液压同步回路及液压启闭机同步控制研究

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Study on the Hydraulic Synchronous Circuit and Synchronous Control of theIlvdraulic HoistNING Chenxiao .ZHANG Xushe .LU0 Zhanxing(1.Colege of Mechanical and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Hebei Huangbizhuang Reservoir Management Ofice，Shijiazhuang Hebei 050224，China)Abstract：The common types，working principle and technical characteristic of the hydraulic synchronous circuit were intro-duced. The essential factors affecting synchronization precise of the hydraulic hoist were indicated.The control strategies and programsof the hydraulic hoist were compared. Further more， several measures improving the synchronization precise and stability werediscussed。

Keywords：Hydraulic synchronous circuit；Hydraulic hoist；Synchronous control；Synchronization precise在很多机器设备中需要多执行装置进行同步驱动。同其他驱动方式相比，液压同步驱动具有结构紧凑、运行平稳、易于自动化、适宜大功率等突出的优点，所以广泛应用于各类需同步驱动的诚 。液压启闭机是航运船闸、水库坝体等大型水利水电工程中的重要设备，它通过双缸同步运动驱动闸门的启闭。

为保证水利水电工程的安全可靠运行，要求液压启闭机同步精度高、稳定性好。因此，有必要对液压同步回路及液压启闭机的同步控制进行研究。

1 液压同步回路的类型及特点1.1 同步回路 的类型液压同步回路的分类方式不同，就有不同的类型。

按实现的任务分，有力同步、速度同步和位移同步回路；按实现同步的原理分，有机械控制同步回路、流量控制同步回路和容积控制同步回路；按是否双向同步控制分，有单向同步回路和双向同步回路；按液压缸的连接方式分，有串联式同步回路和并联式同步回路；按输出量是否反馈分，有开环控制同步回路和闭环控制同步回路；按所用液压元件分，又有采用节流阀、调速阀、分流集流阀、电 (机)液伺服阀、电液比例阀、数字控制阀、同步缸、同步马达及电控变量泵等类型的同步回 。

1.2 机械控制、流量控制和容积控制同步回路的比较机械控制同步回路如图1所 d示，该回路主要通过机械结构使 习活塞杆刚性连接而实现同步。其特点是工作可靠、油路结构简单，适用于跨度孝负载均衡的诚。

流量控制同步回路是通过流量阀控制流人 (或流出)液压缸液体的流量大小实现同步。各类流量控制阀 (如节流阀、NNN、 图1 机械控制分流集流阀、比例流量阀、伺服 同步回路流量阀、数字流量阀等)都可用于流量控制同步回路。回路中选用的流量阀不同，回路的性能、特点就各不相同∩根据同步驱动的实际需要构成不同特点的流量控制同步回路。

图2所示是采用调速阀的流量控制同步回路。该收稿 日期：2012-O5-22基金项目：石家庄市科技局资助项 目 (10113331A)作者简介 ：宁辰校 (1963-)，男，副教授 ，主要从事液压传动与控制 的教学与研究工作。E-mail：ningchenxiao###163.eom。

第 l4期 宁辰校 等：液压同步回路及液压启闭机同步控制研究 ·67·回路在两液压缸的进油路上分别接人-个单向调速阀，由调速阀控制进入两液压缸的流量，可实现同步运动。采用调速阀的液压同步回路结构简单、成本低；但同步精度不高，且调整较麻烦，不宜用于变负载工况。

图2 流量控制同步回路容积控制同步回路通过控制液压系统中密闭容积的大小实现同步。液压系统对称是容积控制同步常见的实现形式。液压缸串 (并)联同步回路、并联马达 (泵)同步回路、同步缸同步回路等采用的就是容积控制同步原理。系统中对应元件的几何尺寸偏差、泄漏量的差异等会直接影响同步精度。

回路中用两个相同排量 的双联液压泵 ，分别驱动两个几何尺寸相同的液压缸，以实 j现两缸同步。该回路无节流损失和溢流损失，效率高；但受容 图3 容积控制同步回路积效率的影响，同步精度低。

1.3 闭环控制与开环控制同步回路的比较闭环控制与开环控制液压同步回路的区别在于是否对执行元件的输出进行反腊控制 。

图2、图 3所示的同步回路就属于开环控制同步回路。此类回路的共同特点是完全靠液压元件本身的精度保证执行元件的同步运动，当受到偏载等因素的影响时，同步精度低、稳定性差。

图4所示为-种闭环控制同步回路。电液伺服阀A依据位移传感器B、c实际测得的两个活塞杆的位移量作为反馈信号，来持续不断地调整阀口开度，控制输入两个液压缸的流量，实现同步运动。闭环控制同步回路结构复杂、成本高，但能在运动过程中及时纠偏，进而得到高精度的同步运动，所以，广泛应用于自动控制的高精度同步驱动装置。

图4 闭环控制同步回路2 液压启闭机的同步控制2.1 影响同步精度的因素(1)负载变化液压启闭机双缸负载的大小不仅撒于闸门的重力，还与闸门的运行阻力有关。泥沙、各种垃圾等落入门槽、门槽部位结冰等都会使启闭闸门的负载变化。这些负载的变化是非线性的，致使双缸的负载不等。根据速度负载特性关系，负载变化速度就有变化。

