利用速度控制抑制电液位置伺服系统冲击的方法

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A novel method with velocity control to restrain pressureimpact in an electro-hydraulic position serve systemXU Xiao-qing，QUAN(Institute of Mechatronics Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)Abstract： An electro-hydraulic position serve system has a large demand of source oil flow rate in starting，reversing and dynamic processes.Hydraulic impact may appear when the supply of flow rate is not enough.To solve thisproblem ，a novel method with velocity feedback was proposed.An actuator velocity was detected and the volume flow ratecaused by volume change of the actuator's high pressure chamber was calculated.When the volume flow rate was largerthan the actual flow rate supplied by a oil source，a shorter process of source pressure sudden drop would appear.Withadjusting the serve valveS input，the actuator's actual flow rate could be controled always less than the supplied flow rateand the hydraulic impact could be eliminated.Simulation results and test results showed that the proposed method is easyto realize，and the hydraulic impact caused by the insufficient source oil flow rate is restrained obviously。

Key words：electro-hydraulic servo system；hydraulic impact；flow rate calculation电液位置伺服系统通常采用闭环控制方案，给定信号输入到电液位置伺服系统后，伺服系统在伺服阀的控制作用下，实现位置调整。在调整过程的早期阶段，电液伺服阀的开口量很大，甚至完全打开，执行器对流量的需求达到最大，-旦液压源所能提供的流量不能满足执行器，将导致系统压力瞬间下降 J，严重时下降到液压源压力的 10%左右，当电液伺服阀的开口量快速减畜，又将使压力瞬间达到甚至超过伺服系统中某些元件的额定压力。压力-降-升，产生严重的液压冲击，不仅使元件寿命减少，严重时将导致系统的错误动作 J。

简单的解决办法有两种：① 采用大流量液压动力基金项 目： 国家 自然 科学 基 金 (50575156)；山 西省 自然科 学 基金(2008012005-1)收稿日期：2011-08-23 修改稿收到日期：2012-02-08第-作者 许小庆 男 ，副教授，1964年生通讯作者 权 龙 男 ，教授，1959年生源，这样虽然可减少系统中各执行器对系统压力的扰动，但同时使系统的能量效率下降；② 利用蓄能器可在-定程度上消除由于油源供油能力不足所产生的液压冲击。对于抑制冲击的方法，研究人员进行了大量研究，文献[1]提出利用执行器的压力信号，通过在位置系统响应的不同阶段对伺服阀开口进行适当的修正，达到控制执行器流量的目的，既有效消除了这种冲击，还保证了能源效率以及伺服系统的响应速度。文献[3]的研究结果表明，利用抛物线变化型电流控制伺服阀，可有效降低换向过程(动态过程)中的压力冲击。

文献[4-5]研究了采用蓄能器抑制系统冲击的多种方法及特点。还有-些相关的研究成果 J，不--赘述。

本文提出-种新的抑制液压伺服系统中由于液压源供油能力不足而产生液压冲击的方法，利用执行器的速度信号，动态计算出所需要的流量，据此对伺服阀进行相应调整，达到抑制冲击的目的。

108 振 动 与 冲 击 2013年第 32卷1 电液位置伺服系统的液压冲击 2 冲击抑制原理闭环电液位置伺服系统在起动过程中很容易产生液压冲击，这种冲击在系统的阶跃响应过程中液压源压力和管路振动加速度的变化曲线表现明显，图 1显示的是-个液压位置伺服系统起动时的油源压力及管路中-处的振动加速度变化曲线，其中系统油源由定量泵与溢流阀组成∩以看出，液压缸活塞杆伸出过程中，油源压力Ps从调定的 10 MPa瞬间下降到 1 MPa以下，持续时间长达 0.4 S左右，活塞杆伸出时最大瞬间冲击加速度达到 2.23 g，出现明显的液压冲击现象。

收回时活塞面积小，液压源供油能力相对充足，压力有小幅下降，约 10% -15%，对系统影响较校图1 油源压力 和管路加速度 n的冲击Fig.1 Impact of supply pressure P and pipe acceleration 0图2是对应位置系统的负载速度、位置响应曲线。

