（机械电子工程专业论文）电液伺服系统位置与压力控制转换过程的加减速算法与仿真.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着机械加工自动化程度和机械加工精度的提高，电液伺服系统需要进行位置控制与 压力控制切换的场合越来越多。研究位置与压力切换的控制过程至关重要。 本文以连铸机液压控制系统为例，对该伺服系统位置控制和压力控制各个环节进行分 析和建模，建立伺服系统的位置控制模型和压力控制模型，并在s i m u l i n k 中进行仿真， 为分析位置控制与压力控制的特点提供依据。 针对位置控制与压力控制的特点，仔细分析了位置控制系统与压力控制系统进行切换 的系统耦合方式，并介绍了不同耦合方式的特点和国内外研究状况，并参考力士乐公司轴 运动控制器h n c l 0 0 介绍了各种位置和压力切换的方式，在此基础上，提出了基于并联耦 合方式的变加减速算法，据此算法得到的s 曲线可以用于位置与压力控制的平稳切换，解 决切换的冲击问题。 本文基于变加减速算法给出了s 曲线的推导过程，建立了变加减速算法的通用公式， 并在s i m u l i n k 中建立变加减速算法的模型，对该模型进行仿真以验证算法的可行性。在 仿真过程中，根据并联耦合方式将位置控制系统与压力控制系统进行耦合，将变加减速控 制算法加入到位置和压力耦合的控制系统中，建立包含切换过程的系统模型，借助于仿真 软件毖亡j a 6 岔历程乃坭埋i n k 对所建立的系统模型进行仿真。 仿真结果表明，在进行位置控制向压力控制切换时采用变加减速算法可以很好地实现 执行元件在切换过程中压力和位置平滑切换，达到切换过程无冲击的要求，证实了本文提 出的变加减速算法的可行性和正确性。 关键词：变加减速算法；位置压力切换；位置与压力控制；建模仿真 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s ；t r a c t w i 廿lt h ei n c r e a s eo f m a c h i n i n ga u t o m a t i o na n dm a c h i n i n ga c c u r a c y ，t h eo c c a s i o n so fu s i n g s w i t c hb e t w e e np o s i t i o nc o n t r o la n dp r e s s u r ec o n t r o lo f e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e mi sa l s o g e t t i n gm o r ea n dm o r e ，s ot h er e s e a r c ho ns w i t c hc o n t r o lp r o c e s so f p o s i t i o nc o n t r o la n dp r e s s u r e c o n t r o li sv e r yi m p o r t a n t b a s e do nt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e ，t h i sp a p e ra n a l y z e d a n dm o d e l e de a c hl i n ko f p o s i t i o nc o n t r o la n dp r e s s u r ec o n t r o ls e r v os y s t e m ，i ta l s oe s t a b l i s h e d t h em o d e l so f p o s i t i o nc o n t r o la n dp r e s s u r ec o n t r o ls e r v os y s t e m ，a n ds i m u l a t e e dt h o s em o d l e si n s i m u l i n ks o f t w a r e ，a n dp r o v i d e dt h eb a s i sf o ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o s i t i o nc o n t r o l a n dp r e s s u r ec o n t r 0 1 a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ，t h i s p a p e ra n a l y z e dt h ec o u p l i n gw a y o fs w i t c h i n gs y s t e mo fp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dp r e s s u r e c o n t r o ls y s t e mc a r e f u l l y , a n di n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tc o u p l i n gw a ya n d r e s e