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1、液压缸同步技术进展与发展趋势 随着液压技术在工程领域中的应用日 益扩大，大型设备负载能力增加或因布局的关系 需要多个执行元件同时驱动一个工作部件，同步 运动就显得更为突出。同其它方式相比，液压同 步驱动具有结构简单、组成方便、易于实现自动 控制和适宜大功率的场合等特点。 控制系统的分类与特点比较 1)按输出量是否进行反馈测量分类 2)按实现的控制任务不同分类 3)按液压执行元件不同分类 4)按液压执行元件的数量分类 5)按液压同步控制元件不同分 6)按控制方式分类 1)按输出量是否进行反馈测量分类 液压同步控制系统按输出量是否进行反馈测量可以分为开环液压同步控制系统和闭环液压同步控制 系统 1
2、.开环控制及其特点 11 机械刚性连接实现同步 将两个执行液压缸用机械杠杆刚性连接实现位移的同步，如图1所示。该回路简单，不需要其他元 件但同步精度低，运动平稳性差。用于各执行件负载差别小，对同步精度要求低的场合。 12串联液压缸实现同步 如图2所示，液压缸I与液压缸在油路上串联液压缸I有杆腔的排油进入液压缸的无杆腔 液压缸I有杆腔A的有效面积与液压缸无杆腔B的有效面积相等。从理论上讲，液压缸I与液压 缸可实现向下的同步运动。但在实际情况下，由于存在负载分配不均衡、两液压缸制造上的 误差及液压油的泄漏等原因均会造成它们在运动中的不同步现象。为防止不同步误差累加， 常采用补油的方法使这种误差一旦
3、出现即刻消除。如图3所示即为常见的带补偿措施的串联液 压缸同步回路。若缸I的活塞先运动到底，它触动行程开关a使阀5通电，压力油便经阀5和液控 单向阀3向缸的B腔补油，推动活塞继续运动到底，误差即被消除；若缸先到底，则触动行 程开关b使阀4通电控制压力油使液控单向阀反向通道打开。使缸I的A腔通过液控单向阀回油 ，其活塞即可继续运动到底。 13采用流量阀实现同步 如图4所示，图4a中在两个液压缸的油路上采用相同型号的单向节流阀可实现活塞及活塞杆向下同 步运动，适用于负载稳定、流量小的简单回路中效率较低，同步精度一般低于510【”。图 4b中由调速阀和四个单向阀组成桥式整流回路可实现双向同步，该回路
4、适用于同步要求较高，且速 度不受负载影响，流量不是很大的回路中，同步精度一般低于4。51“。图4c中为采用分流集流 阀的同步回路。用分流集流阀可使两负载不同的液压缸同步。在分流集流阀中，经过的流量Q与压降 之间的关系为Q-H(p)05，可知压降p与流量Q的平方成正比，故该回路流量使用范围较窄，不 适用于低压，同步精度为35。 2. 闭环控制同步系统 当采用液压同步闭环控制系统时可对执行件的输出进行检测、反馈，并 与输入信号进行比较，从而构成负反馈闭环控制。尽管该系统组成复杂，成本高 ，但能消除和抑制开环控制系统中诸多不利因素的影响。 21 分类 (1)按实现的任务(或控制输出)的不同。液压同步
5、闭环控制可分为力同步闭环控 制、速度同步闭环控制和位置同步闭环控制。 (2)按被控执行元件的数量不同，液压同步闭环控制又有双执行元件和多执行元件 同步闭环控制。 (3)按被控执行元件的类型与结构、安装形式与运动方向的不同。液压同步闭环控 制分为液压缸同步闭环控制和液压马达同步闭环控制。 22控制原理与方法 闭环控制的基本原理是利用反馈检测元件对控制系统的输出信号与输入信号进行比较， 并使其减小。其控制原理如图5所示。 然而液压同步闭环控制的目的是使多个执行元件与负载的输出量达到高精度的同步， 对于液压同步闭环控制来说。“同等方式”和“主从方式”是通常采用的两种控制策 略。“同等方式”指多个需同
