（机械电子工程专业论文）电液比例同步控制系统研究.pdf

- 、 l 等 j | i i i i | i | i i l i | f i 删j j i | | i | | | f 川朋 y 18 2 5 4 9 4 n a n ji n gu n i v e r s i 够o f a e r o n a l l t i c sa 1 1 da s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f m e c h a l l i c a la n de l e c 砸c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho f s y n c h r o n o u s c o n t r o ls y s t e m b a s e do ne l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l ， t e c h n o l o g y a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e 耐n g b y x i n g n j i a o a d v i s e db y p r o f e s s o r 、两uy o u p e n g s u b m i 仳di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft 1 1 ei 沁q u i r e m e n t s f o r m ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g j a n u 哪2 0 1 0 一 i j p 1 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：j 平也 日 期：一丝f ! ：立：握 t ， d ， 南京航空航天大学硕十学位论文 摘要 电液比例控制系统以其结构简单、控制精度高、易于实现自动控制和适于大功率场合等特 点，在工程领域中得剑广泛应用。采用电液比例技术实现液压机构之间的同步问题正日益得到 重视。由于其同步性能直接影响到系统的加工效果，因而，研究高性能的同步控制算法具有重 要的实用价值。 本文基于自行研制的p c l 0 4 + d s p 运动控制卡结构的电液比例控制系统平台，对运动控制 卡上d s p 模块进行了软件开发，重点是对适用于该系统下的控制算法进行仿真分析和实验性能 对比。主要研究工作和成果如下： ( 1 ) 分析了电液比例同步控制系统的特点，以自行设计的p c i 0 4 + d s p 运动控制卡为系统 硬件平台，采用模块化思想，对系统的控制软件进行了模块划分和运动控制设计。d s p 上编程 实现了运动控制功能、上下位机通讯、以及人机输入设备通讯等模块。 ( 2 ) 基于对电液比例系统中动力元件的动力学特性分析，建立系统中各元件的数学模型， 并在m a t la ：b s m 町l i n k 中建立相应的仿真模型，最终形成双缸系统的完整数学模型，模型经过 试验验证。 ( 3 ) 以系统的数学模型为基础，在s 刀m u l k 中进行控制算法仿真。在分析了传统p d 控制算法的前提下，考虑到电液比例系统非线性，时变性等特点，研究了前馈p d 控制、模糊 控制、模糊自适应p d 控制下双缸同步的控制效果。最终，基于电液比例实验平台对控制算法 进行了工程实现、参数整定，以及不同负载下的响应特性分析和性能对比。 本文设计开发的运动控制的软件模块、设备间通讯，以及各种p m 控制算法，经过工程实 现与参数整定，对促进电液比例同步控制系统在工程领域中的实际应用具有重要参考价值。 关键词：电液比例，同步控制，m a t la _ b s 小科k 仿真，p i d 控制，前馈控制，模糊自适应p d 控制 电液比例同步控制系统研究 a b s t r a c t e l e c 仃o - h 妯伽l i cp r 0 1 ) 0 r t i o n a l ( e h p ) c 帆仃o ls y s t c mi s 谢d e l ya p l ) l i e di l l 龇百n e 嘶n gf i e l d b e c a u s eo ft l l ec h a r a c t 嘶s t i c so fi t ss i i i l p l es 仃u c t 盯e ，h i 曲p r e c i s i o n ，e 舔yt 0a u t oc o n 的l 锄da p p l i e d