a r c hp r o g r e s so fd o m e s t i ca n da b r o a d , i ta l s oi n t r o d u c e dv a r i o u ss w i t c hm o d e so fp o s i t i o n a n dp r e s s u r er e f e r r i n gt or e x r o t ha x i sm o t i o nc o n t r o l l e rh n ci0 0 ，t h i sp a p e rp r o v i d e dac h a n g i n g a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o na l g o r i t h r n v eb a s e do np a r a l l e lc o u p l i n gm a n n e r , a n do b t a i n e dt h e s - c u r v ea l g o r i t h mw h i c hc a nb eu s e dt oa c h i e v eas m o o t hs w i t c hb e t w e e np o s i t i o na n dp r e s s u r e c o n t r o la n ds o l v e dt h ei m p a c tp r o b l e mw h i l es w i t c h i n g i nt h i s p a p e r , i td e d u c e dt h ep r o c e s so ft h e s - c u r v ea l g o r i t h mb a s e do nc h a n g i n g a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o na l g o r i t h m v e , a n de s t a b l i s h e dt h eu n i v e r s a lf o r m u l ao fc h a n g i n g a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n a l g o r i t h m v e ， a n dc r e a t e dt h em o d e lo fa c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o na l g o r i t h mi nt h es i m u l i n ks o f t w a r e ，t h e ns i m u l a t e dt h em o d e lt ov a l i d a t et h e f e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m i nt h es i m u l a t i o np r o c e s s ，a c c o r d i n gt ot h ep a r a l l e lc o u p l i n gw a yt o c o u p l et h ep o s i t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m , i ta d d e dc h a n g i n ga c c e l e r a t i o n a n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o la l g o r i t h mt ot h ep o s i t i o na n dp r e s s u r ec o u p l e dc o n t r o ls y s t e mt ob u i l d t h es y s t e mm o d e lo ft h es w i t c h i n gp r o c e s s i sa l s os i m u l a t e dt h ee s t a b l i s h e dm o d e lb ym e a no f s i m u l a t i o ns o t t w a r eo fm a t l a 6 5 s i m u l i n k s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tu s i n gc h a n g i n ga c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o na l g o r i t h mg a l l a c h i e v es m o o t h l ys w i t c ho fp o s i t i o na n dp r e s s u r ed u r i n gt h es w i t c hp m c e so fp o s i t i o nc o n t r o l c o n v e r tt op r e s s u r ec o n t r o l ，w