， ， 　， 　(.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院， 浙江 衢州　34000； .浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 浙江 杭州　3004)

引言

電液伺服控制技術(shù)是現(xiàn)代控制技術(shù)的重要組成部分，它是在各學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，主要來源于四個方面：液壓流體力學(xué)、控制理論、電氣學(xué)和電子學(xué)。單出桿缸兼具工作空間小、制造方便與出力大等優(yōu)點(diǎn)，在液壓控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。電液控制機(jī)構(gòu)既具有電子控制的靈活性和快速性，又有液壓元件的巨大功率[2]。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電液控制機(jī)構(gòu)與之結(jié)合，更具有控制靈活、操作方便、數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)大系統(tǒng)控制的功能。同時隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求各種由液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動的產(chǎn)品可實現(xiàn)其特有的功能并保持本身的精度，同時對液壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和位置精度要求也逐日提高[3]。本研究主要以2D閥控單出桿缸為實驗平臺，分析了2D閥控單出桿缸穩(wěn)定性、響應(yīng)性、系統(tǒng)誤差等。

1　工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

本實驗室采用的是自主研制的2D數(shù)字閥，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2D數(shù)字閥由閥體、電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器(步進(jìn)電機(jī))、齒輪傳動機(jī)構(gòu)等主要部分組成[4]。步進(jìn)電機(jī)位于2D數(shù)字閥的上方，其尾部裝有檢測電機(jī)轉(zhuǎn)角的角位移傳感器。步進(jìn)電機(jī)通過齒輪副與2D閥閥芯連接，即步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動可以控制閥芯的運(yùn)動，同時可以放大力矩。相對其他伺服閥而言其具有以下優(yōu)點(diǎn)： ① 抗污染能力強(qiáng)；② 響應(yīng)速度快。伺服螺旋機(jī)構(gòu)的液壓固有頻率決定于敏感腔的體積及閥芯的質(zhì)量，2D數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其敏感腔可以設(shè)計的很小，因此其液壓固有頻率很高，響應(yīng)速度快。

1.步進(jìn)電動機(jī)　2.閥座　3.閥套　4.O形圈　5.擋板　6.盒蓋 7.緊固螺釘　8.同心環(huán)　9.閥芯　10.端蓋　11.擺輪　12.齒輪 13.限位銷　14.電動機(jī)安裝板　15.安裝銷

2D閥屬于對稱滑閥，對稱閥控非對稱缸動力機(jī)構(gòu)如圖2所示，由零開口四邊滑閥和單出桿缸組成。單出桿缸加工和密封都比較簡單，制造成本也比較低，但是由于單出桿缸有效工作面積不相等，因而正反向運(yùn)動時所需要的流量各不相同，且正反方向運(yùn)動時動、靜特性也不相同，從而使系統(tǒng)存在嚴(yán)重的壓力躍變，并使系統(tǒng)存在附加靜態(tài)誤差[5]。

圖2　2D伺服閥控單出桿缸

圖2中A1、p1、Q1分別表示無桿腔的有效作用面積、無桿腔的壓力和流量；A2、p2、Q2分別表示有桿腔的有效作用面積、有桿腔的壓力和流量；y表示活塞桿的位移。由于活塞桿兩腔的有效作用面積不同，因此流量是不連續(xù)的，而且系統(tǒng)的流量方程與活塞桿運(yùn)動的方向有關(guān)。

2　實驗研究

單出桿缸位置閉環(huán)實驗包括兩小部分，它們是PID參數(shù)的整定和頻響實驗。在不同參數(shù)下，液壓缸的響應(yīng)時間、超調(diào)量和調(diào)整時間都不一樣，本實驗要求在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，盡可能縮短上升時間，超調(diào)量盡可能小，調(diào)整時間盡可能短。頻響實驗借助于信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率和不同幅值的信號(對應(yīng)著液壓缸偏離平衡位置最大位移)。單出桿實物圖如圖3、圖4所示。

圖3　2D伺服閥控單出桿缸實驗

圖4　電源板實物圖

2.1　PID參數(shù)的整定

PID控制算法是現(xiàn)代工業(yè)中最常用的算法之一。在實際工程中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器是比例、積分、微分控制，簡稱PID控制[6]。