t 0h i g l l p o 、7 l 悦t h es y n c h o n o u sp r o b l e mb a s e do ne h pt e c l l i l o l o g yb e t 、) l ，e e nt i l ch y d r 跚i i ca c t i l a t o r si s g r a d u a l l yc o n c e n l e d d u et 0t h ei m c h i i l i n ge 丘e c t sw i l lb ed i r e c t l yi n f l u e r l c e db yt l l es y n c h r o n o u s p e d - 0 n n 孤c e ，t 1 1 er e s e a r c ho ft h es y n c h r o n o u sc o m r o la l g o r i t l l mi sv a l u a _ b l et op 豫c t i c a lv a l u e h lt l l em e s i s ，锄e h pc o n 臼0 1s y s t e mp l a t f 0 n nw 舔e s t a b l i s h e dw i mt l l es t m c t u r eo fp c1 0 4a n d o w n - d e v e l o p e dm o t i o nc o m r o l l e r ，觚dt l l es o r w a r em o d u l eo fi i l o t i o nc o n t r o l l e rb 舔e do nd s pw 舔 d e v e l 叩e d t h e唧h 勰i sw a sf o c u s e do nt h e s i i n u l a t i o na n de x p 耐m 吼tc o 珈p a r i s o no f p e r f 研m 甜1 c eu n d e rc o n t r o la l g o r i t i l i ：璐t h em 豳r e s e a r c hw o r k 觚d o u t c o l n e sa r e 鹤f o l l o w i l l g ( 1 ) t h ec h a 翰c t 舐s t i c so fs y n c l l f o n o u sc o n t r o ls y s t e mb 猫e d0 ne h pt e c l 】i 1 0 1 0 9 yw e 他孤a l y z e d w i t i l l em o d u l a r i z e dt l l o u 出s ，t h ec o n 仃o ls o 行w a r ew 雒p l a i l e d 柚dm o t i o nc o n 昀li sd e s i 印e do n l e e h pc o n 仃d ls y s t e mp l a t f o 衄1 1 啪u 曲p r 0 萨釉删n g ，m o t i o nc o n 仃o l 劬c t i o n ，m ec o 姗u m c a t i o n b e 伯，e e nh o s ta n ds l a v ec o m p u t e rw e r ei n l p l e m e n t e d 龇l dm 孤一m a c l l i n ei i l t e r f k ew 舔i m p l e m e n t e d ( 2 ) t h ed y n 捌c sa l l a l y s i so ft h ea c t i l a t o r 孤dm em a t h e m a 缸cm o d e lo fe a c hc o m p o n e n ti n m a t l a b t s i m u l kw e 他g i v e n s u b s e q u 钮t l y ，t l 圮w h o l em a t i l e m a t i cm o d e lo fd u a l - c y l m d e r 郴 f o 姗e da n dv e r i f i e dt l l r o u g he x p e r i n l 饥t ( 3 ) b a s e do nt h em a n l e m a t i cm o d e lo fn l es y s t e m ，t l ：峙s i i l m l a t i o fc 佃仃o la l g o r i l m sw 舔 c a 玎i e do u ti ns m i