h i c hc o n f i r m e dt h a tt h ep r o p o s e dc h a n g i n ga c c e l e r a t i o na n d d e c e l e r a t i o na l g o r i t h mi sf e a s i b l ea n dc o r r e c t k e y w o r d s ：v a r i a b l ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o na l g o r i t h m ；t h ep o s i t i o n p r e s s u r es w i t c h ； p o s i t i o na n dp r e s s u r ec o n t r o l ；m o d e l i n gs i m u l a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 位置与压力控制的工艺要求及研究意义 在控制理论的支持下，液压技术取得了突破性的发展，液压技术和控制技术已经融为 一体成为电液传动控制技术。 电液伺服比例技术在电液传动控制技术领域中占有相当重要的地位，按电液伺服比例 控制技术被控物理量的不同，可分为位置控制系统，压力力控制系统和速度控制系统。 目前，这三种单个被控制量的控制系统已能满足大部分工况的需要，其相关的理论已经发 展相当成熟【1 】。但是，随着机械工作精度、产品质量要求和生产自动化程度的提高，对电 液伺服比例控制技术提出了更高的要求，在许多行业和工况下，单个被控量控制系统已经 不能完全满足生产的需要，而必须将这些单个的控制系统耦合起来，实现对一个系统中位 置、压力、速度等控制量的复合控制。图1 1 所示为铜坯铣削加工示意图。 l 送料辊2 一具有位置与压力控制的上铣刀3 一矫直辊 4 一具有位置与压力控制的下铣刀 图1 1 铜坯铣削加工示意图 在铜坯铣削加工中，正常情况下，对铣刀的进给量进行位置控制就可以了。但由于被 加工材料的材质可能存在不均匀性，来料的平直度也不完全相同，在加工过程铣刀受到的 力大小就不可预测，当某时刻材质很硬时铣刀就会承受很大的冲击力，一旦这些力超过铣 刀的强度极限时，就会损坏铣刀和工件，造成很大的损失。因此在进行铣削加工时，必须 有相应措施对铣刀进行保护。材质的不均匀性不可改变，故只能在铣刀的控制方式上采取 措施，采用位置压力复合控制就可避免这种后果。在高精度铣削加工时，采用位置控制系 统控制铣削精度，当铣刀受到的外力超过设定的压力值时，铣刀瞬间从位置控制状态转化 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 为压力控制状态，实现对铣刀的过载保护，当外力减小时，又从压力控制状态转化为位置 控制状态，继续进行铣削加工。 再例如，在进行力控制切割加工过程中，同时也有切割位置的工况要求下，在切割过 程中，采用力闭环控制系统来控制切割力，。当切割到指定位置时，切割停止，这就需要在 进行力闭环控制时同时对位置状态进行监测，这也要求实施切割力和切割位置的复合控制 【2 】 o 图1 2 所示为现在一般钢铁公司的热轧带钢的连续化成卷生产工艺示意图。 2 # 助卷辊 c ：廊助卷辊 图1 2 带钢卷取工艺示意图 带钢的卷取是热连轧中最后一道关键工序，由地下卷取机来完成。在带钢刚进入卷筒 时，带头会夹在第二圈带钢和卷简之间，因此在带头这个部位就会形成了一个凸起的层 差，由于卷筒的转速非常高，层差这个部位会在非常短的时间内通过助卷辊和卷筒之间， 在此时间内，如果助卷辊没有向外移动数毫米而是直接压在卷筒上，层差部位通过助卷辊 时，层差部位和助卷辊的碰撞，必然会对带钢产生很大的冲击，影响带钢的生产质量，同 时减少助卷辊的寿命。避免这种碰撞发生以提高产品质量的最好方法就是实现助卷辊位置 和压力的复合控制，即当层差部位通过助卷辊之前就由卷取工况下的压力控制状态切换 到位置控制状态在位置状态下将助卷辊强行抬起，进行助卷辊的位置控制；当层差部位通 过助卷辊之后立刻切换到压力控制状态使助卷辊压紧带钢实现张力( 压力) 控制。这种将 助卷辊设计成具有位置控制和压力控制功能的控制系统，也是位置与压力的复合控制【3 l 。 从上面的几个例子可以看出，在一些高精度、复杂的工况下，单个被控量的控制系统 已经不能满足产品工艺需要，必须对多个被控量进行复合控制。目前，虽然单独被控量的 控制系统及理论发展得相当成熟，但是，对于多个控制量复合控制的研究，即多控制回路 的耦合关系，尤其是作为关键技术的转换策略与技术的研究，国内还未见到理论性和试验 性的文献及报告。从上面几个例子可以看出，虽然不同工况下位置与压力复合控制的要求 不一样，但是作为最为关键的切换策略与技术是对一般工况下的位置与压力复合控制具有 通用性。本文探讨的内容就是位置与压力复合控制的耦合关系及位置控制和压力控制之间 的转换策略与技术j 。 研究同一系统中多控制量复合控制的转换策略与技术在工程上可以解决类似上述几 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 个例子中同一系统多控制量复合控制的难题，给复杂控制系统提供新的解决方案，降低企 业生产成本，提高产品生产质量；在技术应用上对推动新算法在位置与压力复合控制研究 中的应用起到指导作用。 