李 順, 王 洋, 臧其亮

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程學(xué)院, 江蘇 徐州 221100; 2.徐州重型機(jī)械有限公司, 江蘇 徐州 221000)

引言

電液伺服作動(dòng)器是一種以液壓油為動(dòng)力源的擺動(dòng)機(jī)構(gòu),在工程機(jī)械底盤懸架測(cè)試、車橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試等多種需要擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用,其利用液壓油缸動(dòng)作驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)械裝置產(chǎn)生升降運(yùn)動(dòng),從而模擬被試件真實(shí)使用時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡,因此作動(dòng)器的性能指標(biāo)影響到被試件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、使用壽命等測(cè)試指標(biāo)。

電液伺服作動(dòng)器位移同步采用常規(guī)PID控制時(shí)因超調(diào)會(huì)出現(xiàn)在設(shè)定位移區(qū)間范圍內(nèi)油缸伸縮振蕩并最終緩慢停止在設(shè)定位置的現(xiàn)象,其會(huì)對(duì)系統(tǒng)控制精度、穩(wěn)定性造成很大的影響,同時(shí)對(duì)測(cè)試安全造成隱患。魏列江等[1]提出采用多段非線性PID控制算法用于直驅(qū)式電靜液作動(dòng)器(EHA) 的同步控制,有效縮短了作動(dòng)器的同步調(diào)平時(shí)間,提高了系統(tǒng)魯棒性。王婉君等[2]根據(jù)青蛙跳液壓提升系統(tǒng)的運(yùn)行原理,結(jié)合系統(tǒng)主要部件的性能參數(shù),提出非均勻負(fù)載工況下基于分流集流閥的雙液壓缸同步方案,該液壓提升系統(tǒng)同步方案能夠在不延長(zhǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間、不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下,較大改善雙液壓缸同步性能,滿足安全運(yùn)行的需要。杜偉等[3]以電動(dòng)靜液作動(dòng)器系統(tǒng)為研究對(duì)象,根據(jù)船舶閥門應(yīng)用工況,綜合考慮系統(tǒng)外部干擾力以及參數(shù)攝動(dòng)情況,采用混合靈敏度魯棒控制算法應(yīng)用于電動(dòng)靜液作動(dòng)器系統(tǒng)中,提高了該系統(tǒng)的位置跟蹤性能。毛尾等[4]采用模糊算法對(duì)電液比例伺服系統(tǒng)進(jìn)行了研究并分析控制效果,根據(jù)控制效果提出了模糊PID復(fù)合控制,實(shí)現(xiàn)PID控制和模糊控制優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

本研究根據(jù)電液伺服作動(dòng)器的液壓工作原理,提出了一種基于CRIO架構(gòu)的電液伺服作動(dòng)器測(cè)控系統(tǒng),后續(xù)講述都以測(cè)控系統(tǒng)描述,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器伺服機(jī)構(gòu)的位移閉環(huán)控制,測(cè)控系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)作器油缸位移傳感器反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與操作界面上輸入的位移設(shè)定值進(jìn)行比較,通過(guò)積分分離PID控制策略精確控制伺服閥開度,減小系統(tǒng)的振蕩和超調(diào),作動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電液伺服作動(dòng)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Electro-hydraulic servo actuator structure

1 作動(dòng)器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)在不同加載頻率和振幅下根據(jù)被試件國(guó)家設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試要求對(duì)被試對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn),如圖2所示。伺服作動(dòng)器系統(tǒng)能夠滿足懸架系統(tǒng)剛度和阻尼測(cè)試、懸架油缸的摩擦特性測(cè)試、結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試、鋼板彈簧疲勞試驗(yàn)等。

圖2 作動(dòng)器系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試Fig.2 Actuator system test

電液伺服作動(dòng)器由電液伺服閥、傳感器、蓄能器、作動(dòng)油缸組成。作動(dòng)油缸是最直接的加載裝置,其直接和被試件接觸,對(duì)被試件施加拉伸或者壓縮的載荷,作動(dòng)油缸施加載荷靠液壓油實(shí)現(xiàn),電液伺服閥控制液壓油流量從而實(shí)現(xiàn)油缸伸縮的控制[3],液壓泵站為2套伺服作動(dòng)器系統(tǒng)提供清潔、穩(wěn)定的高壓油,總額定流量為340 L/min,在試驗(yàn)進(jìn)行中,測(cè)控系統(tǒng)能根據(jù)試驗(yàn)需要自動(dòng)調(diào)整2套作動(dòng)器的流量,流量總和以液壓油源流量總和340 L/min為上限,液壓原理如圖3所示,液壓動(dòng)作部件參數(shù)如表1所示。

表1 液壓動(dòng)作部件參數(shù)Tab.1 Parameters of hydraulically operated components

1.伺服油缸 2.蓄能器 3.電液伺服閥 4.液壓泵站圖3 作動(dòng)器系統(tǒng)液壓原理圖Fig.3 Hydraulic schematic diagram of actuator system