因速度传感器输出信号无方向，活塞杆收回运动时，实际测量到得速度信号始终为正。从图2可以看出，动态过程 中活塞杆伸出运动速度过大，几乎达到 0.8m/s，而试验系统中的液压泵所能提供的流量理论上只能维持执行器约0.33 m/s的运动速度，执行器瞬间所需要的流量过大，这是产生液压冲击的根本原因；活塞杆收回时液压源流量可以满足要求，速度没有出现明显波动现象，位置响应时间大约为0.43 s。

0·80 3- 2圭.7. 1.2图2 位置伺服系统的负载位置 和速度 响应曲线Fig.2 Response of seFvo systems load position and velocity口仿真和试验表明，在液压缸活塞杆伸出运动过程中，产生液压冲击和速度波动。这种冲击有损于系统中液压元件的寿命，更严重的是会对处在同-液压源下的其他执行器产生干扰 J。

为抑制由于执行器瞬间要求流量过大所造成的液压冲击，可以采用流量/位置控制策略。在流量控制过程中，如果液压源只为单个执行器供油，则只要控制执行器流量小于液压源的实际供油流量时即可抑制冲击，否则需要保证任意时刻各个执行器的流量之和不超过液压源的实际供油流量，方可达到抑制冲击的目的∝制过程中，执行器流量 g 可以通过伺服阀的阀口节流公式进行计算和修正 ，本文提出利用液压执行器的速度信号对执行器流量 g 进行估算，然后通过伺服阀调整负载流量，达到抑制冲击的 目的，较文献[1]所提的方法更加简单。

2.1 流量计算原理根据流量连续原理，液压缸高压腔A所需要的流量g4可按下式计算 J：A 鲁 P8) dpA(1)其中：A。为执行器A腔面积； 。为执行器运动位移； 为执行器A腔体积；p 、P 为执行器 、B腔压力；c。、c 为执行器外泄、内泄系数；卢 为液体体积弹性模量。

通常情况下，泄漏可被忽略，式(1)变为：.d P dp4 ， 、qa z J利用式(2)即可计算计算流量 g ，dx。/dt可通过速度传感器得到，dp 可通过压力传感器得到， 可通过位移传感器间接计算得到，4 为常数。式(2)中 应该包括管路的体积，因此式(2)考虑到了管路中液体的压缩性。式(2)中第-项是执行器速度产生的流量，即：g Adxp(3)2.2 冲击抑制原理通过电液伺服阀的流量为：广- gL CdWu / △p (4)其中： 为放大器输入电压到阀芯位移的增益；C 为伺服阀节流口节流系数； 为伺服阀节流口面积梯度；u为放大器输入电压；△p 为伺服阀开口处压降；p为液体密度。

当电液位置系统起动或改变工作点，负载的位置发生变化时，闭环位置系统在调整的早期阶段，液压执行器位置误差大，放大器输入信号u 幅值很高，使得流量 q 很大，-旦出现 q 大于油源供油流量 Q ，必将导致油源压力p 压力急剧下降并快速回升，出现压力大幅波动现象，产生液压冲击。为解决这-问题，可以将电液位置伺服系统分为流量控制和位置控制两个过程，流量控制过程中的反馈流量利用式(4)得到。本幽[蓬融 。

2 0 8 6 4 2 O 2 4 6 8 日 《 R氆髓辱5 4 3 2 0 O 0 O O 0 暑 漤晕第 2期 许小庆等：利用速度控制抑制电液位置伺服系统冲击的方法文提出利用式(2)估计负载流量，实现对液压冲击的抑制作用。

根据前面的分析，为防止位置伺服系统起动过程中出现液压冲击，需保证：q

2.3 控制系统结构为满足式(6)，将控制过程分为流量控制与位置控制两个阶段。流量控制阶段可保证不出现液压冲击，并使执行器以液压源所能提供的最大运动速度运动，提高系统响应能力；位置控制阶段可保证伺服系统对负载位置的精确控制。图3显示的是这-控制过程的原理，图中 根据式(6)确定。