1 2 国内外关于位置与压力复合控制技术的研究现状及分析 电液伺服位置与压力复合控制在液压控制系统中应用广泛，目前国外成熟的电液控制 系统产品中一般( 例如h n c l 0 0 ) 包括位置控制和压力控制的切换模块。在国内，关于位置 控制与压力控制之间的转换策略与技术的研究还处于起步阶段，对于位置控制和压力控制 切换过程的研究少之又少，本节将在这方面就国内外的研究现状做详细介绍【6 7 】。 1 2 1 国内研究现状及分析 经检索，太原理工大学机械电子工程研究所和太原重工起重机公司联合研究了位置控 制和压力控制的特点，并进一步研究了位置控制和压力控制串联和并联的切换模式，在此 基础上又提出了位置控制和压力控制串并联混合的位置与压力复合控制模式，并对其进行 了仿真和试验研究【2 1 。 燕山大学以热连轧卷取机为研究对象，针对热连轧卷取机中助卷辊和带头层差部位之 间的冲击，参照s m s 公司的控制方案，设计出可用于位置控制和压力控制的复合控制卷取 机踏步控制方案。卷取机步进控制系统结构如图1 3 所示。 图1 3 卷取机步进控制系统结构框图 图1 3 中的位置传感器用来反馈液压缸的位移信号形成位置闭环控制，压力传感器用 来测得液压缸两腔的压差作为压力反馈信号。脉冲编码器监测层差部位的位置，并将监测 结果反馈到计算机控制程序中实现助卷辊抬起和压下的位置与压力复合控制【聊。 北京科技大学信息学院提出了一种压力控制和位置控制相互协调工作的控制系统。主 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 要方法是是从液压缸引入压力反馈构成压力控制，与位置控制形成双闭环控制，应用限幅 饱和的方法比较压力控制和位置控制的指令信号，使进入饱和的系统退出工作，让退出饱 和的系统投人工作，两个系统只有一个处于饱和状态而另一个系统处于工作状态，实现位 置控制与压力控制协调工作，并在d s p a c e 实时仿真平台上对该系统进行了仿真分析 1 0 , l l 】。 1 2 2 国外研究现状 国外关于位置压力复合控制技术的研究已经达到了很高水平。 德国西马克公司在地下卷取机液压控制系统中采用位置外环，压力内环的复合控制方 式，将卷取机助卷辊和带头之间的冲击通过位置与压力复合控制系统消除，大大提高了卷 取机的工作质量。 德国力士乐推出的h n c l 0 0 系列电液轴控制器，集成了液压轴控制的所有功能，包括 了位置控制和压力控制进行切换的功能【1 2 】，适用于各种不同工况下压力与位置复合控制的 需要。h n c l 0 0 系列电液轴控制器位置控制和压力控制的切换模块包括以下几个： ( 1 ) 位置一压力单向切换的模块，包括g 2 7 模块和g 2 8 模块。其中，g 2 7 模块将设定位 置作为切换条件。当油缸按设定速度走到设定位置时，油缸从位置控制状态切换到压力控 制状态，并且根据压力设定值控制切换后压力控制系统的压力。g 2 7 模块可以采用默认时 间和用户设定时间两种模式决定切换过程时间。 g 2 8 模块设定位置和压力作为切换条件。当油缸按设定速度走到设定位置时，油缸的 实际压力会与设定的压力进行比较。当系统实际压力达到设定的切换压力时，油缸从位置 控制状态切换到压力控制状态，并且根据设定压力值控制切换后压力控制系统的压力。g 2 8 模块可以采用默认时间和用户设定时间两种模式决定切换过程时间。g 2 8 模块还可以根据 用户需要设置更多的切换条件来决定位置控制系统向压力控制系统切换，只有当所有的切 换条件都满足时，才能进行切换。 ( 2 ) 位置一压力双向切换模块( g 6 1 模块) 。在进行位置控制时，系统比较液压缸的实 际压力与设定的切换压力大小，当油缸的实际压力大于设定的切换压力时，位置控制系统 切换为压力控制系统。当压力控制系统向位置控制系统切换时，需要满足以下条件：位置 控制器的控制信号小于压力控制器的控制信号。当切换到压力控制状态后，实际位置是在 变化的，如果位置指令信号与实际位置信号的偏差变为零，位置控制系统切入，压力控制 系统关闭。 ( 3 ) 多环切换模块，实现闭环压力控制系统、速度闭环控制系统、开环系统向闭环 位置控制系统切换的模块( g 6 3 模块) 。 ( 4 ) 压力一位置单向切换，在压力闭环控制系统中检测实际位置，当实际位置到达设 定位置时，油缸停止运行的模块( g 6 5 模块) 。 唧c l o o 系列轴控制器中位置压力复合控制的切换模块都有各自特殊的用途。g 2 7 依靠 设定的切换位置来实现位置控制向压力控制的切换，主要用在使用位置控制快速到达指定 位置然后进行压力控制的场合。6 2 8 模块功能主要与6 2 7 相同，不同之处是增加了压力作 为切换条件。g 6 1 模块是用于位置控制系统中的保护模块，主要用来防止各种外力对加工 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 工具和被2 h i 材料的破坏。g 6 3 模块用于压力控制向位置控制的切换，适用于一般需要压 力控制向位置控制切换的场合。g 6 5 模块是在压力控制中监测位置，达到设定位置时，油 缸停止运动，主要用在力控s j j 力n m 且要加工到指定位置的场合。 