驱动机械多缸液压系统协同控制方法设计.pdf

液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.02.012驱动机械多缸液压系统协同控制方法设计王和欣 于鑫丽,魏枫，周传青,徐鲁波1（1.泰山科学技术研究院，山东泰安2 7 10 0 0；2.泰安市泰山创新谷科技运营管理有限公司，山东泰安2 7 10 0 0；3.泰安佳成机电科技有限公司，山东泰安2 7 10 0 0）摘要：针对驱动机械的多缸液压系统，为实现各个液压缸之间的协同运动控制，提出一种基于前馈控制器的自动协同控制方法。首先分析多缸液压系统，确定每个液压缸的动态控制方程，然后将协同控制分为前馈控制器和自适应PID控制器两部分。其中，前馈控制器通过分析系统的反馈信息，预测可能存在的液压缸运动误差，并设计前期处理措施；自适应PID控制器结合自适应技术和PID控制器优点，自动识别各液压缸的实时负载情况，按需调节液压缸的输出流量，从而实现自动调整与协同控制。测试结果表明：该方法有效降低了各液压缸间的同步误差，可将误差控制在合理范围内，确保液压系统始终处于平稳的运行状态，不会出现较大的波动。关键词：多缸液压系统；协同控制；前馈控制器；自适应比例-积分-微分控制器；反馈信息中图分类号：TH137;TP131文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 2-0 0 6 2-0 5Design of Cooperative Control Method for Multi-cylinder HydraulicSystem of Driving MachineryWANG He-xin,YU Xin-li,WEI Feng,ZHOU Chuan-qing,XU Lu-bo(1.Tai Shan Institute of Science and Technology,Taian 271000,China;2.Taian Taishan Innovation Valley Technology Operation Management Co.,Ltd.,Taian 271000,China;3.Taian Jiacheng Electromechanical Technology Ltd.,Taian 271000,China)Abstract:For the multi-cylinder hydraulic system of driving machinery,an automatic cooperative control method based on feed-forwardcontroller is proposed to realize the synchronous movement of each hydraulic cylinder.First,analyze the results of multi-cylinder hydraulicsystem and determine the dynamic control equation of each hydraulic cylinder.Then,the cooperative control is divided into two parts:feedforward controller and adaptive PID controller.Among them,the feedforward controller predicts the possible motion error of the hydrauliccylinder by analyzing the feedback information of the system,and designs the pre-processing measures.The adaptive PID controller combinesthe advantages of adaptive technology and PID controller to automatically identify the real-time load of each hydraulic cylinder and adjust theoutput flow of the hydraulic cylinder as required,thus realizing automatic adjustment and control.The test results show that the method caneffectively reduce the synchronization error between the hydraulic cylinders,control the error within a reasonable range,and ensure that thehydraulic system is always in a stable operation