u l 矾k o n 璩p 删【i l i s eo f 饥i d i t i o n a lp i dc o n n 0 l ，c o m i d 锄g l a t 圯e h ps y s t e m i sn o n l i i l e a ra n dv a r ia _ b l e t i m e ，c o n 臼r o le 丘e c t so fd l 埝1 - c 灿d 盯s y n c l l r o n yu i l d e rn e l l i g e n tc 0 i l 臼0 l a l 鲥恤塔，s u c h 舔f e e d f o 研裥p i d ，f h z z y 锄ds e l f t i l l l i n g 丘i z z yp mc o r 岫l ，w e r e 把s e 觚h e d f i n a l l y b 蕊e do ne h pe x l ，e m e n tp l a t f o r m ，t h e 即g i e r i l 冯佗a k z a t i o n ，n 地p 缸a n 圮t e rc a l i b r a t i o n ，t h e r e s p o 眦ep f o p e r t i e sw i m d i 岱潮l t1 0 a d sa i l dt l l ep e r f o m 啪c ec 伽叩a r i s o n 、e r eg i v e n h l 也em e s i s ，t h r o u 曲t l l ee i l g i i l e 耐n gr e a l i z a t i o n 锄dp 钺m l e t e rc a l i b m t i o n ，也ed e v e l o p e d s o r w 踟屯m o d u l eo ft h em o t i o nc o n 缸o l ，n l ec o m m u l l i c a t i o nb e 押e e nd e v i c e sa 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单缸闭环回路数学建模一2 5 3 3 系统仿真模型建立2 5 3 3 1 功率放大器模块建立2 5 3 3 2 电液比例方向阀模块建立2 6 3 3 3 阀控非对称缸模块建立2 6 3 3 4 系统仿真模型建立2 7 3 4 系统仿真模型验证。2 7 3 5 本章小结3 0 第四章电液比例同步控制算法和仿真3 l 一 4 1 仿真分析的前提。31 4 2p i d 控制3 2 4 2 1p i d 控制系统结构及原理3 2 4 2 2 数字p i d 控制算法3 4 4 2 - 3p d 仿真分析。1 3 5 4 3 前馈+ p d 控制3 7 4 3 1 前馈+ p i d 控制原理3 7 4 3 2 前馈+ p i d 控制仿真分析。3 8 4 4 模糊控制。4 1 4 4 1 模糊控制器的基本结构4 1 4 4 2 常规模糊控制原理和仿真4 3 4 4 3 模糊自适应p d 控制原理和仿真。4 8 4 5 控制算法对比总结5 5 4 6 本章小结5 6 第五章实验验证与分析5 7 5 1 实验环境。5 7 ” 5 2 主控制器和上位机交互的实现5 7 5 3 上位机键盘标准p s 2 接口的实现5 8 5 4 电液比例同步控制算法参数整定及性能对比实验5 9 5 4 1 参数整定5 9 5 4 2 对比实验6 5 5 5 本章小结。6 7 第六章结论6 8 南京航空航天大学硕士学位论文 6 1 全文总结一6 8 6 2 研究展望6 8 参考文献7 0 致谢7 3 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 4 v 电液比例同步控制系统研究 v i 图表清单 图1 1 电液比例控制系统框图l 图1 2 电液比例闭环位置控制系统框图4 图1 3 主从控制方式示意图5 图1 4 等同控制方式示意图6 一 图2 1 系统结构框图9 图2 2 工作部件位移控制曲线和电液比例换向阀流量示意图1 3 ， 图2 - 3 双口r a m 区域划分1 4 图2 4d s p 与上位机通讯流程。