综上所述，国内外关于位置控制与压力控制切换的研究情况差别很大，国外已经可以 做出在特定工况下用于位置与压力控制切换的模块，国内在这方面还处于实验摸索阶段。 从目前国外研究情况看，在不同的工况下，位置控制与压力控制切换的要求和条件是不相 同的，这些要求和条件是根据具体工况要求设定的，位置控制与压力控制切换的无冲击切 换策略是所有工况下位置与压力转换的关键技术。 本文以位置作为转换条件，以位置控制向压力控制切换( g 2 7 模块) 作为研究方向， 探讨适用于所用工况下的位置与压力复合控制的转换策略与算法。 1 3 本文研究的技术路线 本论文研究的技术路线如下： ( 1 ) 以连铸机液压控制系统为研究对象，应用s i m u li n k 建立其位置系统和压力系统模 型，对这两种控制方式进行时间响应分析和频率响应分析，所得结果作为压力和位置切换 系统的研究条件。 ( 2 ) 在研究位置闭环控制与压力闭环控制的特性基础上，研究位置控制系统和压力控 制系统的耦合方式，探讨各种耦合方式的利弊并选择并联复合控制模式作为研究重点。分 析不同工况下位置与压力的切换方式，详细分析切换方式的特点，研究具有实用意义的切 换策略。 ( 3 ) 针对并联复合控制的特点，提出具有消除切换冲击的变加减速切换算法，并在仿 真软件m a t l a b 6 5 中运用s i m u l i n k 对变加减速切换算法进行建模和仿真分析。 ( 4 ) 运用并联耦合方式将连铸机位置控制系统和压力控制系统耦合起来，加入变加减 速控制算法，建立位置控制向压力控制切换过程模型，在s i m u l i n k 中进行仿真，验证切 换算法的正确性和合理性。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章电液伺服系统位置控制与压力控制耦合与切换算法 本文介绍了位置和压力复合控制的耦合方式，详细分析了不同耦合方式的特点，并针 对位置和压力复合控制应用于不同的工况，分析了位置控制与压力控制的各种切换方式， 探析了不同切换方式的工作方式，在此基础上根据位置与压力切换的要求研究了可能符合 要求的切换算法，提出了一种变加减速曲线算法，并对算法进行了详细推导，建立了切换 算法流程图。 2 1 位置与压力复合控制耦合方式 从第三章的位置控制系统和压力控制系统的仿真结果及分析可以看出，位置控制系统 和压力控制系统的开环增益相差太大，要实现伺服系统位置和压力的复合控制，不可能用 单独的位置控制系统或压力控制系统来实现位置与压力复合控制，而必须将位置控制系统 和压力控制系统耦合在一起实现位置压力复合控制。 参照国内外相关文献及研究现状，目前，位置压力复合控制的耦合方式主要有串联方 式、并联方式、串并联方式三种。 2 1 1 串联耦合方式 串联模式，将位置控制器和压力控制器串联起来，同时作用，共同控制系统的运行。 串联模式又可以分为两种不同的布置方式： ( 1 ) 位置控制器处于内环，压力控制器处于外环：由第三章仿真结果可以看出，位 置控制系统开环增益远高于压力控制系统增益，当位置控制器处于内环时，位置控制器的 高增益会影响到外环压力控制器的增益，造成系统工作的不稳定性【1 3 1 ，另一方面，位置闭环 采用比例控制，降低压力闭环的增益，使系统能稳定工作了，但是这将影响位置控制系统 的快速性和精度，因此位置控制器处于内环，压力控制器处于外环的这种方式不能用于实 现位置压力复合控制。 ( 2 ) 位置控制器处于外环，压力控制器处于内环：这是由德国西马克公司提出一种 用于卷取机踏步控制系统的控制方式，这种控制方式是以设定位置作为切换条件进行位置 控制与压力控制的切换。位置与压力复合控制过程如下：位置控制时，首先设置位置控制 器的限幅器为最大值，给定一个位置指令值使液压缸运行到指令位置。需要压力控制时， 设定位置控制器限幅器的值为压力指令值，再给定一个较大的位置指令值，系统就由位置 控制状态切换到压力控制状态。对于这种位置外环，压力内环的控制方式，虽然多篇文献 作了介绍，但对位置与压力的耦合机理及参数间关系还未见研究性的文献【1 4 】。 2 1 2 并联耦合方式 并联模式，就是开关控制，将两种控制器并联起来，用位置控制器和压力控制器分别 实现位置控制和压力控制。并联模式结构简单，相比于串联模式其最大特点就是可以利用 现有成熟的位置控制器和压力控制器来实现位置与压力复合控制。并联模式的弊端也是显 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 而易见的，即由于两种不同控制器切换时存在信号的突变，因此切换瞬间执行机构存在明 显冲击，对要求高精度和连续生产的工况可能会造成生产事故和产品破坏，从而影响生产。 2 1 3 串并联耦合方式 串并联耦合方式是由太原理工大学机械电子工程研究所提出的一种耦合方式，其原理 如图2 1 所示 4 j 。 限幅嚣1 限幅器2 图2 1 串并联混合控制原理图 这种耦合方式具有并联控制的特点，如图2 1 所示位置偏差信号输出连接两个限幅器， 限幅器1 用来设定压力指令值，限幅器2 用来作为位置控制输出的最大极限值。串并联混 合控制原理如下：首先设定一个切换位置值，给定一个比切换位置大的位置指令值进行位 置控制，当液压缸的实际位置到达切换位置后，系统由位置控制切换为压力控制：当减小 位置指令值小于切换位置值时，压力设定值反向，油缸反向运行到小于切换点设定值，此 时油缸就会以位置控制方式自动退回。