state without large fluctuations.Key words:multi-cylinder hydraulic system;collaborative control;feedforward controller;adaptive PID controller;feedback information0引言对于规模较大的驱动机械设备来说，在执行指令比较复杂的驱动任务时，往往需要两个或者两个以上收稿日期：2 0 2 3-0 3-16基金项目：山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目(2022TSGC1278)作者简介：王和欣（19 7 5-），男,山东泰安人，助理研究员，学士，研究方向：机械设计。62文献标志码：A的液压系统同时工作。因此,多缸液压系统的协同控制就显得尤为关键，其也是确保驱动机械能安全运行的关键。通常情况下，多缸液压系统中的控制元件并不敏感，也非完全自动化的。要实现每个液压缸之间的同步控制较为困难，往往就会出现较大的同步误差，相关学者在这一领域的研究一直是一个热点。魏列江等 将工业控制计算机作为上位机、将西门子PLC作为下位机,通过二者的协调控制作用,设计了一种多缸液压同步控制系统。该系统首先利用位移传感器与倾角传感器调整系统参数，然后利用PID算(1)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024法调整对称比例阀阀口的张开角度，使进入到每个液体提供液压动力 3 ；换向阀用于控制液压缸的上升和压缸的流量达到同步顶升的要求。陶翠霞等 2 以饱和下降；双向节流阀与比例节流阀主要用于控制液压缸函数控制律为依据,设计了一种相邻交叉耦合控制器。的流量，二者作用于不同的液压缸,同时对2 个液压缸然后建立四缸液压机动力学模型，并利用饱和函数对的位移差进行控制。滑膜控制的振动幅度进行控制，降低滑膜层与滑膜面当前的液压系统协同控制方法中，多缸液压系统之间的切换惯性,进而降低四缸液压机的抖振幅度,实动态控制方程 4 为：现多缸液压机的同步控制。然而，上述较为流行的方法实现过程较为复杂，尤其是在系统负载不平衡的状态下，这两种方法会使多缸液压系统出现更大的同步误差。为此,针对驱动机械多缸液压系统，提出一种基于前馈控制器的协同控制方法。在确定多缸液压系统的动态控制方程后，利用前馈控制器和自适应PID控制器,实现从前期预测到后期的精准控制。在实验测试中,应用该方法进行协同控制后，液压系统活塞杆不会出现较大的波动，始终处于平稳的运行状态下。同时，该方法对多个液压缸之间的同步误差控制，均可保持误差在所允许的范围内，说明该方法对多缸液压系统协同控制是可行且有效的。1驱动机械多缸液压系统协同控制方法1.1控制误差问题的提出多缸液压系统协同控制方法中，多是利用了位移传感器、流量控制器和电磁换向阀，凭借位移传感器实现对多缸液压系统的同步控制，本研究以含有2 个液压缸的驱动机械液压系统为例，图1为液压系统原理图。71.油箱2.电机3.液压泵4.溢流阀5.比例节流阀6.换向阀7.流量计8.双向节流阀图1液压系统协同控制方法在图1所示的液压系统中，由电机泵组为机械整M;式中，i=1,21号液压缸和2 号液压缸液压缸运行状态下活塞杆产生的位移,mP1,P2无杆腔与有杆腔 5 空间中的油压,PaA1,A一无杆腔与有杆腔的面积,mu;一比例节流阀对从液压缸的控制输人，V（）一一活塞杆运行过程中产生的摩擦力大小，Nx一一多缸液压系统的运行速度M，一一活塞杆与负载折合的重量总和,kgg活塞杆的位移系数。相关参数的计算方式如下：Pi=(h.X2P2=2/2sign(ui)(u,-uo)hl=4A,x /sign(u,)(2p,-P,-Po)8/2sign(u,)(uv-u,)h2一（4A,(l-x2)/sign(uz)(2p2-p,-po)65A(2)X(3)(4)(5)式中，一液压油在单位体积下的弹性模量,N/muv,uo比例节流阀进口和出口的控制函数 6 1 一一液压缸的位移,mPs,Po供油压力与回油压力,Pah一油压系数但是，从液压缸随着主液压缸的流量变化而发生改变的过程并不是完全同步的，这就会产生明显的控制误差，产生协同控制误差较大的问题。1.2协同控制方法设计协同控制方法设计的流程如图2 所示。63统的负载变化情况，进而实现自动调整和控制。同时，该控制器不受多缸液压系统参数 10 变化的影响,可以x(t)液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期X前馈控制器前馈控制器U2i自适应PID控制器i1号液压缸图2 协同控制方法设计的流程图1）前馈控制器前馈控制器 7 是在对多缸液压系统进行同步控制之前,通过对液压系统反馈信息的分析处理,得到一些对未来规律的预测，从而制定更加适合的解决方案和前期处理措施。在本方法中，利用前馈控制器对将要出现的多缸液压系统可能出现的同步误差进行预测，帮助后续实现精准的同步控制。首先,在多缸液压系统中，建立一个符合实际的前馈控制器。