东海科学技术学院机电系本科生毕业设计
第3章 液压驱动单元分析与设计
3.1 液压同步控制的精度
本设备采用同一泵站并联驱动两台液压缸。对于这类带有多个执行器，同时驱动同一负载运动的液压系统，由于负载不均匀、摩擦阻力不等、液压马达的制造质量以及结构变形上的差异，如果不采取适当的同步措施，这将导致升降台面两端行程出现误差，从而引起台面框架的倾斜、变形。因此，系统同步精度成为影响设备整体性能的一个重要因素。
实现液压同步驱动一般主要有开环控制和闭环控制两种基本形式。开环控制的液压同步回路主要有机械联结同步回路、节流阀同步回路、分流集流阀同步回路等，因为它完全靠液压控制元件(如同步阀、各类节流阀或调速阀)本身的精度来控制执行元件的同步驱动，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。在升降台中常用的是机械联结同步回路和分流集流阀同步回路:机械联结同步回路是用刚性梁、齿轮及齿条等机械零件，使两个液压执行器之间建立刚性的运动联系来实现位移同步。这种方式简单、可靠，同步精度取决于机构的刚性。分流集流阀同步回路是使用分流集流阀使两个液压缸在承受不同负载时仍能获得相等的流量而实现运动速度的同步，其液压系统简单经济，同步精度约为2~5%。但这两种同步回路都不适宜在本系统上采用，闭环控制的液压同步回路有电液伺服及同步和电液比例同步回路，与开环控制相比，尽管液压同步闭环控制组成较复杂、造价较高，但由于它靠的是对输出量进行检测、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，而可望获得高精度的同步驱动。所以液压同步闭环控制已经越来越得到人们的重视，特别是随着现代控制理论及计算机控制技术的发展，该种控制形式几乎在所有需要高精度液压同步驱动的各类主机上都得到了较好的应用。其中，电液比例阀是一种新型的电液控制元件，虽然它比电液伺服阀的频率响应低，但因其造价较低、抗污染能力高、性能良好，所以由它组成的同步闭环控制已大量用于系统频率响应适中而需要较高同步精度的主机上，具有良好的应用前景。
在本设备中，为了较好的解决同步问题，综合考虑了经济性与控制精度的因素，采用了电液比例同步闭环控制回路，其原理是通过改变进入其中一些或全部液压执行器的流量来达到同步的目的。本设备同步闭环控制采用“主从方式”(图3.1)，它是以其中一个执行器的
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图3.1 同步控制方块图
位置作参考，改变进入其它执行器的流量来达到位置跟随而同步。它本质上是个位置控制回路，其控制变量的信息来自对位置误差的检测。电液比例同步控制回路与其他同步控制回路相比具有较高的性能价格比，虽然比例阀的死区及流量非线性特性对控制特性有较大影响，但在控制算法上采取一定措施后，同样能达到很高的精度。
比例位置同步控制是建立在比例位置系统的基础上的。由于比例方向阀具有流量死区特性，而死区特性对电液比例位置控制系统有较大影响，故比例位置控制系统首先要解决阀的死区补偿问题。采用一种死区特性补偿算法，在不增加系统复杂程度及硬件成本下，用简单的算法可得到很好的补偿效果，还能提高系统的稳定性及抗干扰能力;另一方面，由于比例方向阀的流量非线性比较严重，在进行速度控制时必须采用变增益的算法。以下通过对比例阀控缸同步系统的动态分析，可得到比例同步控制回路得同步精度，该结论也适用于比例阀控马达同步系统。
对一般的电液比例阀控缸系统，对进行死区补偿、增益校正后，系统的传递函数可 简化如下(图3.2)
图3.2 比例阀控缸位置同步系统框图
图中: U1、U2为输入信号; X1、X2为阀芯位移; ?v1、?v2为比例方向阀等效时间常数;
Kq1、Kq2为阀的流量增益; Av1、AV2为平均活塞面积; Kx1、Kx2为系统增益; ?h1、?h2为液压固有频率；?h1、?h2为液压阻尼比;N, , N2为系统干扰信号; V12、V21为双缸之间的藕连环节;Y1 、Y2为系统输出。
对于工程实际中的普通双缸位置同步控制的结构进行分析可知，系统可分为串联型和并联型两种，其结构框图如图3.3, 3.4所示。图中略去了连接缸I、缸II的结构物造成的两缸间的藕连环节，E= Y1?Y2凡为同步误差，Gc(S)为同步控制器，在串联型系统中，U1=U，U2=Y1;在并联型系统中U1=U,U2=U+ E?Gc(S)
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图3.3 串联型双缸位置同步控制系统结构
图3.4 并联型双缸位置同步控制系统结构
图中其它各环节分别为：
G11(s)?KX1TV1?1?Kq1AV1
G12(s)?1?S2?2?h1S??S?1?2?h1??h1?Kx2TV2S?1?Kq2AV2
G21(s)?
G22(s)?1?S2?2?h2S???1?2?h2??h2?
由图可知双缸同步控制问题实质上是位置控制系统的跟踪问题，既不管液压缸I的位置不
Y1(t)为何种形式变化，要求液压缸Ⅱ的位置Y2(t)以极小的允许误差(同步误差)跟踪Y1(t)。
对于串联型比例位置同步控制系统，若不考虑干扰的影响，并令
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?G1?G11(s)?G12(s) ? （3-1）
G?G(s)?G(s)2122?2 可得
E(S)U(S)?G11?G1?G2GC?GGG12C （3-2）
由于系统的开环传递函数中己包含一个积分环节，因此Gc(S)中不能再包含积分环节，否则会导致系统不稳定。这样其稳态同步误差只对阶跃指令输入为零，对斜坡指令输入就产生静差。在动态同步误差方面，由于Y2(t)跟踪Y1(t)的延迟性，亦会产生较大动态同步误差。图3.5为同步误差e(t)对指令阶跃干扰u(t)的响应曲线。从图中可以看出，动态误差较大。因此，串联式结构的位置同步控制系统要达到较高的静、动态控制特性是较困难的。
图3.5 同步误差对指令阶跃干扰的响应曲线
对于并联型比例位置同步控制系统，若不考虑干扰的影响，则:
E(S)U(S)?G1?G21?G1?G2?G1G2?G2Gc?G1G2Gc （3-3）
对于电液比例位置同步控制，两液压缸各自的位置控制系统的偏差调节器不可能含有积分环节，因此以G1、G2中各自仅含有一个积分环节。在保证稳定的前提下，可使同步误差调节器Gc中包含一个积分环节。则由式(3-3)可知，上述并联型位置同步控制系统成为Ⅱ型系统，比图3-3所示结构(串联型)的同步控制系统高一阶静差度。
由式(3-3)可求得对于单位加速度函数输人信号同步静态误差ess为
ess?Kvs1?Kvs2Kvs1Kvs2Kp （3-4）
式中，Kvs1、Kvs2、Kp分别为G1、G2、Gc环节的增益。而对指令阶跃输入、斜坡输
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