1 5 图2 5 状态转移图1 6 图2 6p s 2 协议的状态转移图1 7 图3 1 电液比例同步控制系统工作原理图1 8 图3 2 左侧单回路控制系统原理框图1 9 图3 3 左侧阀控缸回路数学模型1 9 图3 4 直动式电液比例节流阀2 0 图3 5 阀芯运动的动态结构图2 1 图3 6 四通阀控制非对称液压缸原理图2 2 图3 7 功率放大器( 加n p l ic o e 仃) 仿真模型2 6 图3 8 电液比例方向阀( p r o p o r t i o m lv a l v c ) 仿真模型2 6 图3 9 阀控非对称缸( c y l i i l d e r ) 仿真模型2 7 图3 1 0 电液比例同步控制系统仿真模型2 7 j 图3 1 1 系统的阶跃响应曲线2 9 图4 1 理想的位置、速度、加速度曲线一3 2 露 图4 2p d 控制系统原理图3 3 图4 3 有无p i d 控制器系统单位阶跃响应对比图。3 6 图4 4p d 控制，不同负载情况下，左右缸与理想指令的跟随误差3 7 图4 5p i d 控制，不同负载情况下，左右缸的同步误差3 7 图4 6 反馈+ 前馈控制系统结构框图3 8 图4 7 前馈+ p d 控制系统结构图3 9 图4 8 正弦信号下有无前馈控制的单缸系统响应对比图。3 9 蠢 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 9 前馈控制，不同负载情况下，左右缸与理想指令的跟随误差4 0 图4 1 0 模糊控制系统的组成4 l 图4 1 1 常规模糊控制器结构4 3 图4 1 2 常规模糊控制器下双缸同步仿真模型4 4 图4 1 3 输入变量的隶属函数图4 5 图4 1 4 模糊控制与p m 控制下阶跃响应曲线4 6 图4 1 5 模糊控制，不同负载情况下，左右缸与理想指令的跟随误差4 7 图4 1 6 模糊控制，不同负载情况下，左右缸的同步误差4 7 图4 1 7 模糊自适应p i d 控制器结构4 8 图4 1 8 被控对象的单位阶跃响应4 9 图4 1 9 相平面上的( p ，e 。) 5 0 图4 2 0 阶跃响应下误差p 和误差变化p ，的简化关系图5 0 图4 2 l 双缸同步模糊自适应p i d 控制仿真模型5 1 图4 2 2 输出变量的隶属函数图5 2 图4 2 3 模糊控制器5 3 图4 2 4 白适应p m 控制器5 3 图4 2 5 模糊自适应p i d 控制、模糊控制、p d 控制下系统阶跃响应曲线5 4 图4 2 6 模糊自适应p d 控制下的双缸跟踪误差5 5 图4 2 7 模糊自适应p i d 控制下的双缸同步误差5 5 图5 1 上位机q t 界面5 8 图5 2 主机和键盘问的p s 2 通讯协议时序5 9 图5 3 k p l = k p 2 = o 0 0 3 ，p m 控制下双缸的阶跃响应6 0 图5 4 k p l = 0 0 0 3 ，k p 2 = o 0 0 1 ，k d 2 = o 0 1 2 ，p i d 控制下双缸的阶跃响应6 1 图5 5p i d 控制下双缸位置同步误差和速度响应6 2 图5 6 模糊控制器的隶属函数6 3 图5 7 右缸采用模糊自适应p i d 控制时的双缸阶跃响应6 4 图5 8 模糊自适应p d 控制下双缸位置同步误差和速度响应。6 5 图5 9 负载不同时的双缸同步误差6 6 表1 1 电液伺服阀、比例阀、开关阀性能对比3 表2 1 双口r a m 通讯机制。1 4 表3 1 系统原始参数2 8 v 玎 电液比例同步控制系统研究 v i i l 表3 2 系统计算参数2 8 表3 2 ( 续) 2 9 表4 1 模糊控制器设计表4 4 表4 2 模糊控制规则表( u ) 4 5 表4 3 模糊控制器设计表5l 表4 4 模糊自适应控制规则表( k 。) 5 2 表4 5 模糊自适应控制规则表( k d ) 5 2 表4 5 ( 续) 5 3 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 二战期间，由于军事需要，对武器和飞行器的自动控制系统的研究推动了现代电液控制技 术的发展。1 9 4 0 年底在飞机上首先出现了电液伺服系统。5 0 年代后期，电液伺服阀的出现，使 电液伺服系统成为当时响应最快、控制精度最高的伺服系统。6 0 年代，随着各种结构电液伺服 阀的相继问世，现代电子技术特别是微电子集成技术和计算机技术的发展对工程控制系统提出 了更高的要求，对廉价的现代化电子装置的需求更加迫切和广泛。但是，传统的电液伺服阀对 流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维护费用比较高，系统能耗也比较大，难以为各 工业用户所接受；而传统的电液开关控制又不能满足高质量控制系统的要求【1 1 。电液比例控制 在此背景下应运而生，它以其廉价、节能、维护方便、适应大功率控制的特点，为现代工业广 泛运用【2 】。 