略

舉升過程中，根據(jù)ΔL的值實(shí)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)油、放油補(bǔ)償，保證雙缸位移一致：

1)若|ΔL|≤1mm，實(shí)時(shí)監(jiān)測上述位移、壓力、速度數(shù)據(jù)即可，不進(jìn)行控制；

2)若ΔL>1mm，對(duì)補(bǔ)償缸進(jìn)行補(bǔ)油控制，根據(jù)ΔL和ΔV的值以及油缸的運(yùn)動(dòng)段級(jí)數(shù)進(jìn)行補(bǔ)油控制量uc計(jì)算，按照式(6)得到uc：

uc=-(KlpΔL-KvpΔV)λ+ΙΔL

(6)

其中，Klp是比例系數(shù)；Kvp是微分系數(shù)；ΙΔL是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，用以消除干擾帶來的誤差，其初值為0，按照式(7)計(jì)算得到：

ΙΔL(k+1)=

(7)

λ是截面系數(shù)，根據(jù)油缸處于不同的級(jí)數(shù)決定補(bǔ)償量的系數(shù)，按照式(8)計(jì)算得到：

(8)

其中，D4為四級(jí)缸正腔面積；D3為三級(jí)缸正腔面積；D2為二級(jí)缸正腔面積；D1為一級(jí)缸正腔面積，σxy為補(bǔ)償系數(shù)，用以補(bǔ)償實(shí)際系統(tǒng)與理論計(jì)算之間的偏差。

3)若ΔL<-1mm，對(duì)補(bǔ)償缸進(jìn)行放油控制，根據(jù)ΔL和ΔV的值以及油缸的運(yùn)動(dòng)段級(jí)數(shù)進(jìn)行放油控制量ud計(jì)算，按照式(9)得到ud：

ud=-((KlpΔL-KvpΔV)λ+ΗΔL)/10000×44

(9)

ΗΔL是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，用以消除干擾帶來的誤差，其初值為0，按照式(10)計(jì)算得到：

ΗΔL(k+1)=

(10)

λ是截面系數(shù)，其計(jì)算方法與2)中一致。

當(dāng)基準(zhǔn)缸運(yùn)動(dòng)到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，將雙缸卸荷、貫通，并給蓄能器沖壓，當(dāng)Pb壓力達(dá)到8MPa，且Lb和Lc已發(fā)出到位信號(hào)后，流程控制結(jié)束。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在圖5所示的實(shí)際系統(tǒng)上開展試驗(yàn)。

圖5 實(shí)際系統(tǒng)圖

首先，手動(dòng)進(jìn)行雙缸舉升試驗(yàn)，僅依靠雙缸貫通不進(jìn)行補(bǔ)償，雙缸誤差如圖2所示。

采用第2章中設(shè)計(jì)的智能同步控制系統(tǒng)進(jìn)行雙缸同步舉升試驗(yàn)，試驗(yàn)過程參數(shù)配置如表1所示，雙缸誤差如圖6所示。

表1 試驗(yàn)過程參數(shù)配置

圖6 采用智能同步控制系統(tǒng)時(shí)的雙缸誤差

由圖6的試驗(yàn)結(jié)果可知，應(yīng)用本文提出的智能同步控制系統(tǒng)后，大負(fù)載雙缸舉升過程的同步性大大提高。整個(gè)過程中，雙缸位移差最大值(在負(fù)載筒換級(jí)時(shí)出現(xiàn))由19mm減小到6mm，且整個(gè)舉升過程位移差在無大瞬態(tài)干擾的情況下能保持在2mm以內(nèi)，即使由于負(fù)載筒換級(jí)、舉升缸換級(jí)等較大的瞬態(tài)干擾導(dǎo)致雙缸的瞬時(shí)位移誤差大于2mm，也能在2s內(nèi)將誤差糾正到2mm內(nèi)。

可見，本文提出的控制系統(tǒng)在獲得基準(zhǔn)缸、補(bǔ)償缸狀態(tài)信息的基礎(chǔ)上，一方面使雙缸快速舉升，另一方面實(shí)現(xiàn)雙缸舉升過程中位移差的補(bǔ)償，且能夠消除換級(jí)等瞬態(tài)干擾造成的影響，使得舉升過程中雙缸的位移基本一致，提高了雙缸舉升的同步性，并使得該舉升系統(tǒng)能夠適應(yīng)剛度不夠強(qiáng)、或無法承受較大扭力的負(fù)載。

本控制系統(tǒng)不僅適用于雙缸舉升同步控制系統(tǒng)，同樣可推廣到雙缸下放同步控制系統(tǒng)和其他類似的高精度雙缸同步控制系統(tǒng)。經(jīng)過維度拓?fù)浜?，本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想可用于多維同步控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種大負(fù)載雙缸舉升智能同步控制系統(tǒng)，使得大負(fù)載雙缸舉升過程的同步性大大提高，能夠有效補(bǔ)償負(fù)載筒偏心、負(fù)載筒換級(jí)、舉升油缸速度不一致及舉升油缸換級(jí)等帶來的擾動(dòng)，使得系統(tǒng)整個(gè)行程內(nèi)雙缸的位移差保持在很小的范圍，能夠適應(yīng)系統(tǒng)剛度不夠強(qiáng)、或負(fù)載無法承受較大扭力的工況。同時(shí)，該控制方法可以推廣到類似的大負(fù)載高精度的雙缸同步控制系統(tǒng)。