通过比较位置指令值和切换位置值的大小，实现位 置控制与压力控制之间的切换。 2 2 位置控制与压力控制切换方式 通常按照切换的对象不同可分为位置控制系统向压力控制系统切换及压力控制系统 向位置控制系统切换两大类，根据使用条件，每一类中的各个切换方式又有各自的使用特 点和用途。 2 2 1 位置控制向压力控制切换方式 位置控制向压力控制切换时，根据切换条件可以有以下几种切换方式： ( 1 ) 以设定位置作为切换条件，当液压缸达到切换位置时，系统从位置控制状态切换 到压力控制状态。对于以位置作为切换条件的切换方式，系统需设定一个比切换位置大的 位置指令值以决定液压缸的运行方向，当液压缸运行到设定的切换位置时，系统即刻转化 为压力控制。这种切换方式主要用在使用闭环位置控制快速到达需要闭环压力控制的位置 进行压力控制的场合【1 5 l 。 ( 2 ) 以设定位置和设定压力作为切换条件，当液压缸到达切换位置时，系统实际压力 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 和设定切换压力进行比较，当实际压力达到切换压力时，系统从位置控制状态切换为压力 控制状态，当系统实际压力未达到切换压力时，系统仍保持为位置控制状态，只有系统实 际位置和实际压力都满足切换位置和切换压力时，系统才从位置控制状态切换为压力控制 状态。与位置作为切换条件一样，这种切换方式也需要设定一个比切换位置大的位置指令 值以决定液压缸的运行方向。以设定位置和设定压力作为切换条件的切换方式，主要用于 在指定位置和指定压力下进行压力控制的场合。 ( 3 ) 以设定压力作为切换条件，当系统实际压力达到设定的切换压力时，系统从位置 控制状态切换到压力控制状态。这种以压力作为切换条件的切换方式具有保护特性，主要 用于在进行位置控制时防止外力对加工工具和工件的保护。 2 2 2 压力控制向位置控制切换方式 压力控制向位置控制切换时，根据切换条件有以下几种切换方式： ( 1 ) 比较位置控制器和压力控制器输出信号大小作为切换条件。当系统以设定压力从 位置控制状态切换为压力控制状态，实现系统对外干扰力的过载保护后，系统需从压力控 制状态切换到位置控制状态进行位置控制，切换条件为：位置控制器的输出小于压力控制 器的输出。当使用的阀有正遮盖时，切换时需考虑油缸不同运动方向位置控制器的遮盖设 置。当系统切换到压力控制时，位置控制的速度和指令值被保存，但是油缸实际位置值是 在变化的，当油缸的目标位置值和实际位置值逐步减小到很小误差时转换条件成立，压力 控制转化为位置控制。切换为位置控制时，保存的速度和位置指令值重新作为控制信号发 出。 ( 2 ) 从闭环压力控制、速度控制或者开环控制无冲击转换到闭环位置控制的切换方 式，这种切换方式无需切换条件，在必要情况下人工切换到位置闭环控制状态。 ( 3 ) 在闭环压力控制中检测油缸位置，当设定的位置到达时，油缸停止运动，压力 控制器的输出被限制，不再输出指令信号。这种切换方式主要用在力加工且加工到指定位 置的场合。这种切换方式中系统会有两个控制信号，一个信号决定于压力控制器，另外一 个决定于油缸当前位置到设定停止位置的距离，两个信号值中小的将作为系统输出，因此 根据这个原则当油缸达到设定停止位置时，控制器输出为0 。当油缸运行到设定的停止位 置时，系统保持为压力控制状态，当油缸受到方向与原来油缸运动方向相反的外力或者压 力时，油缸如果离开设定的停止位置，但是只要系统保持为压力控制状态，就可以可靠地 防止油缸越过这个位置。 从以上各种位置与压力切换方式可以看出，位置与压力切换控制关键是切换过程中控 制信号变化具有连续性和平滑行，切换过程中位置和压力平稳过渡。本文提出一种变加减 速算法实现切换过程中控制信号的平滑变化，并以位置控制向压力控制切换、以转换位置 作为切换条件研究变加减速算法。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 3 变加减速曲线算法 2 3 1 位置与压力切换要求 位置压力复合控制的关键技术是如何保证切换过程的平稳性，实现无冲击的切换。其 中，位置控制向压力控制的切换应满足以下要求： ( 1 ) 切换时位置和压力两种控制器信号平稳过渡，切换前后及切换过程中压力波动 小，不影响加工过程。 ( 2 ) 切换过程时间的长短根据工况要求可以调整，即时间具有可调节性。 ( 3 ) 切换算法适用于位置和压力均变化的信号。 ( 4 ) 控制系统在工作过程中只有位置或压力其中一个控制信号作用在系统上。 2 3 2 位置控制与压力控制切换原理及分析 本文以位置控制向压力控制的切换过程作为研究内容，位置控制和压力控制采用并联 耦合方式，位置控制向压力控制转换时以设定的位置值作为转换条件。当位置控制向压力 控制切换时，位置控制切换瞬间的控制信号值被保存下来。为了保证切换时系统不产生过 冲和压力振动，压力控制信号必须是连续变化的，压力控制信号以保存的位置控制信号值 作为初始值，以本文提出的变加减速算法来获得连续稳定的压力控制输出值，当设定的切 换时间到达后，系统按照设定的压力控制信号进行压力控制。 2 3 3 加减速算法的研究 根据位置控制与压力控制切换过程要求，切换过程中信号曲线应具有缓和变化特点， 加减速曲线和积分曲线都具有这种缓变特点，本文研究的内容为变加减速曲线算法。