1 1 电液比例控制技术 1 1 1 电液比例控制系统及其组成 通常，比例控制是指元件或系统的被控制量( 输出) 能随控制量( 输入) 成比例地得到控 制【3 】，在液压传动与控制中，习惯上，把使用比例控制元件( 如比例阀、比例控制泵及比例放 大器) 的液压系统称为电液比例控制系统【4 j 。 电液比例控制系统，由电子放大及校正单元，电液比例控制单元( 含电机械转换器在内的 比例阀、电液比例变量泵及变量马达) ，动力执行单元及动力源，工程负载及信号检测反馈处理 单元所组成，其系统框图如图1 1 所示。 图1 1 电液比例控制系统框图 系统的指令及放大单元多采用电子设备。电一机械转换器往往采用比例电磁铁，它的功能 是将放大器输出的控制电流或电压信号，转换为机械量的控制信号一力( 力矩) 或位移( 转角) 。 电液比例同步控制系统研究 液压转换及放大器件是比例阀、比例泵及马达，实际上是一功率放大单元。液压执行元件通常 是液压缸或液压马达，其输出参数只能是位移、速度、加速度和力，或者转角、角速度、角加 速度和转矩。系统可通过设置液压( 压力和流量) 和机械参数中间变量检测反馈闭环，或动力 执行单元输出参数检测反馈闭环，来改善其稳态控制精度和动态品质。信号处理单元可采用模 拟电子电路、数字式微处理芯片或微型计算机来实现。数字式集成电路在精度、可靠性、稳定 性等方面均占优势，其成本也越来越低廉，故应用日益广泛【3 1 。 电液比例控制系统可按被控参数的不同分为以下几类： 1 位置( 或转角) 控制系统； 2 速度( 或转速) 控制系统； 3 加速度( 或角加速度) 控制系统； 4 压力( 或压差) 控制系统； 5 力( 或力矩) 控制系统； 6 其他参数控制系统。 1 1 2 电液比例控制的特点 在液压传动与控制中，与比例控制相对的有伺服控制和开关控制： 1 比例控制与伺服控制，伺服控制通常用于闭环系统，其特点是响应快，控制精度高，适 用于对控制精度要求很高的场合，但由于伺服控制元件对油液的清洁度等工作介质要求很高， 成本昂贵，使系统能耗较大( 阀压降大) ，因而很难满足广泛的应用需求。传统的比例控制应用 于开环系统，随着电液比例技术的发展，满足较高控制精度的比例控制元件为闭环系统提供了 另一种选择，电液比例阀可适用于大功率场合，相比伺服阀更廉价、节能、维护方便。 2 比例控制与开关控制：由于开关控制中控制元件只有启、闭两种状态，因此要实现高质 量的复杂控制时，必须有足够大量的开关元件，这将给液压系统增加复杂度。而比例控制可根 据接收到的控制信号，自动连续地转换状态，从而使液压系统结构得以简化。但开关控制仍有 可取之处，开关元件通常简单可靠，不存在系统不稳定的情况。可以利用计算机输出的数字信 号放大后驱动开关元件，省去昂贵的数模转换元件，使电气系统控制变得简单【2 】。 电液比例控制的特点： 1 可明显地简化液压系统，实现复杂程序控制，降低费用，提高了可靠性，可在电控制器 中预设斜坡函数，实现精确而无冲击的加速或减速，不但改善了控制过程品质，还可缩短工作 循环时间。 2 利用电信号便于实现远距离控制或遥控。将阀布置在最合适的位置，提高主机的设计柔 性。 3 利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标。 2 l 南京航空航天大学硕士学位论文 4 能按比例控制液流的流量、压力，从而对执行器件实现方向、速度和力的连续控制，并 易实现无级调速5 1 。 表1 1 给出了电液伺服元件、比例元件和开关元件的性能对比。由表可见，比例元件对介 质清洁度无特殊要求，制造成本低廉，能量损失低，稳态和动态控制特性足以满足大部分工程 控制的要求，因此，电液比例控制在现代控制领域中获得了广泛的应用【。 表1 1 电液伺服阀、比例阀、开关阀性能对比 类别 搿拦 伺服阀比例阀开关阀 介质过滤精度( 胂) 32 52 5 阀内压力降( m p a ) 7 o 5 2o 2 5 旬5 稳态滞环( ) l 3l 3 重复精度( ) 0 5 1 0o 5 1 0 频宽( h 小3 d b ) 2 m 之0 00 2 5 中位死区无有有 价格因子 31 oo 5 1 2 电液比例控制技术的发展 电液比例控制技术从形成至今，大致上可划分为四个阶段： 第一阶段：从1 9 6 7 年瑞士b e n l i g e 公司生产k l 比例复合阀，到7 0 年代初日本油研公司申 请了压力和流量比例阀两项专利，标志着比例技术的诞生时期。这一阶段的比例阀，仅仅是将 比例型的电一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于工业液压阀，以代替开关电磁铁或调节手柄， 阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多不含受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在l 5 h z 之间，稳态滞环在乱7 之间，多用于开环控制【4 t 5 一。 