2 作動(dòng)器測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 作動(dòng)器電氣系統(tǒng)原理

測(cè)控系統(tǒng)采用以LabVIEW為核心的CRIO架構(gòu)實(shí)現(xiàn)壓力、流量和位移等物理量的數(shù)據(jù)采集及油缸運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制。當(dāng)CRIO采集到壓力過(guò)載、作動(dòng)器工作溫度過(guò)高或者濾油器報(bào)警時(shí)測(cè)控系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)或直接控制作動(dòng)器停機(jī),保障伺服作動(dòng)器安全運(yùn)行[5],測(cè)控系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 作動(dòng)器電氣控制結(jié)構(gòu)Fig.4 Electrical control structure of actuator system

2.2 CRIO硬件選型

CRIO硬件由嵌入式實(shí)時(shí)控制器、可配置機(jī)箱、C系列模塊組成,實(shí)時(shí)控制器內(nèi)部還有工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)處理器以及運(yùn)行于實(shí)時(shí)處理器上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。測(cè)控系統(tǒng)軟件主要以LabVIEW為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件HOST顯示界面設(shè)計(jì)、RT實(shí)時(shí)控制程序開發(fā)、FPGA硬件配置等功能[6],CRIO工作流程如圖5所示,測(cè)控系統(tǒng)CRIO選型如表2所示。

表2 CRIO硬件選型Tab.2 CRIO hardware selection

圖5 CRIO工作數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)Fig.5 CRIO working data flow structure

2.3 CRIO采集及控制原理

為了滿足作動(dòng)器控制精度的要求,測(cè)控系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制。CRIO根據(jù)油缸位移設(shè)定值與采集值采用積分分離PID控制策略對(duì)放大板輸入電壓進(jìn)行閉環(huán)控制,伺服放大板根據(jù)伺服閥閥芯位移反饋信號(hào)及控制電壓信號(hào)對(duì)伺服閥開度進(jìn)行精確閉環(huán)控制[7],CRIO采集及控制原理圖如圖6所示。

2.4 測(cè)控界面設(shè)計(jì)

測(cè)控界面具備試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定以及測(cè)試數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)和顯示功能,其能夠根據(jù)被試件測(cè)試要求設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)(幅值、頻率、位移等)并實(shí)現(xiàn)單個(gè)油缸伸縮的精確控制以及雙油缸同向同步或異向同步控制[8],作動(dòng)器測(cè)控界面如圖7所示,測(cè)控系統(tǒng)控制流程如圖8所示。

圖8 測(cè)控系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)Fig.8 Control flow design of measurement and control system

2.5 測(cè)控系統(tǒng)PID程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)置加載的控制參數(shù),參數(shù)設(shè)置界面如圖7所示。參數(shù)主要包括加載波形選擇、控制方式設(shè)置以及波形參數(shù)設(shè)置等,設(shè)置完成后將加載的波形轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間變化的位移值[9],位移轉(zhuǎn)換RT程序如圖9所示。

圖9 加載參數(shù)轉(zhuǎn)換為位移值Fig.16 Load parameters are converted to displacement values

單缸采用積分分離PID策略控制,首先判斷位移設(shè)定值與油缸位移采集的差值范圍,當(dāng)差值在±2 mm范圍內(nèi)采用PID控制,當(dāng)差值超出±2 mm范圍時(shí),采用PD控制[10],FPGA程序如圖10所示。

圖10 單缸積分分離PID控制程序設(shè)計(jì)Fig.10 PID control program design of single cylinder integral separation

3 伺服油缸同步控制設(shè)計(jì)

伺服油缸同步控制為當(dāng)雙缸設(shè)定相同的控制位移值時(shí),兩伺服油缸能夠以相同的速度進(jìn)行同步升或降,雙缸位移偏差保證在±4 mm范圍內(nèi)[11],單缸伺服控制結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 單缸伺服控制原理圖Fig.11 Schematic diagram of single-cylinder servo control

3.1 位移傳感器數(shù)據(jù)處理

伺服油缸內(nèi)置位移傳感器,為了消除外界干擾帶來(lái)的影響,保證作動(dòng)器油缸伸縮的控制精度,本研究采用中值平均濾波的信號(hào)處理方法,首先將采集的數(shù)據(jù)按順序保存在變量X1,X2,…,XN中,減去數(shù)據(jù)的最大值及最小值,并將剩下的N-2個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算,其中N為單次數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),數(shù)據(jù)處理流程如圖12所示。

