張靖雨，王野牧，張日新

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 引言

由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及液壓伺服系統(tǒng)的不斷普及，液壓位置控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域[1]。在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，高精度、高質(zhì)量、高要求成為制造業(yè)企業(yè)新的追求。而液壓伺服系統(tǒng)作為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中關(guān)鍵的一員，理應(yīng)策應(yīng)制度規(guī)范探索更高的控制精度，生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品。但是對(duì)于液壓系統(tǒng)這樣的非線性系統(tǒng)而言，高精度位置控制系統(tǒng)無(wú)疑對(duì)設(shè)計(jì)者提出了全新的挑戰(zhàn)[2]。本文以控制精度0.01 mm為目標(biāo)，研究影響控制精度的因素，并在一定程度上提出更具普遍適用性的方案。

1 0.01 mm位置控制系統(tǒng)建模與仿真

1.1 模型的建立

模擬壓機(jī)模墊系統(tǒng)的工作情況，液壓缸豎直放置，外力負(fù)載為模具重力，采用控制器、伺服閥、伺服油缸、位移傳感器構(gòu)成閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，配合油泵電機(jī)組采用離散式PID控制的形式搭建成0.01 mm位置控制系統(tǒng)模型[3]?；贏MESim的0.01 mm位置控制系統(tǒng)模型如圖1所示。

1-位置信號(hào)；2-信號(hào)放大器；3-PID控制器；4-限位保護(hù)器；5-閥分辨率；6-閥滯環(huán)；7-二階頻寬；8-閥體結(jié)構(gòu)；9-伺服油缸；10-阻尼孔；11-位移傳感器；12-外力信號(hào)；13-油泵電機(jī)組；14-溢流閥

針對(duì)0.01 mm位置控制采取極端手段，以世界液壓水平最先進(jìn)技術(shù)作為仿真的限定條件，以0.01 mm控制精度作為最終目的，忽略經(jīng)濟(jì)因素，以高精度設(shè)備、高系統(tǒng)壓力、低摩擦、快輪詢控制器設(shè)定模型參數(shù)。模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型參數(shù)設(shè)置

1.2 仿真分析

仿真得到的伺服油缸位置曲線如圖2所示，局部位置曲線如圖3所示。從圖2、圖3可以看出，位置控制曲線平穩(wěn)，放大后可以清晰看到曲線在0.01 mm范圍內(nèi)成鋸齒形波動(dòng)，滿足控制精度要求。此方案對(duì)伺服閥與伺服油缸要求太高，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本太高，需要對(duì)影響控制精度的因素進(jìn)行分析并探索合適的控制方案。

圖2 伺服油缸位置曲線

圖3 局部位置曲線

2 影響控制精度因素分析

2.1 比例伺服閥性能對(duì)位置控制的影響

比例伺服閥對(duì)位置控制精度的影響主要體現(xiàn)在分辨率和滯環(huán)上，分辨率精度越高越接近目標(biāo)值，而滯環(huán)越小越接近目標(biāo)值。以PARKER公司伺服閥(分辨率0.03%，滯環(huán)0.05%)與經(jīng)濟(jì)性價(jià)比更好的ATOS比例伺服閥(分辨率0.1%，滯環(huán)0.1%)進(jìn)行對(duì)比，得到的比例伺服閥分辨率和滯環(huán)對(duì)位置控制的影響如圖4所示。

圖4 比例伺服閥分辨率和滯環(huán)對(duì)位置控制的影響

由圖4仿真結(jié)果可以得出結(jié)論：比例伺服閥分辨率與滯環(huán)是影響系統(tǒng)控制精度的重要因素，在高壓力低摩擦的理想條件下，只改變了分辨率與滯環(huán)參數(shù)，控制精度就達(dá)不到技術(shù)要求；分辨率0.1%、滯環(huán)0.1%的曲線振蕩特點(diǎn)是呈規(guī)律性、出現(xiàn)尖點(diǎn)，這種現(xiàn)象往往是液壓系統(tǒng)阻尼比不足或是伺服油缸運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定造成的[4]，若能消除振蕩現(xiàn)象控制效果會(huì)好一些。

2.2 系統(tǒng)內(nèi)泄漏對(duì)位置控制的影響

系統(tǒng)內(nèi)泄漏主要是由伺服閥和伺服油缸造成的，但是隨著制造技術(shù)的不斷提高，系統(tǒng)內(nèi)泄漏量越來(lái)越小。內(nèi)泄漏過(guò)大會(huì)造成系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變慢、影響控制精度、能耗增加等，但也會(huì)帶來(lái)一些好處，比如增加系統(tǒng)傳遞函數(shù)中阻尼比等。因此，在對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求不高的實(shí)際工程中往往會(huì)在液壓缸壓力油路與回油路之間并聯(lián)一個(gè)阻尼孔以適當(dāng)增加系統(tǒng)內(nèi)泄漏，從而增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。阻尼孔尺寸對(duì)位置控制的影響如圖5所示。

