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提升机电一体化系统中液压控制的5个技巧

来源:控制工程网2016.06.28阅读 1286

  在某些特定的工业生产领域,由于在速度、力量、功率密度等方面所具有的优势,液压技术仍然占据主流地位。在这些应用场合,利用现有的技术,电气机械式驱动不太可能替代液压系统。在机器设计中,如果使用液压驱动,这些技巧可以帮助用户改善功能、提升性能。
  技巧 1: 利用速度来稳定和提升性能
  几乎所有的电气机械式驱动,都使用了某种形式的速度反馈传感器,这些传感器被紧密的整合到驱动控制器的功能之中。这就是精确定义的速度/单位信号(速度增益),这些信号被用于驱动。然而,在液压驱动中,执行器的速度除了是指令信号的函数,还受到驱动器负载的较大影响。
  速度的变化www.cechina.cn,会直接影响驱动器回路的增益,最终会影响运动的稳定性和精度。为控制增加速度反馈传感器,可以排除这一问题,但是很少有这样做的www.cechina.cn,尤其是当控制工程师对液压驱动不熟的时候。为了实现完整的系统功能,与液压驱动配套使用的控制器,必须具有补偿功能,以便补偿系统增益方面的变化。这些特性一般会使用某种形式的速度预估技术,来计算估计速度,从而稳定整个系统的增益。
  专用的过滤器,或者“观察器”,可以通过反馈信号,获取预估的速度信号,在控制中使用。观察器使用简化的系统数学模型,导出计算速度信号。
  技巧2:使用基于控制的阻尼
  在现代高性能驱动系统中,阻尼是关键因素。当使用电气机械式驱动时,在驱动控制器内置的力矩和速度回路,可以为驱动提供较高水平的刚性和阻尼。液压驱动流体的顺从性或者弹性,与负载惯性或质量结合起来时,可以产生相对低频的“弹簧-质量”系统,具有内在的低阻尼。由于性能需求比较严格www.cechina.cn,驱动系统也许会有震荡的可能。
  控制技术为液压驱动所提供的先进阻尼方法,可以分成三种:基于变送器的、基于观察器的和实时导出的。在基于传感器的阻尼中,驱动中增加了传感器。传感器可以是速度、加速度或压力传感器,或者是各种传感器的组合。使用电子滤波技术,这些传感器能够测量由于不稳定所引起的不期望的运动,然后通过校正信号来补偿不期望的运动。不过,增加传感器也会增加成本和复杂性。
  利用基于观察器的阻尼,就可以在驱动器内的控制器中使用简化的数学模型。这个模型包括了共振和驱动器内在的低阻尼。使用可用的反馈信号(一般情况下是位置传感器),观察器可以预测到不期望运动的存在,然后提供补偿信号抵消其影响(图1)。大多数标准性能的计算机数字控制(CNC)系统和可编程逻辑控制器(PLC),并没有纳入先进的功能,所以可以使用为液压控制专门设计的高性能控制器。


图1:使用观察器,可以提高控制能力。

  技巧3:利用专门设计的液压控制来管理力量
  输出力矩控制,无论是单独实现还是与位置控制联合实现,在液压驱动中的重要性都在不断增加。在使用传统控制器的典型应用中,比如印刷工业,额定的印刷力矩只有在给定位点才会达到。尽管适用于某些应用,但是控制或限制力(力矩)的能力,基于不同的工艺过程需求,正在逐渐成为关键需求。在具有工业4.0属性的工厂内,随着灵活的生产单元越来越普遍,对于很多系统来讲,能够依据生产应用需求(控制速度和位置),来改变和控制不同等级的力量,成为一种必须具有的功能。
  技巧4:记住,液压驱动是非线性的设备
  液压驱动器的控制一般是非线性的。控制阀门是阻性设备,与电阻类似,流量(电流)是设备上压力降低(电压降低)的函数。流量与供油压力和负载端压力的差值成比例。
  因此,对于给定阀门指令www.cechina.cn,流量会随着负载压力和供油压力的变化而变化。此外,很多液压控制阀门的流量和信号特性并不是线性的(图2)。结果就是液压轴的控制回路增益变化范围非常大。专门为液压控制设计的先进控制器,具有补偿阀门特性或使阀门性能曲线线性化的能力。从而可以极大的改善系统的性能。其它的控制功能还包括监视负载力矩或压力,从而可以适当的调整控制器的增益,进而改善现有性能。


图2:很多液压控制阀门的流量和信号特性并不是线性的,因此其结果就是液压轴的控制回路增益变化范围非常大,如果对此没有深刻的认识,就会导致系统性能较差或不稳定。图片来源:博世力士乐

  技巧5:位置积分器可以帮助优化终点定位的精度
  当液压执行器由控制器定位时,其基本的控制特性可以改变。由阀门控制的液压定位系统,在移动的过程中具有积分的特性。这就意味着阀门控制信号的任何变化,都会导致执行器速度的变化。因此,位置被定义为:
  X= ∫ (信号输入) dt。
  然而,当执行器到达期望的位置时,控制特性会从积分控制改变为比例控制。这是由于液压阀门内部的流量泄露所致。也许结果就是永远不会到达期望的位置。此外,负荷越大,或者是终点位置所需要的力矩越大,潜在的位置偏差就越大。
  在定位控制中,使用积分器,可以实现终点定位的高精度,但是也会在运动过程中导致明显的不稳定。解决方法就是当位于定位点附近时,在控制中使用动态预处理以及打开积分项;当位于运动中的其它位置时控制工程网版权所有,切掉积分项。这样可以大大改善最终的定位精度,而不会导致运动过程中的不稳定。
  积分器的切换点,一般基于数个条件,这些条件被用于优化控制。专门为液压轴控制而设计的先进高性能控制器,就具有该特性。(作者:Paul Stavrou)

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