高级液压伺服运动控制设计实践指导

作者：Peter Natchey，Delta Computer System
解读：腾益登

摘要

本文通过实践分析了如何设计一个“好”的伺服控制液压系统，包括从控制角度分析如何考虑增益，从元件角度分析如何选择蓄能器、伺服阀、油缸、位移传感器等。

正文

高性能的液压伺服运动控制系统，需要考虑控制方面的补偿，也需要对所使用的元件的特性了如指掌，从而满足使用要求。

一个好的液压系统，其设计应该是简单而不是繁杂的。

好的设计可以更好的控制，维护简单，运营成本有优势。

而现实生活中，我们面临的既有成本上的压力，如好的阀、传感器、油缸都很贵，也会面临一些特殊的要求，包括紧凑的空间和环境等。

因此我们需要熟悉实际应用工况，而不是仅仅停留在元件层面的认识。

控制环节对系统的影响

典型的闭环控制系统如下所示。

通过目标位置与实际位置的比较，调节控制信号。

在控制上常常使用PID控制（延伸阅读：这是我见过最通俗易懂的PID整定理论！），速度前馈控制和加速度前馈控制。

比例增益对输出的影响。

积分增益对控制输出的影响。

积分也会导致过冲。

微分环节的对控制输出的影响。

噪声对微分环节的影响。

速度前馈对控制输出的作用。

加速度前馈对控制输出的影响。

前馈控制与PID控制有哪些区别呢？PID只有当误差发生的时候才去纠错，而前馈控制用于提前消除这些误差。

增益和前馈都是线性的，因此液压系统也应尽可能线性！

系统中元件层面的影响。

典型的元件包括：蓄能器，阀、反馈传感器以及油缸。

蓄能器提供稳定的油源，尽可能靠近阀，有助于提供线性化的控制。

如果蓄能器选择过小，在恒定速度时，控制输出会上升，系统不线性。

比例或伺服阀的影响因素较多，比如线性化、遮盖、安装位置等都需要考虑。（延伸阅读：讨论用于精密运动控制的电液控制阀）

在之前的文章，也多次强调，注意平衡阀的使用。（延伸阅读：伺服阀/比例阀零位特性与平衡阀对精密运动控制的影响）

可以研究一下线性与非线性阀芯的特点，匹配实际的系统应用。线性阀芯在整个控制信号的作用区间，输出都是线性的。但是对于非线性阀芯，存在折线或曲线类型的控制输出，可以根据此特点，在低输入信号的时候提供高的分辨率，高控制信号的时候提高大流量（或输出）。

非线性阀芯可能存在的一些影响，如线性化不理想，跟踪不好，过冲等。这时候可以通过积分环节来补偿。

正遮盖的影响：存在死区。

此时需要死区补偿。

因此正遮盖不适用于快速换向、快速减速，而且其调节困难，可用于成本有控制的场合，其零位时泄漏小。

关于阀的动态特性，就需要看看伯德图了。（延伸阅读：电液伺服阀的频率响应特性曲线，你读懂了吗）

阀的频响必须足够高，并且注意±5%和±90%的区别。

位置传感器一般采用磁致伸缩类型。

分辨率可达到0.5或1μm。SSI输出是一种不错的选择，抗干扰能力更高。

其它类型的传感器，用在要求不高的场合。

油缸的作用就是提供作用力和刚度。

缸径小，易控制；缸径大，控制难。

油缸的选择主要考虑：系统响应、阀的规格以及动力单元大小。

关于VCCM方程的应用，在之前的文章中也多次提到。（延伸阅读：VCCM-如果流量计算不再是Q=A*V？ and 探索液压伺服运动控制中的VCCM方程）

以下就是油缸的固有频率的影响。

总结

液压系统设计的好，可以节约时间和金钱；实际设计过程中必须与应用结合，寻找合适的平衡点；此外，液压问题解决不了啦，还有运动控制器来帮忙。（延伸阅读：关于比例与伺服液压系统的一些设计指导意见）

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原文始发于微信公众号（液压传动与控制）：高级液压伺服运动控制设计实践指导