常用 的加减速曲线有直线加减速曲线，指数加减速曲线，s 型加减速曲线等【1 6 ，1 7 l 钔。 2 3 3 1 直线加减速算法研究 直线加减速曲线即斜坡曲线，其中直线加速曲线与时间的关系如图2 8 所示。 v v 1 t ot 1 t 时间( s ) 图2 8 直线加速曲线与时间关系图 直线加速曲线加速度与时间的关系如图2 9 所示。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 a a i t ot lt 时间( s ) 图2 9 直线加速曲线加速度与时间关系图 在图2 8 中，设定切换时刻的位置指令信号值为y o ，压力控制信号为h ，从v 0 变化到 m 的变化加速度为图2 9 的口。，切换过程时间为f 。一t ，。则在f 。一t 。时间内任意时刻压力控 制信号： _ = v o + 口l - l t ( q ( t o 一 ) ( 2 1 ) 直线减速曲线与时间关系如图2 1 0 所示。 v v _ 2 t o t it 时间( s ) 图2 1 0 直线减速曲线和时间关系图 直线减速曲线加速度和时间关系如图2 1 1 所示。 a 压力信号变化加 速度 t o t lt 时间( s 图2 1 l 直线减速曲线加速度与时间关系图 在图2 1 0 中，设定切换时刻位置指令信号值为屹，要求的压力控制信号为屹，从v 2 变 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 化到屹的变化加速度为图2 1 1 的a ：，切换过程时间为t o t ，。则在气t l 时间内任意时刻 压力控制信号： v l = y 2 一a 2 t f ( a 1 ( t o ) ) ( 2 2 ) 直线加减速曲线的优点是算法简单，易于编程实现，缺点是由于信号加速度恒定，在 位置压力复合控制切换起始阶段和最后阶段，存在信号加速度突变的缺陷，从而造成液压 缸在开始和终止切换时刻存在柔性冲击。 2 3 3 2 指数加减速算法研究 指数加减速曲线的示意图如图2 1 2 所示。 v v 2 v 1 t ot 1t 2t 时间( s ) 图2 1 2 指数加减速曲线示意图 图2 1 2 中为切换时刻位置指令信号值，为要求的压力控制信号，指数加减速曲 线信号的上升和下降都是按指数规律进行变化的，如图2 1 2 所示，当切换时刻压力控制 信号大于位置控制信号，信号按气一t 。时间段内指数规律变化上升；当切换时刻压力控制 信号小于位置控制信号，信号按t t ，时间内指数规律变化下降。 信号的变化规律和时间遵循如下规律： 在气一t l 时间段内：m = ( 1 一p 一，r ) ( 2 3 ) 在t l t 2 时间内：= 叩一咿 ( 2 4 ) 式中，t 为切换时间常数。 指数加减速曲线在运行时需要进行大量的计算，算法复杂。指数加减速曲线也存在柔 性冲击，在切换开始和结束时段，加速度存在突变使得信号的变化很快，从而造成液压缸 轻微冲击。 2 3 3 3s 型曲线算法 2 3 3 3 1 压力指令信号大于切换时刻位置控制信号 当压力指令信号大于切换时刻位置控制信号时，s 型加减速曲线示意图如图2 1 3 所示， 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 1 4 所示为该s 型加减速曲线加速度曲线，图2 1 5 所示为该s 型加减速曲线加加速度 曲线。曲线分为时间f 。f 。的曲线加速度增加段和时间f 。t ：的加速度减小段1 4 1 。 v v 2 v 1 v 0 t ot lt 2t 时间( s ) 图2 1 3 压力控制信号值大于切换时位置信号值s 型加减速曲线 一j t ot lt 2t 时间( s ) 图2 1 4s 型加减速曲线加速度 ( s ) 图2 1 5s 型加减速曲线加加速度 设定位置指令信号的最后值为h ，压力控制信号为吃，s 型曲线加速度增加时间为 气一 ，s 型曲线加速度下降时间为 如，曲线加加速度为j 。 在时间b 内： 设瞬时压力信号值为v t ，其中k 值的加速度为吩，由速度与加速度的关系得： a f = j t ( 2 5 ) 由速度公式 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 _ = + f 口，出 将式( 2 5 ) 代入式( 2 6 ) 得： _ = + f 口，班= + f 力出= + 吾以2 在时间t l t 2 内。 设定瞬时压力信号值为u ，加速度为a ，由速度与加速度关系得： a i 西l 一0 一t 1 ) 2 2 以l 一出 由式( 2 6 ) 得压力控制信号值 _ 3 + lq 出= v f 。+ j ：( 2 如一西) 出 由式( 2 7 ) 得 y n = v o + 吾以。 将式( 2 1 0 ) 代入到式( 2 9 ) 中得 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) m2 v o + 以1 + l ( 2 出1 一西) 疵 i一 二 1 = 一西1 2 + 2 坍l f 一丢出2 ( 2 1 1 ) 二 2 3 3 3 2 压力指令信号小于切换时刻位置控制信号 当压力控制信号值小于切换时刻位置信号值时，s 型加减速曲线示意图如图2 1 6 所示， 图2 1 7 所示为该s 型加减速曲线加速度曲线，图2 1 8 所示为该s 型加减速曲线加加速度曲 线。