王野牧，胡牧青

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

0 前言

對于重型機(jī)械，特別是盾構(gòu)機(jī)的支護(hù)作業(yè)來說，在復(fù)雜多變的工況下，多缸運(yùn)動的同步性顯得尤為重要。鋼拱架安裝器的水平移動主要依靠兩個水平油缸的伸出與縮回完成。由于安裝器的質(zhì)量大，重心高，極易出現(xiàn)負(fù)載不恒定、極端偏載的情況，所以油缸同步精度的好壞直接影響到鋼拱架安裝精度的高低，從而對液壓同步控制系統(tǒng)提出更高的要求。

根據(jù)實際工況需要，實驗臺所需要實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)如下：(1)驅(qū)動最大負(fù)載力100 000 N；(2)兩個水平缸的同步精度0.2 %。

1 實驗臺的組成及工作原理

液壓同步控制實驗臺主要由同步控制和負(fù)載加載兩部分組成。圖1為液壓同步實驗臺液壓原理圖。同步控制是由工業(yè)計算機(jī)、伺服比例閥、位移傳感器構(gòu)成的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。位移傳感器采集兩油缸不同位置信號，傳遞給運(yùn)動控制卡，再由工業(yè)計算機(jī)進(jìn)行計算、分析并控制伺服比例閥的開度，從而實現(xiàn)同步控制。負(fù)載加載是由工業(yè)計算機(jī)、三通比例減壓閥和壓力傳感器構(gòu)成的壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過改變?nèi)ū壤郎p壓閥的出口壓力的大小來模擬盾構(gòu)機(jī)支護(hù)作業(yè)過程中出現(xiàn)的負(fù)載力。

圖1 液壓同步試驗臺液壓原理圖

2 基于AMESim主從同步控制系統(tǒng)模型建立

2.1 比例伺服閥模型的建立

伺服比例閥作為主從同步控制系統(tǒng)的重要核心元件，其好壞直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)時間、穩(wěn)定性和控制精度。為了模擬真實的伺服比例閥，在實驗中，該閥的實際頻寬大于液壓系統(tǒng)固有頻率的3～5倍，因此將其簡化成比例環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真分析，最后在AMESim中建立的模型如圖2所示。模型中具體參數(shù)值如表1所示。

圖2 伺服比例閥仿真模型

參數(shù)參數(shù)值響應(yīng)時間/ms5最大流量(在p=7 MPa)/L·min-118最大流量(在p=3 MPa)/L·min-128圓角半徑/mm0.005徑向間隙/mm0.003

2.2 伺服油缸模型的建立

伺服油缸是主從同步控制系統(tǒng)的動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)，油缸的技術(shù)參數(shù)直接影響最大承受負(fù)載力情況及仿真的真實性。根據(jù)伺服油缸的實際的技術(shù)參數(shù)(如表2)，利用AMESim建立的伺服油缸模型如圖3所示 。

表2 伺服油缸相關(guān)技術(shù)參數(shù)

圖3 伺服油缸仿真模型

2.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)模型的建立

液壓主從同步控制框圖如圖4所示。工控機(jī)通過給閥放大器輸入相同的電壓信號，控制比例伺服閥開度的大小，從而控制油缸的移動速度。當(dāng)油缸接觸到負(fù)載出現(xiàn)移動速度的不同步及位置偏差時，偏差值會通過差值反饋的方式累加到移動速度較慢油缸的閥放大器上，從而提高伺服比例閥的開度，進(jìn)而提高油缸的移動速度。直至偏差值為0時，系統(tǒng)會重新建立一個新的平衡點達(dá)到穩(wěn)定。同時，每個獨立的位置傳感器與比例伺服閥、油缸構(gòu)成獨立的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)每個油缸均能獨立進(jìn)行位置控制。

根據(jù)液壓主從同步控制框圖，針對100000 N和0 N兩種負(fù)載狀態(tài)建立AMESim模型如圖5所示。

圖4 液壓主從同步控制框圖

圖5 液壓主從同步閉環(huán)控制系統(tǒng)模型

3 控制系統(tǒng)動態(tài)特性分析

當(dāng)信號源輸入信號為0～10時，對應(yīng)伺服比例閥閥芯位移為0～100%。實驗臺的位移傳感器的工作范圍0～1.5 m，所對應(yīng)的信號為0～1。溢流閥的開啟壓力為250 MPa；柱塞泵的排量為 125 L/min；電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，仿真時間200 s。

對于剛性負(fù)載的液壓同步系統(tǒng)來說，在接觸負(fù)載的瞬間會對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的超調(diào)量，經(jīng)過震蕩以后才能達(dá)到穩(wěn)定。在實際實驗過程中為了避免產(chǎn)生較大的超調(diào)量、測量元器件的損壞以及實驗數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，在系統(tǒng)中加入PID控制器對系統(tǒng)進(jìn)行校正，經(jīng)過多次實驗獲得最終PID調(diào)整器中比例、積分、微分環(huán)節(jié)的數(shù)值大小，P=7.19，I=2.57×10-3，D=0。

從圖6曲線上可以看出，液壓缸在伸出過程中，流量穩(wěn)定在6.72 L/min；縮回過程中，流量穩(wěn)定在6.75 L/min。仿真到50 s之后，液壓缸處于支撐狀態(tài)，因此流量為0 L/min。從圖7曲線上可以看出，伸出與縮回過程中，雙液壓缸速度均穩(wěn)定在22 mm/s，速度誤差可以忽略不計。在液壓缸的行程內(nèi)，通過圖8曲線可以看出位置誤差為1.14 mm，計算可得同步精度為0.076%遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.2%，滿足實驗所需的精度要求。

圖6 伺服油缸的動態(tài)流量曲線

圖7 伺服油缸的速度變化曲線

圖8 伺服油缸的位置變化曲線

4 結(jié)束語

(1)對于閥控缸液壓系統(tǒng)來說，當(dāng)實際使用的伺服比例閥的頻寬大于液壓固有頻率的額的3～5倍時，伺服比例閥簡化成慣性環(huán)節(jié)，有利于系統(tǒng)的仿真分析。

(2)對于負(fù)載是剛性的液壓同步系統(tǒng)來說，在接觸負(fù)載的瞬間會產(chǎn)生一個較大的階躍力，使系統(tǒng)產(chǎn)生一個較大的超調(diào)量和震蕩。如果想要提高控制精度，改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，可以增加PID校正環(huán)節(jié)。

(3)通過仿真分析可以得出，負(fù)載為0與負(fù)載為100 000 N的油缸在行程范圍內(nèi)，無論伸出與縮回的同步精度均能滿足實驗要求，得到滿意的結(jié)果。同時為極端偏載的工況下的液壓同步控制提供一個科學(xué)的理論支持。

(4)液壓同步控制試驗臺負(fù)載力控制系統(tǒng)的設(shè)計利用AMESim軟件進(jìn)行建模和仿真，與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模推導(dǎo)傳遞函數(shù)相比，更加直觀、方便得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線。