圖12 位移傳感器濾波流程圖Fig.12 Flow chart of displacement sensor filtering

3.2 單缸積分分離PID控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

單缸伸縮控制采用積分分離PID控制策略,控制流程如圖13所示。PID控制策略在積分環(huán)節(jié)的作用下,當(dāng)采集的位移數(shù)據(jù)出現(xiàn)大的干擾時(shí)如油缸位移傳感器電磁干擾、油缸抖動(dòng)、流量沖擊等會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的偏差,并且由于慣性環(huán)節(jié)的作用會(huì)使積分時(shí)間延長(zhǎng),這就會(huì)造成嚴(yán)重的積分飽和現(xiàn)象,出現(xiàn)很大的超調(diào)[12],在作動(dòng)器試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中表現(xiàn)為油缸伸縮振蕩,本研究在油缸伸縮控制過(guò)程中采用積分分離的控制算法,既保持積分消除誤差的作用,又能減少控制系統(tǒng)超調(diào)量,使得油缸控制性能有較大的改善,減小油缸伸縮控制系統(tǒng)的振蕩和超調(diào)。

為了能實(shí)現(xiàn)積分分離PID控制,需要對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行離散采樣處理。設(shè)采樣時(shí)刻點(diǎn)為Kt,以和式代替積分,增量代替微分[13-14],則可以表達(dá)為數(shù)字形式如下所示:

(1)

由式(1)可知,為了減少運(yùn)算量采用增量式PID控制算法,增量式PID的輸出量為相鄰兩次采樣時(shí)刻的增量Δu(k)。

(2)

u(k)=u(k-1)+Δu(k)

(3)

Δu(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

(4)

式中,KP—— 比例系數(shù)

TI—— 積分時(shí)間常數(shù)

TD—— 微分時(shí)間常數(shù)

(5)

為了便于表達(dá)PID控制過(guò)程,可以設(shè)積分環(huán)節(jié)因子β:

(6)

(7)

當(dāng)|e(k)|>ε,取β=0,此時(shí)進(jìn)行PD控制:

u(k)=A′e(k)-B′e(k-1)

(8)

當(dāng)|e(k)|<ε時(shí),由增量式PID控制算法可知:

u(k)=u(k-1)+Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

(9)

單缸PID積分分離控制流程如圖14所示。

圖14 單缸積分分離PID控制流程圖Fig.14 PID control flow chart of single cylinder integral separation

油缸全縮位移值為300 mm,油缸全伸位移值為630 mm,油缸初始位移為325 mm,上位機(jī)設(shè)置油缸位移在3 s時(shí)間段內(nèi)伸長(zhǎng)200 mm,實(shí)測(cè)油缸伸穩(wěn)定位移值為525 mm,油缸停止20 s后在4 s時(shí)間段內(nèi)縮短200 mm,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖15所示,使用積分分離PID控制后油缸在伸縮過(guò)程中的位移超調(diào)量明顯降低,穩(wěn)定后單缸采集值與設(shè)定值位移偏差在±2 mm范圍內(nèi)。

圖15 單缸積分分離PID控制伸縮位移曲線Fig.15 Single-cylinder integral separation PID control telescopic displacement curve

3.3 雙缸同步控制設(shè)計(jì)

作動(dòng)器兩側(cè)油缸分別設(shè)置為主油缸和從油缸,雙缸的位移傳感器實(shí)時(shí)跟蹤、檢測(cè)油缸的伸縮情況并反饋給CRIO測(cè)控系統(tǒng),在整個(gè)控制過(guò)程中根據(jù)主從油缸的實(shí)時(shí)位移狀態(tài),對(duì)從油缸的伺服閥開度進(jìn)行同步控制[15],滿足雙缸位移差在±4 mm的范圍內(nèi)。當(dāng)雙缸同步控制過(guò)程中位移差均在±4 mm的范圍內(nèi)時(shí),雙缸伸縮控制不做處理,當(dāng)雙缸同步位移差超出±4 mm的范圍時(shí),對(duì)從油缸采用增加位移的微分反饋Δu′(k)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,控制流程如圖16所示。

圖16 雙缸同步控制流程圖Fig.16 Flow chart of double-cylinder synchronous control

雙缸同步升降控制時(shí)上位機(jī)設(shè)定PID控制參數(shù)及位移控制曲線,測(cè)控系統(tǒng)采集雙缸位移曲線如圖17所示,雙缸在伸縮動(dòng)作過(guò)程中的位移超調(diào)量明顯降低,雙缸同步升降過(guò)程中雙缸位移差值在±4 mm范圍內(nèi)[16-17]。

4 結(jié)論

基于CRIO的電液伺服作動(dòng)器測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了作動(dòng)器油缸升降的自動(dòng)化控制,本研究介紹了伺服作動(dòng)器的電液原理并通過(guò)積分分離PID控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙缸位移同步的精確控制,雙缸同步控制過(guò)程中具備糾偏功能,同步升降過(guò)程中主從油缸位移差控制精度滿足±4 mm的范圍內(nèi),測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行可靠,滿足工程機(jī)械底盤結(jié)構(gòu)測(cè)試、應(yīng)力測(cè)試等測(cè)試需求。