式中：Kp為比例系數(shù)；TIs為微分時間系數(shù)；TDs為微分時間系數(shù)。

從圖5中可知不同的比例因子對系統(tǒng)的影響有較大的差別，當(dāng)Kp=0.03時，系統(tǒng)能較快響應(yīng)，但是系統(tǒng)的調(diào)整時間較長，而且當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時還存在靜差。而當(dāng)Kp=0.07時，系統(tǒng)響應(yīng)較Kp(Kp=0.03)快，而且系統(tǒng)穩(wěn)定時幾乎沒有靜差，當(dāng)Kp=0.15時，是最為理想的情況，無論是響應(yīng)時間、調(diào)整時間、系統(tǒng)靜差都優(yōu)于前面二者。通過實驗驗證了Kp值對系統(tǒng)的影響，適當(dāng)增大Kp值能夠使系統(tǒng)迅速趨于穩(wěn)定，并且系統(tǒng)的靜差會適當(dāng)減小。圖6是當(dāng)Kp=0.15時，不同的Ki值對系統(tǒng)的影響，Ki值增大時對消除系統(tǒng)靜差有一定的好處，但是如果Ki值過大，會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，使其超調(diào)過大(超過可承受范圍)。由圖可知，當(dāng)Ki=0.000015時，系統(tǒng)還比較穩(wěn)定，但稍微增加，會造成系統(tǒng)劇烈振蕩，因此Ki=0.000015為臨界值。

圖5　Kp對系統(tǒng)響應(yīng)的影響

圖6　Ki對系統(tǒng)響應(yīng)的影響

2.2　頻響實驗

圖7是系統(tǒng)在不同壓力下的響應(yīng)，(系統(tǒng)的壓力越高，響應(yīng)越快)可見隨著系統(tǒng)的壓力越高，響應(yīng)也越快。在閉環(huán)的實驗中還針對不同的輸入進(jìn)行了分析，并對同一輸入量進(jìn)行了重復(fù)性實驗。在圖8閉環(huán)實驗曲線中在不同輸入下，系統(tǒng)的響應(yīng)，其中輸入量折算成位移分別是80 mm和240 mm。對于系統(tǒng)的重復(fù)性實驗，一共做了7組數(shù)據(jù)，重復(fù)性良好。由上述實驗結(jié)果可見，系統(tǒng)不僅具有快速的響應(yīng)能力，而且具有良好的重復(fù)性，說明2D閥控單出桿的響應(yīng)特性良好，可以在實踐中得到應(yīng)用。

圖7　不同壓力下的階躍響應(yīng)

圖8　不同輸入的響應(yīng)

頻率特性是根據(jù)單出桿缸在外界輸入信號(信號發(fā)生器)，輸入幅值為0.1 V，對應(yīng)偏離平衡位置的位移為8 mm，不同頻率的正弦信號。由圖9可以看出，在低頻輸入信號下，液壓缸能夠很好地跟隨輸入的控制信號，這也說明液壓缸具有良好的靜態(tài)特性。隨著輸入信號頻率的提高，輸出信號的幅值逐漸衰減，同時輸出信號的相位也逐漸滯后。從圖中可以看出，當(dāng)輸入信號的頻率為5 Hz時，幅值很明顯衰減至滿幅值的50%，相位滯后90°。可見在輸入幅值為0.1 V條件下，其對應(yīng)的-3 dB、-90°的頻寬約為5 Hz。當(dāng)然，在不同幅值輸入下，系統(tǒng)的頻寬會有所改變。

圖9　正弦頻率響應(yīng)

3　結(jié)論

對2D伺服閥控單出桿缸進(jìn)行實驗研究得到如下結(jié)論：

(1) PID參數(shù)的調(diào)整關(guān)系到系統(tǒng)響應(yīng)的快慢、系統(tǒng)的靜差、以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

(2) 階躍響應(yīng)實驗表明系統(tǒng)不僅具有快速的響應(yīng)能力，而且具有良好的重復(fù)性，說明2D閥控單出桿的響應(yīng)特性良好，可以在實踐中得到應(yīng)用；

(3) 當(dāng)輸入信號幅值為0.1 V(8 mm)時，階躍響應(yīng)的上升時間為1.2 s，調(diào)整時間為2.5 s，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0，-3 dB時對應(yīng)的頻寬為5 Hz。

參考文獻(xiàn)：

[1]路甬祥.液壓氣動技術(shù)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2]Murrenhoff H. Develop Trends in Fluid Power[J]. Konstruklion, 1997,(3):20-29.

[3]王占林.近代液壓控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998:1-3.

[4]張凱,阮健,勵偉,等．大流量2D伺服閥的研究與設(shè)計[J]．液壓氣動與密封,2013,(12)：26-28．

[5]阮健,李勝,孟彬.2D數(shù)字伺服閥[J].液壓與氣動，2010,(9)：77-80.

[6]邢印嬌.電液比例同步控制系統(tǒng)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2010.