第二阶段：7 0 年代中后期，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁 和比例放大器在技术上日趋成熟，比例元件工作频宽已经达5 1 5 h z ，滞环亦减少到3 左右。 应用领域日渐扩大，且拓展到闭环控制。 第三阶段：通过采用压力、流量、位移反馈和动压反馈及电校正等手段，使比例元件的设 计原理得到完善，阀的稳态精度、动态响应和稳定性都进一步提高。比例阀的稳态和动态特性 均已和工业伺服阀相当。同时，比例技术和插装阀的结合是这一阶段的重大进展，各种二通、 三通型比例插装阀的开发形成了电液比例插装技术。而随着传感器和电子器件的小型化，带集 成放大器的电液一体化比例元件的出现也是一大特色。 第四阶段：9 0 年代至今，是比例技术进一步完善阶段。两项重要的新产品问世。其一：伺 3 电液比例同步控制系统研究 服比例阀( 又称高性能电液比例方向阀、比例伺服阀、闭环比例阀、高频响比例阀) 。这种阀的 电一机械转换器采用比例电磁铁，功率级阀芯采用伺服阀的结构和加工工艺，解决了闭环控制 要求死区小的问题。它的性能与价格介于伺服阀与普通比例方向阀之间。但它对油液的清洁度 要求低于电液伺服阀，特别适合于各种工业闭环控制。其二：计算机技术与比例元件相结合， 开发了数字式比例元件和数字式比例系统。 随着微电子技术、数字化技术、通信技术和计算机技术的发展，先是在比例放大器中采用 数字芯片，部分信号的处理、调整和运算采用编程手段实现。最近，电液数字控制块、大型数 字式控制系统相继开发应用，数字比例控制的产品已经由芯片级发展到了系统级，即指令、比 较、反馈、p d 调节均由计算机系统实现。数字式电液系统实际上是电液数一模转换系统，这 项技术已在系列化产品中得到应用。本课题对电液比例控制系统的研究，即底层以d s p 为主控 芯片，接收上位机p c l 0 4 发送的数据指令，完成运动控制。其闭环控制过程包括：接收指令、 比较、反馈、p i d 调节，最终将控制命令发送给电液比例元件并通知上位机，从而实现一个完 整的系统级开发研究过程。 1 3 电液比例位置同步控制 1 3 1 电液比例位置控制 电液比例位置控制是指利用开环速度控制系统，通过位置一电气转换装置，把与位置有关 的电信号反馈到比例电控器的输入端，使控制对象能在给定位置上定位的控制方式。位置控制 床的往复运动、液压电梯的平层定位控制等方面。根据采用的比例元件不同，比例位 形式也有多种。例如，可以采用比例节流阀( 调速阀) 加电磁换向阀或比例方向阀。一 比例位置控制系统，不论采用比例节流阀或比例方向阀，其控制的工作原理基本相同 为电液比例闭环位置控制系统框图。通过位移传感器检测液压缸位置信号反馈与给定 比较，由电控器处理后对比例方向阀的方向和开口大小进行控制，进而实现液压缸的 图1 2 电液比例闭环位置控制系统框图 j ， 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 2 液压同步控制及策略 随着液压技术在工程技术领域中应用日益扩大，负载能力增加，尤其对很多重型设备，多 缸同步运动的需求日益广泛【3 l 。采用普通液压元件构成同步系统，精度较低，难以满足要求； 采用比例控制技术，可以廉价而高质量地解决同步控制问题。 同步控制，指实现多个执行器以相同位移或相等速度运动的控制技术。实现液压同步控制 可以有开环控制和闭环控制两种基本形式。由于液压系统的泄漏、执行元件等存在的非线性摩 擦阻力、控制元件间的性能差异、负载和系统各组成部分的制造误差等因素的影响，使得液压 同步的高精度问题很难得到解决【7 。 开环控制：完全靠液压控制元件本身的精度来控制执行元件的同步驱动，而不对执行元件 的输出进行检测与反馈，不能消除或抑制对高精度同步的不利因素影响。因而，大大限制了该 种控制形式的实际应用范围。 闭环控制：与开环控制相比，尽管其组成较复杂、造价偏高，但通过对输出量的检测与反 馈，构成闭环控制，可以充分抑制前向通道的一些不利因素的影响，从而获得高精度的同步驱 动，因此得到广泛应用，也是本系统中所采用的控制方式。 对于液压同步闭环控制，通常可采用“主从方式”和“等同方式”两种控制策吲7 8 】： 1 主从方式：指多个需同步控制的执行元件，以其中一个的输出为理想输出，而其余的执 行元件跟踪这一理想输出并达到同步驱动。这种控制方式的同步误差取决于其余回路的跟踪误 差。 