(2)液压同步回路的不对称性对液压同步回路而言，其不对称性会影响同步精度。双缸的直径误差使有效作用面积不等；各相对运动表面的加工质量不同，摩擦阻力就不同；油管长度和弯头数目的不同将造成双缸沿程阻力不等；两缸的装配和安装误差等都会对同步精度产生影响。

(3)系统泄漏液压系统各处的泄漏不可能相等，必然影响同步精度。

(4)液压元件的性能差异及变化液压系统的长时间运行，使液压缸、控制阀等液压元件的工作特性发生变化，而这种变化不可能相同，进而影响同步精度。

2.2 同步控制策略由于闭环控制能够获得高精度的同步运动，所以，液压启闭机-般都采用闭环控制方式实现双缸同步运动。

闭环控制方式主要有两种实现型式：-种是，由两个执行元件同时跟踪设定的理想输出，根据各自得到的反馈信号不同，分别控制并达到与理想输出-致；另-种是，以其中-个执行元件的输出为理想输出，另-个执行元件受到控制而跟踪选定的理想输出并达到同步 ]。习惯上把前-种控制方式称为同等方式，后-种称为主从方式。

如采用同等方式，为了获得高精度的同步输出，· 68· 机床与液压 第41卷则要求液压同步系统的各执行元件、反馈元件、检测元件及控制元件等的性能有严格的匹配关系，而采用主从方式则无此要求 。因此，在液压启闭机同步控制中-般采用主从方式的闭环控制策略。

2.3 同步控制方案(1)调速阀加旁路纠偏的同步控制该方案的油路结构如图5所示。先通过调速阀使两个液压缸双向基本同步，在闸门的启闭过程中，位移传感器不断检测两液压缸活塞杆的位移量，若位移差值超过纠偏起调值，则三位四通电磁换向阀左位或右位接通实施旁路分流，使其中较快的液压缸减速或较慢的液压缸加速。在纠偏时，由于纠偏电磁换向阀频繁地开、关和分流，系统内压力波动较大，并产生振动和噪声。为了减少纠偏电磁阀的开关次数，设定的纠偏起调值不宜过/J 。

图5 调速阀加旁路纠偏的同步控制该同步系统结构简单、投资少，但纠偏起调值大、系统压力不稳定、能耗较高，当负载变化大时同步精度偏低。

(2)采用电液比例调速阀的同步控制采用电液比例调速阀的同步控制方案如图6所示。该方案采用的是主从控制方式 ，左缸往复运动由左侧调速阀调定，并作为理想输出；右缸由电液比例调速阀控制，通过连续控制跟踪，实现同步。

该方案可进行连续比例电液控制，能克服旁路纠偏方案中电磁阀频繁换向引起液压冲击的不足。其设定的纠偏起调值小，系统压力稳定，调试简单；费用较旁路纠偏方案要大。该方案使启闭机在同步精度和运动平稳性上都得到了改善，适用于同步精度要求较高及闸门的结构、刚度也有特殊要求的诚。

(3)采用电液伺服阀的同步控制采用电液伺服阀的同步控制方案如图7所示，该方案也采用主从方式。双缸上行时，右侧液压缸的速度由节流阀调定并作为理想输出，左侧液压缸的速度由电液伺服阀依据反馈信号控制，以实现同步。电液伺服阀有高精度、高频响的特点，所以该控制方案不仅具有较高的响应速度，而且同步精度高。但电液伺服阀结构复杂、造价高、且抗污染能力差，相应的电气控制设备也复杂，维修困难、投资 。

图6 电液比例调速阀的同步控制图7 采用电液伺服阀的同步控制(4)采用电液比例变量泵的同步控制电液比例变量泵的同步控制如图8所示。该方案同样是采用主从方式控制，把左边的液压缸当理想输出，由右边的液压缸追踪并同步。当行程检测装置测得两个液压缸的行程差达到其设定的纠偏起调值时，电液比例控制系统就改变比例变量泵的排量，即改变右边液压缸的流量，从而达到同步目的。该回路元件少，同步精度高；泵的输出压力由负载决定，流量由所需速度决定，实现了功率匹配，既节能又可减少发热，系统效率非常高，亦可延长液压油液的使用寿命。但变量泵结构复杂，投资大。该方案适用于负载和速度都变化较大的同步系统，也适用于两缸相距较远又要求较高同步精度的诚。

第 14期 宁辰校 等：液压同步回路及液压启闭机同步控制研究 ·69·图8 采用电液比例变量泵的同步控制(5)采用数字控制阀的同步控制数字控制阀能适应计算机控制的需要，直接用数字量来实现控制，同时有较强 的抗污染能力。因此，采用数字阀的同步控制方案控制方便、可靠性高、重复精度高，易于实现计算机直接控制。目前由于元件设计、制造、系统研发等原因，数字控制阀在液压启闭机同步控制中较少应用。但随着液压控制技术的不断进步及新型数字控制阀的研制，该同步控制方案会有 良好的应用前景。

3 结束语开环控制的液压同步回路结构简单，但同步精度较低，不适用于变负载、大功率、高同步精度的场合。液压同步闭环控制系统精度高，若是采用主从方式的闭环控制策略，不要求同步系统的执行元件、控制元件、检测反馈元件等的性能具有严格的匹配关系，可简化系统、降低成本。特别是采用电液比例阀、电液比例变量泵等液压控制元件并与计算机技术、现代控制技术相结合，可使同步控制精度得到进- 步提高，系统的稳定性、可靠性也得到显著加强，能够满足液压启闭机驱动功率大、工作环境差、同步精度高的各项要求。