6、步控制的执行元件跟踪设定的理想输出而分别受到控制并 达到同步驱动。“主从方式”是指多个需同步控制的执行元件以其中一个的输出为理想 输出。而其余的执行元件均受到控制来跟踪这一选定的理想输出并达到同步驱动。依上 述控制原理和控制策略可有如下几种控制方法。 (1)单反馈单校正同步控制。如图6所示，对两个执行元件分别进行单个的反馈控制，从 而使执行元件的输出均跟踪设定的理想输出达到同步。 (2)共反馈共校正同步控制。如图7所示。当两个执行元件与负载固接后，用一套反馈检 测元件测量负载的实际运动状态，并对两个执行元件同时实施反馈控制以跟踪设定的 理想输出达到同步。 (3)共反馈同步误差校正同步控制。如图
7、8所示，它作为跟踪目标，通过反馈控制使跟踪误差 最小，且利用以单支路最佳跟踪控制为基础，以被同步驱动件的输出输出同步误差对两执行 元件分别进行同步补偿控制。 2)按实现的控制任务不同分类 液压同步控制系统按实现的控制任务不同可以分为力液压同步控制系统、速度液压同步控 制系统和位置液压同步控制系统。 3)按液压执行元件不同分类液压同步控 制系统按液压执行元件的类型不同可以分为液压缸同步控制系统和液压马达同步控制 系统；按液压执行元件的安装形式与运动方向不同可以分为卧式液压同步控制系统和立式液压 同步控制系统；按液压缸的形式不同可以分为双作用液压缸同步控制系统与单作用液压缸同步 控制系统 4)按液
8、压执行元件的数量分类液压同步 控制系统按执行元件的数量可以分为双执行机构液压同步控制系统和多执行机构液压 同步控制系统 5)按液压同步控制元件不同分液压同步 控制系统按液压控制元件不同可以分为机械伺服(比例)阀控制液压同步控制系统、电 液伺服(比例)阀控制液压同步控制系统、数字阀控制液压同步控制系统、伺服(比例)变量泵液压 同步控制系统 6)按控制方式分类液压同步控制系统按 液压控制元件不同可分流量控制液压同步控制系统、容积控制液压同步控制系统、伺 服(比例)控制液压同步控制系统 21开环控制与闭环控制比较 开环控制的液压同步驱动，完全靠液压控制元件(如同步阀、各类节流阀或 调速阀)本身的精度
9、来控制执行元件的同步，而不对执行元件的输出进行检测与反馈 来构成闭环控制，所以它不能消除或抑制对高精度同步的不利因素的影响，这也就大 大限制了此种控制方式的实际应用范围，但是开环控制系统结构简单、成本低，所以 应用在对同步精度要求不高的场合与此相比，尽管液压同步闭环控制组成较复杂、 造价偏高，但由于它对输出量进行检测、反馈，从而构成反馈闭环控制，在很大程度 上消除或抑制不利因素的影响，可获得高精度同步驱动，所以液压同步闭环控制已经 越来越得到人们的重视 2控制形式的特点比较及适用场合 22开关、模拟、数字控制的比较 开关控制采用开关阀控制液压同步，控制系统一般工作在开环状态对于流量同 步控制，
10、控制执行机构的流量一致相当困难，特别是多执行机构相同就更困难对于容积同 步控制一般也只能消除执行机构行程端点的误差，执行机构运行中的同步较难实现开关型 液压控制阀应用于同步要求不高的场合 模拟控制采用伺服(比例)阀控制液压同步，控制系统一般工作在闭环状态伺服阀 的精度高、响应快，由它组成的液压同步闭环控制系统不仅具有较高的响应速度，而且同步 控制精度高然而，因为此种阀结构复杂，造价高且抗污染能力差，所以由伺服阀组成的液 压同步闭环控制一般适用于高同步精度要求的各类主机 数字阀是一种机电液一体化控制元件它的最大特点就是能适应计算机控制的需 要，直接用数字量来实现控制另外该阀也具有较强的抗污染能力