圖5 阻尼孔尺寸對(duì)位置控制的影響

圖5中，對(duì)比阻尼孔直徑為0.01 mm與0.1 mm的曲線，位置控制精度并沒(méi)有改善反而振蕩加?。粚?duì)比阻尼孔直徑為0.01 mm與1 mm的曲線，位置控制精度沒(méi)有明顯變化，但是曲線振蕩尖點(diǎn)消失，曲線成周期性波動(dòng)。所以增加內(nèi)泄漏并不會(huì)直接改善系統(tǒng)位置控制精度，隨著系統(tǒng)內(nèi)泄漏的增加，系統(tǒng)阻尼比也在隨之增加，且振蕩加劇，當(dāng)阻尼比穩(wěn)定性作用逐漸大于泄漏帶來(lái)的振蕩作用時(shí)，位置控制精度轉(zhuǎn)好；當(dāng)阻尼比穩(wěn)定性作用逐漸小于泄漏帶來(lái)的振蕩作用時(shí)，位置控制精度轉(zhuǎn)差。系統(tǒng)阻尼比的提高確實(shí)有助于改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，使波動(dòng)更平穩(wěn)[5]，但是增加內(nèi)泄漏量嚴(yán)重影響了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。由此可見(jiàn)，通過(guò)改變內(nèi)泄漏量提高位置控制精度的辦法并不可行。

2.3 伺服油缸啟動(dòng)壓力對(duì)位置控制的影響

伺服油缸的啟動(dòng)壓力是指空載情況下推動(dòng)伺服油缸的最小壓力值。由于受工業(yè)制造水平的限制，低啟動(dòng)壓力伺服油缸需要更高要求的內(nèi)部元件、更高精度的接觸表面和特殊的密封組件，會(huì)成倍增加伺服油缸的制造成本。

降低伺服油缸啟動(dòng)壓力值可以提高伺服油缸的壓力敏感度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，從而提高控制精度，但是啟動(dòng)壓力與內(nèi)泄漏之間存在著必然聯(lián)系，與之對(duì)應(yīng)的伺服油缸密封效果相對(duì)較差，內(nèi)泄漏增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。與之相反，適當(dāng)增加伺服油缸啟動(dòng)壓力值，雖然犧牲了部分動(dòng)態(tài)響應(yīng)，卻換取了伺服油缸更好的密封效果和更好的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性。

分別將伺服油缸啟動(dòng)壓力設(shè)定為0.02 MPa與0.1 MPa進(jìn)行仿真，得到伺服油缸啟動(dòng)壓力對(duì)位置控制的影響,如圖6所示。

對(duì)比圖6中的兩條曲線可以看出，適當(dāng)增加伺服油缸啟動(dòng)壓力曲線更穩(wěn)定且成規(guī)律性變化。這種穩(wěn)定且規(guī)律的曲線波動(dòng)是我們所期望的效果。

圖6 伺服油缸啟動(dòng)壓力對(duì)位置控制的影響

3 普遍適用性方案

通過(guò)上文論述可以得知，伺服閥的分辨率、滯環(huán)和伺服油缸啟動(dòng)壓力對(duì)系統(tǒng)控制精度影響較大，一定程度的內(nèi)泄漏的確可以增加系統(tǒng)阻尼系數(shù)使系統(tǒng)穩(wěn)定性轉(zhuǎn)好，但是內(nèi)泄漏的增大也伴隨著對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。因此，利用加速度反饋校正的方式提高系統(tǒng)阻尼比，消除分辨率與滯環(huán)帶來(lái)的不穩(wěn)定振蕩[6]，適當(dāng)增加伺服油缸啟動(dòng)壓力提高其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。對(duì)0.01 mm位置控制系統(tǒng)模型進(jìn)行調(diào)整，建立的加速度反饋校正適用性模型如圖7所示。

圖7 加速度反饋校正適用性模型

將0.01 mm位置控制模型仿真曲線與加速度反饋校正適用性模型仿真曲線進(jìn)行對(duì)比如圖8所示。

由圖8可以看出，加速度反饋校正適用性模型位置曲線控制精度已經(jīng)達(dá)到了0.01 mm，曲線成規(guī)律性波動(dòng)，控制效果良好。

圖8 不同控制方案對(duì)比

普遍適用性方案在一定程度上彌補(bǔ)了伺服閥分辨率、滯環(huán)對(duì)位置控制精度的影響，降低了伺服閥的選型要求。普遍適用性方案中適當(dāng)提高了伺服油缸啟動(dòng)壓力，降低了伺服油缸的加工要求。綜上，普遍適用性方案可以達(dá)到液壓系統(tǒng)0.01 mm位置控制精度，從根本上降低了系統(tǒng)加工的經(jīng)濟(jì)成本，適用性更強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文基于AMESim軟件對(duì)0.01 mm液壓位置控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模、仿真，分析其主要影響位置控制精度的因素，并提出了適用性更強(qiáng)的方案。通過(guò)對(duì)影響因素的分析得出結(jié)論：閥的分辨率、滯環(huán)和伺服油缸的啟動(dòng)壓力是影響位置控制精度的關(guān)鍵因素，適當(dāng)提高伺服油缸摩擦阻尼并應(yīng)用加速度反饋校正的方案，可以降低系統(tǒng)諧振提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，彌補(bǔ)伺服閥性能上的不足。