曲线分为时间t o t 。的曲线加速度减小段和时间t 。t ：的加速度增加段。 v v 0 v l v 2 t ot 1t2t w 寸f 1 ( s ) 图2 1 6 压力控制信号值小于切换时位置信号值s 曲线 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 a 一拉 j j l 信号变化加速度 ( v 酌 趴 n 赫 一j 图2 1 7s 型曲线加速度 ( s ) ( s ) 图2 1 8s 型曲线加加速度 设定位置指令信号的最后值为，压力控制信号为v 2 ，s 型曲线加速度减小段时间为 f o ，s 曲线加速度增加段时间为 t ：，曲线加加速度为一j 。 在时间岛t l 内： 设压力信号的上升值设为h ，其中值的加速度为口，其大小为 口f = - j r ( 2 1 2 ) 由速度公式 b = + “出 ( 2 1 3 ) 将式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 3 ) 得： 啊= v o + f 口f 衍= v o + f 一，础= 一主力2 ( 2 1 4 ) 在时间f i t 2 内。 设压力信号值为u ，加速度设为口j ，口j 大小为： 压力控制信号值 口i 2 一( 如一j ( t t 1 ) ) 2 一( 2 j t l j t ) ( 2 1 5 ) 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 v i = v t l + fq 出= k l + f 一( 2 以l 一坍) 虎 ( 2 1 6 ) 由式( 2 1 4 ) 得 1 v t l = v o 一以l ( 2 1 7 ) 二 将式( 2 1 7 ) 代入到式( 2 1 6 ) 中得 v i = v o 一去以2 一f ( 2 以l 一坍) 出 二 l = + 以1 2 2 以f + 寺以2 ( 2 1 8 ) 二 s 型加减速曲线的信号变化加速度在起始时刻和终止时刻不存在突变，平稳上升或平 稳下降，且与起始时刻和终止时刻平滑过渡。因此在进行位置控制与压力控制切换时，信 号的变化不存在柔性冲击，液压缸也不会存在过冲【1 9 捌。 因此，根据位置控制与压力控制切换要求，在直线加减速曲线、指数加减速曲线、s 型加减速曲线三者中，s 型加减速曲线符合切换要求。 本文以s 型加减速曲线作为研究基础，研究具有可行性的切换算法。以上s 型加减速 曲线算法为在压力控制信号y ，保持不变的情况下的算法，在压力控制信号 ，随时间不断变 化时，需要对这一基本算法进行改进，改进的关键是根据压力控制信号变化的快慢改变算 法中曲线斜率变化的快慢实现切换过程中压力控制信号平滑变化。 2 3 4 变加减速算法 2 3 3 节中s 型加减速曲线算法的控制信号的结束值是固定不变的的，在位置压力控 制切换时，根据不同工况压力控制信号可能存在变化，因此针对在切换时压力控制信号变 化的情况，研究具有普遍实用意义的切换算法尤为重要【2 。变加减速算法是由s 型曲线加 减速算法改进而来，它是根据压力信号的变化来改变算法中的曲线斜率变化的快慢从而达 到控制曲线平滑上升或下降，实现位置控制与压力控制的无冲击切换。 交加减速算法的关键是根据压力指令信号的变化来决定算法中曲线斜率的变化量，如 果压力指令信号不变化，则保持信号斜率变化值为固定值。变加减速算法的切换过程时间 f 是固定的，在算法开始时，将曲线曲率上升时间t o t 。和曲线斜率下降时间t l t ：看成是 相等的，切换瞬间的加加速度厶根据切换瞬间时的压力控制信号决定，切换开始后根据 变化的压力控制信号咋来决定瞬间的加加速度五，从而控制曲线斜率变化的快慢。 2 3 4 1 压力控制信号大于切换时位置控制信号的变加减速算法 压力控制信号大于切换时位置控制信号的变加减速算法主要分为二个阶段：初始阶 段，加速度上升和下降阶段。 ( 1 ) 在切换初始时刻，将曲线曲率上升时间t o t 。和曲线曲率下降时间f 2 视成相等， 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 并根据切换时刻的压力控制信号1 ，2 采计算切换开始时曲线的加加速度厶，由式( 2 7 ) 得 出： 山= 乎 ( 2 1 9 ) ( 2 ) 在( t ，( t o 乞) ) 时刻，假设此时的压力控制信号u ，根据式( 2 1 9 ) 推出 此时刻与_ 相应加加速度：工= 兰丢超 ( 2 2 0 ) 根据速度与加速度的关系： 铲+ r z 出 ( 2 2 1 ) 代入式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 得到时刻压力指令信号坼为： 吩叶，+ r 础磷。+ n 口h + r 乎) 出 ( 2 2 2 ) 2 3 4 1 压力控制信号小于切换时位置控制信号的变加减速算法 压力控制信号小于切换时位置控制信号的变加减速算法主要分为二个阶段：初始阶 段，加速度下降和上升阶段。 ( 1 ) 在切换初始时刻，将曲线曲率下降时间t o t 。和曲线曲率上升时间f l 乞视成相等 的，并根据切换时刻的压力控制信号