阅读说明：本技术 异构多阀并联驱动电液伺服系统及控制方法 (Heterogeneous multi-valve parallel drive electro-hydraulic servo system and control method ) 是由 苏世杰 潘纬鸣 唐文献 陈赟 薛挺 王真心 于 2020-04-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种异构多阀并联驱动电液伺服系统及控制方法,包括柱塞泵,柱塞泵通过多个并联的各个伺服阀和比例阀与液压缸连通,液压缸的活塞杆信号连接位移传感器,位移传感器与控制器的输入端信号连接,控制器的输出端与各个比例阀和伺服阀信号连接,控制器根据油量剩余总量按照比例阀和伺服阀的工作优先级进行分配,根据分配的油量设置控制电压。本发明通过通过多阀并联协调控制方法弥补了比例阀存在的死区和响应速度慢等问题,在满足高精度、快响应、大流量等性能的同时,还通过异构多阀的并联结构节约了成本,并通过自适应鲁棒算法解决了存在的自适应可调参数和外部干扰等问题。(The invention discloses a heterogeneous multi-valve parallel driving electro-hydraulic servo system and a control method thereof, wherein the heterogeneous multi-valve parallel driving electro-hydraulic servo system comprises a plunger pump, the plunger pump is communicated with a hydraulic cylinder through a plurality of parallel servo valves and proportional valves, a piston rod of the hydraulic cylinder is in signal connection with a displacement sensor, the displacement sensor is in signal connection with an input end of a controller, an output end of the controller is in signal connection with the proportional valves and the servo valves, the controller distributes according to the residual total amount of oil according to the working priority of the proportional valves and the servo valves, and control voltage is set according to the distributed oil. The invention makes up the problems of dead zone, slow response speed and the like of the proportional valve by a multi-valve parallel coordination control method, saves the cost by a parallel structure of heterogeneous multi-valves while meeting the performances of high precision, fast response, large flow and the like, and solves the problems of self-adaptive adjustable parameters, external interference and the like by a self-adaptive robust algorithm.)

异构多阀并联驱动电液伺服系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电液伺服系统及控制，具体涉及一种异构多阀并联驱动电液伺服系统及控制方法。

背景技术

电液伺服在工业生产中应用广泛，随着技术的进步，对电液伺服系统的流量、响应速度性能要求也越来越高，因此大流量、高精度电液伺服阀应运而生。但是大流量电液伺服阀的低速性能不理想，而且成本较高。为了节约成本并满足高精度控制要求，使用多个伺服阀/比例阀并联控制的方案具有一定理论和实现意义。

中国专利CN201210467404.2的专利公开了“一种液压并联式速度换接回路连接方法”该方法通过并联两个调速阀，通过调速阀实现两次进给速度的切换回路，通过该方法使系统的位置控制精度得到了提高。其次中国专利申请号为CN200820087129.0的专利公开了“基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀”，该专利提出一种并联多个小流量的伺服阀等效为大流量伺服阀的方法，随后通过同步控制控制算法实现各个伺服阀输出流量的同步，该方法有效提高了系统的响应精度和流量。

虽然上述方法都改进了电液伺服系统的控制精度与响应速度，但由于都是采用相同的阀进行并联，因此在控制的时候通常采用同步控制方法，而同步控制要求系统中各个阀的性能指标尽量一致，因此会导致系统的成本上升、可靠性降低。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种异构多阀并联驱动电液伺服系统及控制方法，解决现有多阀并联系统中同步控制对阀的性能指标要求高，可靠性低，成本高的问题。

技术方案：本发明所述的异构多阀并联驱动电液伺服系统，包括柱塞泵，所述柱塞泵进油口连接油箱，所述柱塞泵出油口通过单向阀后通过支路连通并联的各个伺服阀和比例阀，各个伺服阀和比例阀的回油口通过管路与油箱连通，各个伺服阀和比例阀的出油口通过管路与液压缸连通，所述液压缸的活塞杆信号连接位移传感器，所述位移传感器与控制器的输入端信号连接，所述控制器的输出端与各个比例阀和伺服阀信号连接。