11、因此，由其组成的液压 同步闭环控制系统控制方便、可靠性高、重复精度高、结构简单，且易于实现计算机控制 23卧式系统与立式系统比较 卧式液压同步控制系统中的液压缸水平安装且活塞杆或缸水平方向运动，因此不存在重 力负载的作用，也不会因两个方向上的动力学性能的不一致而使同步控制精度发生变化 相比之下，立式液压缸同步控制就存在因液压缸竖直安装导致的重力负载的作用，且 会引起油缸在两个运动方向上的动态性能的不一致，正反两个方向上的动态性能的不一 致，给正反两个运动的高精度同步控制带来困难这种重力负载的“干扰”现象，对大 负荷的同步提升或下降的影响是尤其严重的 24单作用缸、双作用缸系统的比较 单作用缸(
12、或非对称缸)是单杆输出的液压缸，其进、回油腔承压面积不相等它的主要 优点是构造简单，制造容易，单边滑动密封的效率及可靠性高，工作空间小；双作用缸 (或对称缸)是双杆双向输出的液压缸，其进回油腔承压面积相等，但其构造较复杂，滑 动磨擦阻力较大，需要的运行空间也大因此单作用液压缸的液压同步闭环控制正、反 的同步控制性能就存在很大的差异，这就给分析带来了麻烦相反，双作用液压缸的液 压同步闭环控制就不存在这一同步控制性能上的差异 3液压同步控制策略及发展 对于液压闭环同步控制，“同等方式”和“主从方式”通常采用两种 控制策略“同等方式”是指多个需同步的执行元件跟踪设定的理想输出，分别 受到控制而达到同
13、步驱动的目的；“主从方式”是指多个需同步控制的执行元件 以其中的一个的输出为理想输出，而其余的执行元件均受到控制来跟踪这一选定 的理想输出并达到同步驱动两者相比，为获得高精度的同步输出，按“同等方 式”工作的液压同步闭环控制系统中的各执行元件、反馈、检测元件及控制元件 等的性能间应具有严格的匹配关系，这显然给工程实现增加了难度 20世纪70年代以来，鲁棒控制理论和智能控制理论的丰富以及在工业控制中获得 的成功，极大地鼓舞和激发了人们运用这些新理论成果于各类工业实际的热情对于 液压同步闭环控制的应用也不例外，为了更好地解决高精度驱动问题，采用自适应控 制理论和智能控制理论来设计控制策略和各式各样
14、的控制器，如PI控制与PID优化调解 器、模型跟随自适应(AMFC)控制器、参考模型自适应(MRAC)控制器、自适应学习器、 模糊 学习控制器和基于逆转传递函数矩阵辨识的控制器2J这些新理论的采用及新型控制 器的实际应用，使得液压同步闭环控制的性能有了很大程度的改善与提高，有的已取 得了明显的工业应用效果应用近代控制理论对控制策略提出的要求为：应尽量满 足系统的静、动态精度的要求，严格优化设计使系统做到快速而无超调；对时变、 外负载干扰和交联耦合以及非线性因素引起的不定性，控制系统应呈现较强的鲁棒性 ；控制策略应具有较强的智能；控制律控制算法应力求简单可行，实时性强； 系统应有较高的效率开展这方面的研究，寻求工程实用的设计，对推广近代液压控 制在液压同步控制系统中的应用将有重要的意义 目前，最有应用发展前景的是神经网络自 适应同步控制算法和神经网络相关学习同步控制算 法4】神经网络具有快速逼近非线性多输入多输 出复杂系统模型的机理，达到对参数随环境及工况 变化的系统进行控制的目标；而相关学习算法具有 极强的抗干扰能力，可以从随机干扰、噪声信号中 提取出被测参数，使系统具备环境适应能力 4应用举例 参考文献
