避免电液控制系统设计中的若干问题

原文：Jacob Paso，Delta Computer Systems Inc.

编辑：腾益登

闭环控制使机器能够非常精确地施加力、提升重物或遵循非常精确的运动轨迹。然而，如果设置不正确，电液控制系统可能会不稳定，导致产品损坏或对人员造成危险。

发挥电液控制优势的关键是了解系统要求、选择适当的系统组件、适当调整其尺寸，以及正确编程和调整运动控制器以获得最佳性能。

选择液压缸并确定其尺寸

构建精确控制的运动系统就是要理解力和固有频率的概念。对于典型的液压运动系统，加速度和速度受到可用力的限制，而不是流量。此外，系统的固有频率决定了它在控制下可以达到的最大加速度。

经常犯错误的地方是液压缸直径。液压缸的选择至关重要，因为它可以施加的力和系统的固有频率都是液压缸直径的函数。一个常见的错误是使用能够在轻负载下快速移动的小直径液压缸。不幸的是，在较高负载下，液压缸中的活塞为液压油流提供的表面积太小，无法继续推动以产生所需的力。

小直径液压缸的作用类似于液压弹簧，导致固有频率较低，特别是在系统质量较大的情况下。如果运动曲线需要快速加速，或者系统出现静摩擦（静摩擦超过动摩擦），这可能会导致振荡。

系统的固有频率与其刚度有关。由于流体是可压缩的，因此与使用长而小的液压缸的系统相比，具有大直径活塞的流体动力系统的刚性要大得多。因此，具有较大缸径的液压缸在加速时不会压缩得那么大，并且能够更快地受控加速和减速。作为一般规则，为了能够通过标准 PID 算法进行精确控制，作用于特定负载质量的液压缸的固有频率应比指令系统动作的频率大三到四倍。

选择泵和蓄能器

选择液压缸后，下一步是正确调整液压泵的尺寸，以提供流体流量，以支持所需的液压缸速度。如果泵太大，可能会浪费流体和能量。如果流量太小，即使使用正确的液压缸，系统也无法运行。最佳流量计算相对简单：所需的油流量与液压缸内部容积随时间的变化所需的量相匹配。由于流量与液压缸直径的平方成正比，因此若液压缸直径加倍，则需要四倍的流量。

在所需流体流量随时间变化并且需要短时高流量的典型系统中，蓄能器存储加压流体。使用适当尺寸的蓄能器，无需调整流体泵的尺寸即可提供最大流量；相反，可以调整其大小以满足平均流量需求。

为了使系统最容易通过电液运动控制器进行控制，蓄能器应足够大，以防止系统运行周期内压力变化超过10%。为了最大限度地减少循环过程中的压力损失，蓄能器应靠近阀门，而不是靠近泵。

使用哪些阀以及避免使用哪些阀

应使用比例伺服阀来精确控制流体流量。这些阀对运动控制器的控制输入提供低延迟、线性响应，从而实现流体流量的平滑变化。两位方向阀会引起冲击和振动，几乎不可能实现精确的液压缸控制。此外，具有正遮盖阀芯的阀也存在控制问题。另一个有问题的阀是平衡阀，它自主运行以对抗运动控制器的控制输入，使得精确控制变得困难。

为了获得最大的系统响应能力，阀尺寸不仅必须考虑所需的流量，还必须考虑阀上的压降。这确保了有足够的压力来加速和移动系统。对于低质量和低摩擦的系统，计算所需的流量可能就足够了，然后再添加 10% 到 20%。对于移动中到大质量或经历高摩擦的系统，必须进行更多计算。如果阀的尺寸与液压缸的尺寸相比太大，则仅会使用控制范围的一小部分，并且阀的控制将是粗略的。

阀的放置对于控制至关重要，特别是对于需要快速加速或表现出显着粘滞的系统。阀应尽可能靠近液压缸放置，以尽量减少管路中流体压缩性的影响。在可能的情况下，使用金属管代替柔性软管将最大限度地减少因管线膨胀而导致的可控性问题。

哪种传感器最好？

液压系统通常使用线性位移传感器来测量液压缸位置，并使用压力传感器或称重传感器来测量力。选择具有高响应（明显快于运动控制器的控制环时间）和精细测量粒度的设备至关重要。

一个常见的错误是选择提供与所需运动容差相同分辨率的传感器。相反，传感器分辨率应优选为10倍或更多。对于可控性较差的系统，可能需要更高的分辨率才能利用补偿控制算法。