假设进口处的流量为Q1，出口处的流量为Q2，计算流量与油液压力间的关系如下：Q1=A,xi=suv/PiQ2=A2xi2=uo/P2式中,，s液压缸的行程,mm进一步分析,根据式(1)可以得到预测同步误差：ku=M(x,+g)+f(x,)-A,(x)(7)式中，M（x;+g）一一压力关系函数f(x,)一估计变量A（）一一可能产生的过误差假设比例节流阀流量进出口控制函数满足uo=kuui条件。那么,就可以得到前馈控制器对多缸液压系统估计的可能误差控制量 9 为：ua=/RLAPm-1)-M(i+)2）自适应PID控制器设计将自适应技术与PID控制器结合在一起,形成自适应PID控制器。该控制器综合了自适应技术和 PID控制器的优点，可以实现在协同控制过程中，自动识别多缸液压系统的过程参数，通过分析参数得到液压系64在液压缸受到不平衡力扰动时，迅速作出反馈响应，同时恢复同步控制性能，具有实现简单、可靠性高以及鲁棒性高等诸多优点。自适应PID控制器对多缸液压系统实现协同的流程框图如图3 所示。e(t)2号液压缸KK行程反馈传感器+X2+多缸液压系统图3 自适应PID控制器协同控制流程框图自适应PID控制器是在实际输人值x(t)与输出值(t)之间形成控制偏差 ,如式(9)所示：e(t)=x(t)-y(t)式中，e(t）一一PID控制器的输入偏差将P,I,D分别作为控制偏差的比例、积分和微分 12 ，用于控制多缸液压系统,该过程的表达式为：u(t)=Kpe(t)+K,/e(t)dt+Kpde(t)/dt(10)(6)式中，u(t）一自适应PID控制器的输出偏差KpKr,K比例P、积分I和微分D的系数值()也可通过式(11)的方式表示 13 ：u(t)=Ke(t)+Je(t)d+dt自适应PID控制器是将多缸液压系统之间的偏差作为输人项,利用PID控制的修正参数功能对上文估计的偏差进行自动调整和修正。假设自适应PID控制器输入信息为前馈控制器估k(A,x+Ax2)计误差ui、输出信息为y（u t）i,C2,c，均为协同控制(8)过程中的状态参量，由此可以得到自适应PID控制器的输出函数如下：y(ui)=u(h-1)+KEw(h)c(h)式中，w;一反馈传感器的输出信息K-比例系数 14 KPut)T,de(t)(11)3(12)i=1(9)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.2.2024将性能指标函数代人到自适应PID控制器中,通成特别突出的影响。过自动修改权重系数 15 ，自动识别各液压缸的实时负接下来，利用本方法对不同负载下的双缸液压系载情况，按需调节液压缸的输出流量，从而确保多个液统进行协同控制，验证本方法是否具有优秀的同步反压缸之间的输出同步误差最小，实现对多缸液压系统馈效果。将1,2 号液压缸的负载分别设定为0 kg和的协同控制。100kg，图6 为2 个液压缸的运动误差曲线和同步误差曲线。2实验测试与分析20一一1号液压缸为了验证所提方法在实际应用中是否可以对多缸15一2号液压缸液压系统完成精准且高效的协同控制，展开如下测试，10现场如图4 所示。5uu/lv-5-10-15-2000.20.40.60.81.01.21.4 1.61.82.0图6 双缸液压系统的运动误差曲线和同步误差曲线从图6 中可以看出，1号液压缸没有负载，在平稳地运行，但经本方法协同控制，出现了少许的同步误差；2 号液压缸由于在较大负载下运行，运动误差曲线图4 试验现场图起伏较大，超过了2 0 mm。但是1号液压缸与2 号液压实验选取的为双缸液压系统各项参数为：活塞杆缸之间的同步误差曲线始终保持在15 mm以内,这是质量为15 kg;有效面积为3.8 8 10-4 m；比例系数为满足多缸液压系统设计要求的。由此得出结论，本方0.38；液压缸的最大行程为5 0 0 mm；多缸液压系统可法在多缸液压系统协同控制方面具有一定的可行性，承受的最大负载为15 0 kg；最大静摩擦力为4 6 8 N；多可使多个液压缸之间保持较小的同步误差。缸液压系统的最大加速度和速度分别为13 5 mm/s-,最后,将本方法与引言中提到的多缸液压同步控120 mm/s。制系统和饱和函数控制律展开性能对比，并将实验结首先,验证本方法对多缸液压系统位移随时间变果与实际运行结果进行对比,结果如图7 所示。化的影响，结果如图5 所示。通过观察图7 两幅对比图可以看出，在训练实600验中，本方法控制的同步误差为0.2 mm左右，多缸500液压同步控制系统为0.5 8 mm左右，饱和函数控制400律为0.6 2 mm左右；在测试实验下,本方法控制的同步误差为0.2 2 mm左右，多缸液压同步控制系统wu/l3002001000图5 方法控制下多缸液压系统位移随时间变化曲线通过观察图5 可知，利用本方法对多缸液压系统进行协同控制后，液压缸活塞杆位移曲线展现出了良好的平滑性。这说明本方法在进行协同控制时，可保证多缸液压系统始终处于平稳的运行状态下，不会造一1号液压缸与2 号液压缸同步误差曲线t/s为0.5 mm左右,饱和函数控制律为0.7 mm左右。