图3 具有抑制冲击能力的伺服系统Fig.3 The servo system with ability to restrain impact2.4 速度控制回路的起停位置系统产生冲击的直接原因是位置误差 l较大时，伺服阀阀芯开口过大，导致液压源供油不足，为抑制冲击，根据 l的大续行速度/位置控制切换，参看图3，设负载距目标位置的距离 l。为速度/位置控制回路切换点，则： l> l。时，采用速度控制，e ≤l e f。时，采用位置控制， l。与电液位置伺服系统的动态特性有关，为简化控制算法，可以对 J▲行简单估算：系统从速度控制切换到位置控制后，开始进入位置调整过程 ，直到进入稳态后位置误差为0，执行器速度降为0，理论上 J。应该等于此过程中执行器所产生的位移，实际情况下，可以根据单独位置控制过程中伺服系统从最大速度下降为0(或从0上升到最大速度)所产生的行程进行估计。

例如，液压伺服系统的速度上升时间为 t 0.05～ 0.15 S，系统最大流量为 Q 40 L/min，液压执行器是无杆腔直径为D ：50 iTlm的液压缸，则可取 J。

Q t /( /4)- (17.0～51.0)B1TI。为达到最佳控制效果，应用过程中应对 I▲-步进行调整。

3 仿真及试验研究仿真系统按照图 3原理建立，所采用的仿真软件为 MATLAB/simulink，为了获得可靠的仿真效果，建立模型时必须考虑管路体积变化、液体弹性模量变化、摩擦力等因素，建模重点是伺服阀-液压缸动力机构的模型，如图4所示。

图4 抑制冲击仿真系统Fig.4 The simulation system for restraining impact试验系统采用-个阀控缸电液位置伺服系统，如图5所示，利用 DSpace RTC实现控制策略，将 Simulink中所建立仿真模型中的控制部分直接下载到 DSpace中，即可进行仿真与试验比较。

所研究的位置系统的主要参数为：液压源压力 9.6MPa；泵输出流量 40 L/min；液压缸直径、活塞杆直径、行程分别为50 miD、36 mil、0.4 Il；负载质量260 kg；位置系统控制液压缸从 0 Il移动到0.24 Il。从图 1和图2可以看出，仿真结果与试验结果较-致 ，因此所建立的模型是可信的。

图5 抑制冲击试验系统Fig.5 The experiment system for restraining impact图6显示的是本文所提冲击抑制方法所达到的效果，根据式(6)，取最大允许速度 0.33 m/s。根据图2，系统的速度上升时问在 0.04 S左右，因此取l。13 mil。图6(a)显示当 l。10 Ilil时取得了较好的抑制效果，试验中由于速度传感器受到环境的干扰，试验压力响应曲线有轻微抖动；图6(b)显示当 J。20 IBm时冲击基本被抑制，但由于过早进人l10 振 动 与 冲 击 2013年第32卷位置控制阶段，仍出现轻微冲击，这说明 J。对能否有效抑制冲击有重要影响。

图6 速度控制对压力冲击的抑制效果The efects of restraining impact with load velocity control图7显示了当 0.33 m/s、f e 010 film时，负载运动速度和位置的响应曲线，可以看出，仿真曲线与试验曲线基本重合，负载运动速度基本被控制在v以下，且没有出现大幅抖动现象，这反映出利用所提方法取得了很好的抑制效果；从位移响应曲线计算，位移响应时间为0.51 s，比没有抑制冲击前延长大约0.08 S。

(1)电液位置伺服系统在启动或换向时，-旦能源供油能力不足，将出现液压冲击现象，给系统造成极为不利的影响。

(2)将位置控制分解为速度控制和位置控制两个阶段，可有效抑制能源不足造成的液压冲击，另-方面，从仿真和实验结果分析，所提方法造成系统位置响应出现少量延迟。

(3)所提方法需要确定的关键参数包括执行器最大运动速度和速度控制回路的起拓制点。