图1 3 主从控制方式示意图 2 等同方式：指多个需同步控制的执行元件跟踪设定的理想输出，每个执行元件均各自受 控，从而达到同步驱动。同步误差取决于同步系统的跟踪误差的差值。由于是对同一信号的跟 踪，当各控制回路的跟踪控制性能比较接近时，这类系统同步跟踪精度可以比“主从方式”更 好。 5 电液比例同步控制系统研究 图1 4 等同控制方式示意图 为获得高精度的同步输出，如果按“等同方式”工作，需建立严格的系统模型，对系统中 各执行、反馈、检测以及控制元件的参数和性能的匹配要求高，这显然给工业实现增加了难度， 甚至是不可行的。因而，在实际工业控制中，“主从方式”被广泛运用于同步控制中。 1 3 - 3 电液比例同步控制系统研究现状 由于电液比例位置控制系统是一种典型的非线性、时变性系统。系统中的阻尼、速度增益 和液压固有频率往往会随运动状态而变化。在位置控制下，从稳定性考虑，由于比例方向节流 阀的变流量死区特性，即使比例方向阀阀口工作在很小开度，阀芯仍要作较大的位移调节( 越 过死区) ，这就使比例方向阀的流量响应( 频宽) 比阀芯位移响应慢得多，系统的控制性能明显 下降。这些特点使得常规电气伺服控制中常用的基于线性化模型的经典控制方法运用在电液比 例位置系统中，未必能获得满意的效果【6 l 。 根据上述电液比例位置控制系统的特点，国内外学者对此做了许多研究： 文献【9 】用比例方向节流阀控制单杆液压缸，液压缸活塞的位置由光栅检测后构成系统的位 置闭环，经控制器控制比例方向阀的电磁铁的电流。控制算法采用自学习模糊控制，实验结果 表明，该算法具有良好的鲁棒性和自学习能力，使系统具有优良的位置控制特性。 文献【l o 】以模糊理论为基础，设计了一种可以实时地进行模糊运算和模糊推理的模糊控制 器，成功地实现了液压缸位置伺服系统的模糊控制。通过仿真和实验研究，将模糊控制器的动 态性能和传统的p i d 控制器进行比较，验证了模糊控制应用在液压控制系统中的优越性。 文献【l l 】对比例方向节流阀控制双杆液压缸，闭环方式同上。控制算法采用模型参考自适 应，并和常见的p i d 控制、p d + p i d 控制和状态反馈控制等方法进行了实验对比。结果表明， 该算法可改善电液比例位置的控制性能，且使该系统具有较好的工况适应能力【1 2 t ”】。 文献【1 4 】中两缸位置分别由两个光栅传感器检测，构成系统位置闭环。控制算法采用死区 自学习算法、变增益算法及单边流量增益数字补偿。实验结果表明，在不增加系统复杂程度及 6 南京航空航天大学硕士学位论文 硬件成本下，采用该算法可得到很好的补偿效果，还能提高系统的稳定性和抗干扰能力。 文献【1 5 】、【1 6 】利用非线性控制算法研究电液伺服双缸同步系统，利用线性m v i o ( 多输入 多输出系统) 鲁棒控制技术作为外环控制器，以非线性s i s o ( 单输入单输出系统) 干扰观测器 作为内环处理电液执行器的非线性问题。 文献【1 7 】针对4 个高速开关阀为核心的p w m 电液位置控制系统，设计连续型模糊控制器， 并通过微机构成实时控制系统。 从现有的控制算法来看，模糊控制在液压同步系统中的应用较广，而模糊控制与其他控制 技术的结合在电液比例和伺服控制中也得到了广泛的研究。 1 4 本文的研究目的及内容 1 4 1 研究目的与研究内容 液压技术在工程领域中的应用非常广泛，在一些负载要求较大的场合常需要采用多个执行 元件同时驱动一个工作部件，如：装载机、推土机、矿用自卸车的工作装置都是采用双液压缸 同步驱动，大型部件、超大型部件的整体安装与搬移采用多液压缸同步驱动实现。 以电液比例技术为基础的高精度同步控制，在航天航空设备、各类金属压力与冶金设备和 工程机械上得到了广泛应用，比如：汽车纵梁液压机，作为汽车制造业必不可少的大型设备之 一，一般采用多个液压缸并联工作，解决其同步驱动即成为技术关键；旋压机，一种金属成形 加工设备，其关键技术之一即是必须保证主轴和成形辊转动时啮合的线速度同步；连铸的生产 过程中，关键就是要满足水平连铸机的拉坯机的三个拉辊速度严格保证同步驱动；而更多大型 设备中的工作平台的顶升与下降则更普遍地运用了电液比例系统同步控制。 然而，由于电液比例系统的特点，其非线性、时变特性等都给系统的控制带了困难，尤其 是对精度要求很高的场合。这也给电液比例控制系统的理论分析和设计增加了难度，至今尚无 成熟统一的控制方法。因而，开展电液比例同步控制系统的研究与开发具有重要的理论意义和 工程应用价值。 本文以自行开发设计的嵌入式p c l 0 4 + 运动控制板卡为平台，对电液比例同步控制系统整 体进行研究与开发，包括模拟量控制双缸同步运动的实现，上位机p