同时还可看出，本方法的同步误差控制曲线较其他两种方法相比更为平缓。因此可以得出结论，本方法在对0.51.01.52.02.53.03.5t/s.多缸液压系统进行协同控制时，有着更优秀的同步驱动性能。产生上述结果的原因在于本方法首先运用了前馈控制器,然后再结合自适应 PID控制器,前期对将要出现的误差进行预测,采取一定的措施控制了误差,再利用自适应PID控制器对多个液压缸进行同步控制，因此取得了精准且平稳的同步误差控制效果。65液压气动与密封/2 0 2 4 年第2 期0.80.60.4F0.20-0.2-0.40(a）双缸液压系统同步误差控制训练结果0.80.60.4wu/lv0.20-0.2一一饱和函数控制律-0.4工00.51.01.5 2.0t/s(b）双缸液压系统同步误差控制测试结果图7双缸液压系统同步误差控制结果对比3结论本研究针对驱动机械多缸液压系统协同控制方法展开设计。首先，通过对多缸液压系统架构进行分析后,构建多个液压缸之间的动态控制方程；然后，利用前馈控制器对将要出现的同步误差进行预测，采取相应的措施减少或消除误差，结合自适应PID控制器,控制多个液压缸之间的输出同步误差最小，达到多缸液压系统协同控制的目的。将本方法与其他方法展开对比实验，发现本方法同步误差控制实验结果与实际运行结果之间的差值最小，说明其在多缸液压系统协同控制方面具有较高的精度。不仅如此,应用本方法可使液压系统活塞杆始终保持在平稳的运行状态下，不会对驱动机械的正常运行产生影响。参考文献1魏列江，顾青青，辛钰林，等.顶模体系中多缸同步顶升液压控制系统设计 J.机床与液压,2 0 2 1,4 9（11):6 5-6 9.引用本文：王和欣，于鑫丽，魏枫，等.驱动机械多缸液压系统协同控制方法设计 J.液压气动与密封，2 0 2 4，4 4（2）：6 2-6 6.WANG Hexin,YU Xinli,WEI Feng,et al.Design of Cooperative Control Method for Multi-cylinder Hydraulic System of Driving MachineryJ.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(2):62-66.662陶翠霞，赵鹏，孙波.多缸液压机的滑模变结构智能同步控制 J.锻压技术,2 0 2 1,4 6(6)：14 2-14 9.3 张超勇，张思涵，胡忠全，等.基于均值耦合的多液压缸位置同步控制 J.液压与气动,2 0 2 1(2）：5 0-5 5.4邓熠，唐兵，陈君辉，等.多轴液压系统同步控制关键技术本方法研究 J.机械设计与制造,2 0 2 2(7）：17 3-17 8,18 2.多缸液压同步控制系统5 汪志能,刘衡,董楚峰.多缸驱动液压机主动纠偏系统的一饱和函数控制律上0.51.01.52.02.53.03.5t/s本方法多缸液压同步控制系统2.53.03.5模糊PID控制 J.锻压技术,2 0 2 2,4 7（3）：13 7-14 1.6赵旭昌，刘海阳，刘佑民，等.并联双电动缸同步控制策略研究及实现方法 J.导弹与航天运载技术,2 0 2 2（3）：119-122,128.7郑景鸿，李官平，张宏.10 0 0 t惯性摩擦焊液压多缸同步控制策略研究 J.液压与气动,2 0 2 2,4 6（12）：9 1-10 0.8胡知，谢志江，李昌骏，等.基于扰动观测器的液压余直驱平台同步控制J.组合机床与自动化加工技术，2021(1):118-121.9贾文昂，李展尚，陈统中，等.疲劳试验机举升架双缸同步控制研究J.浙江工业大学学报，2 0 2 2，5 0（5）：5 5 9-567.10唐晓刚,杨广雨，余昊元，等.面向机械臂的永磁同步电机RBF网络磁场矢量控制系统 J.北京理工大学学报,2022,42(10):1089-1096.11王云飞，赵继云，满家祥，等.基于干扰观测器的状态受限多缸同步控制策略J.华南理工大学学报（自然科学版),2 0 2 2,5 0(2):9 3-10 1,13 6.12穆天驰，张东民，周伟民.基于模糊PID算法的同步柔性冲压装置控制系统研究 J.制造技术与机床,2 0 2 2（1)：9 4-97.13张康,王丽梅.考虑同步误差影响的直驱H型平台轮廓跟踪控制方法 J.电工技术学报，2 0 2 2,3 7（8）：19 8 2-19 9 0.14程思为,李兴洪，胡云飞，等.一种内嵌式永磁同步电机转子位置传感器偏置误差的在线辨识方法 J.海军工程大学学报,2 0 2 2,3 4(2):1-6.【15 刘芳华，张进金，项文彬，等.吊舱推进器安装平台的液压同步控制策略 J.船舶工程,2 0 2 1,4 3（5）：10 5-110.16刘厚林,毛艳虹,王勇,等.基于OpenFOAM的导叶式离心泵数值模拟研究 J.流体机械，2 0 2 2,5 0（1）：3 7-4 4.17赵倩,郭德鹏,陈建平，等.基于液压系统的风机叶片液压自调角系统 J.机电工程,2 0 2 3,4 0（1）：7 6-8 2.