使用磁致伸缩线性位移传感器 (MLDT) 的一大优点是它们始终知道液压缸的位置；系统启动或重置时不需要归零步骤。MLDT 的另一个优点是提供非接触式测量，这意味着没有触点磨损并导致维护问题，并且测量的重复性很高。

图 1 显示了电液控制系统的组件是如何连接的。在该系统中，可以通过计算安装在活塞两侧的压力传感器的输出之间的读数差异来测量液压缸施加的力。

图1. 控制图显示系统拓扑以及运动控制器如何连接到传感器和阀门

通过根据上述指南选择最高质量的组件，系统设计人员将受益于最佳的系统可重复性、最高的生产率和最长的机器使用寿命。然而，这是有代价的，一些设计人员倾向于使用不太理想的组件来降低系统成本。请注意，即使是最好的运动控制器也可能无法弥补不良的系统设计或实现。

对运动控制器进行编程

尽管如此，一些电液运动控制器，例如 Delta Computer Systems Inc. 的 RMC200（图 2），可以弥补一些设计问题。例如，Delta Computer Systems 工程师最近分析了一个表现出静摩擦效应的系统，有时称为粘滑问题。

图2. Delta计算机系统公司的RMC200电液运动控制器可以同时控制和同步多达32个运动轴

该应用程序是一个需要沿着切割原木的曲线移动的排锯“摆动盒”，当它应该平稳移动时却在振动。该问题被诊断为由两个液压缸的缸径太小引起的，这意味着系统的固有频率较低，并且没有应有的刚度。因此，它的响应速度不够快，无法控制来自运动控制器的信号。

PID 闭环方程中的 D 速度项没有为每个阀门产生足够的驱动。Delta工程师通过增加控制环算法的加速部分的增益（图 3 中的 D 微分增益）解决了这个问题，这增加了流向液压缸的流体流量，为运动提供额外的能量。在这种情况下，二阶导数增益应用于目标液压缸加速度值和实际液压缸加速度值之间的误差，克服粘滑效应并补偿过小的液压缸。

另一种提高滞后液压运动系统性能的技术是使用前馈，即纳入闭环控制算法的预测项（图 3 中的“FF”增益）。速度和加速度的前馈可以分别预测和预测实现所需速度或加速度所需的油流量。这些项预测系统需要的位置，并减少 P、I 和 D 增益的负载以匹配目标。

由于闭环控制系统的有效性取决于系统对系统实际测量值与目标测量值之间误差的响应，因此执行器可能需要很长时间才能从停止状态启动。这是因为控制算法中的 P 和 I 项可能需要一段时间才能生成足够强的输出信号以导致执行器移动。

如果需要快速运动，可以添加一个前馈组件来预测启动运动所需的驱动力。一个好的设计实践是使用前馈来产生大量运动驱动信号，并使用 P、I 和 D 项对运动进行微调，以响应比单独使用 PID 因子时更小的误差因子。以这种方式使用 PID 项的重点是算法的一部分，以响应环境条件，例如可能因生产周期而异的温度变化。

但是，如果快速变化的反馈水平导致运动控制器过快地改变其输出，会发生什么情况？这种现象可能是传感器连接噪音造成的。图 3 显示了控制回路输出和阀门连接之间包含一个输出滤波器。对于 Delta Computer Systems 的运动控制器，输出滤波支持作为标准编程功能提供。

图3. 除了标准 P、I 和 D 项之外，运动控制算法还应包括潜在的前馈（上图中的 FF）和二阶导数 (D Diff.) 项

好的工具有助于诊断和解决问题

在选择运动控制器时，设计人员应该寻找一款支持简化运动系统开发和调整的工具以及有助于隔离系统问题的诊断工具的产品。Delta Computer Systems 的绘图管理器是该公司 RMCTools 支持包的一项功能，可用于监控操作周期内实际运动与目标运动的差异。通过使用绘图管理器，工程师发现了调整上述排锯摆动箱运动的问题。

另一个 Delta 工具是 Tuning Wizard，它可用于自动生成一组控制参数增益，以减少目标和实际运动曲线之间的误差（图 4）。有时需要进一步调整，但调整向导将加速调整过程。在出现摆动盒问题的情况下，使用调节向导将调节更改为加速控制后，执行器可以轻松调节。调整过程花费了不到 10 分钟。

图4. Delta Computer Systems 的调谐向导生成控制环路增益，减少实际运动曲线和目标运动曲线之间的误差

通过选择正确的系统组件，包括正确的运动控制器和此类自动化工具，液压系统设计人员可以避免一些难题并充分发挥液压动力的潜力。

原文始发于微信公众号（液压传动与控制）：避免电液控制系统设计中的若干问题