其中，所述柱塞泵电连接三相电机，所述三相电机控制柱塞泵工作。

为保证主回油管路上的管道压力，所述单向阀通过回油支路连通油箱，所述回油支路上设置有溢流阀和滤油器。

本发明所述的异构多阀并联驱动电液伺服系统的控制方法，包括以下步骤：

(1)控制器根据系统的工作时间T计算得到当前液压缸的目标位移x_d，并对x_d求一阶导数

二阶导数和三阶导数

位移传感器R采集当前时刻的实际位移x_p，对比实际位移x_p和目标位移x_d，得到位移偏差e，并对e求一阶导数

二阶导数三阶导数

(2)根据得到的目标位移和位移偏差及导数计算得到驱动液压缸运动的总流量Q_y(T)，计算公式如下：

其中，d_y、M_y、B_y、D_y和C_y均为液压系统通过数学模型得出的自适应可调参数；

(3)以步骤(2)得到的驱动液压缸运动的总流量作为初始剩余总流量，初始剩余总流量Q_yi(T)＝Q_y(T)；

(4)将剩余总流量根据各个比例阀的工作优先级依次分配各比例阀的流量，根据分配的流量得到当前控制周期内比例阀的控制电压，具体如下：

当Q_yi(T)＞f_i(U_pi(T-t)+ΔU_pi)时，比例阀P_i的控制电压置为U_pi(T)＝U_pi(T-t)+ΔU_pi；

当Q_yi(T)＜f_i(U_pi(T-t)-ΔU_pi)时，比例阀P_i的控制电压置为U_pi(T)＝U_pi(T-t)-ΔU_pi；

当f_i(U_pi(T-t)-ΔU_pi)≤Q_yi(T)≤f_i(U_pi(T-t)+ΔU_pi)时，Q_yi(T)＞0则比例阀P_i的控制电压置为

Q_yi(T)＜0则控制电压置为

其中，表示每控制周期控制电压的最大增量，U_pimax表示比例阀P_i的最大输出电压，T_pi表示比例阀P_i阀芯响应时间，D_i表示比例阀P_i的死区，K_pi表示比例阀P_i的增益，t表示控制周期，f_i(U_pi(T-t)+ΔU_pi)表示当前控制周期比例阀输出的最大流量 f_i(U_pi(T-t)-ΔU_pi)表示当前控制周期比例阀输出的最小流量，U_pi(T-t)表示上个控制周期比例阀输出的电压；

(5)分配完各个比例阀的流量后的剩余流量根据伺服阀的工作优先级依次分配各个伺服阀的流量，根据分配的流量得到当前控制周期内伺服阀的控制电压，具体如下：

当g_i(U_si(T-t)-ΔU_si)≤Q_yi(T)≤g_i(U_si(T-t)+ΔU_si)时，伺服阀S_i的控制电压置为U_si(T)＝U_si(T-t)+ΔU_si；

当Q_yi(T)＜g_i(U_si(T-t)-ΔU_si)时，伺服阀S_i的控制电压置为U_si(T)＝U_si(T-t)-ΔU_si；

当g_i(U_si(T-t)-ΔU_si)≤Q_yi(T)≤g_i(U_si(T-t)+ΔU_si)时，伺服阀S_i的控制电压置为

其中，S_i的电压值增量U_simax为伺服阀S_i的最大输出电压，T_si伺服阀S_i阀芯响应时间，g_i(U_si(T-t)+ΔU_si)表示当前控制周期伺服阀可以输出流量的最大值， g_i(U_si(T-t)-ΔU_si)表示当前控制周期伺服阀可以输出流量的最小值，U_si(T-t)表示上个控制周期伺服阀的输出电压；

(6)工作时间T＜T_max0时，进行下一个控制周期的控制，对自适应可调参数进行更新，然后重复步骤(1)-(5)，直到T≥T_max0，系统停止控制。

其中，所述步骤(1)中根据预设函数x_d＝F(T)计算液压缸的目标位移，根据e＝x_p-x_d计算位移偏差。

所述步骤(6)对自适应可调参数进行更新具体为：

自适应可调参数M_y根据公式进行更新，当更新值M_y＞M_ymax时， M_y＝M_ymax；当更新值M_y＜M_ymin时，M_y＝M_ymin；

自适应可调参数B_y根据公式

进行更新，当更新值B_y＞B_ymax时， B_y＝B_ymax；当更新值B_y＜B_ymin时，B_y＝B_ymin；

自适应可调参数C_y根据公式进行更新，当更新值C_y＞C_ymax时，C_y＝C_ymax；当更新值C_y＜C_ymin时，C_y＝C_ymin；

自适应可调参数D_y根据公式

进行更新，当更新值D_y＞D_ymax时， D_y＝D_ymax；当更新值D_y＜D_ymin时，D_y＝D_ymin；

自适应可调参数d_y根据公式进行更新，当更新值d_y＞d_ymax时， d_y＝d_ymax；当更新值d_y＜d_ymin时，d_y＝d_ymin；

其中，M_ymin、M_ymax分别为M_y的最小值与最大值，B_ymin、B_ymax分别为B_y的最小值与最大值，C_ymin、C_ymax分别为C_y的最小值与最大值，D_ymin、D_ymax分别为D_y的最小值与最大值， d_ymin、d_ymax分别为d_y的最小值与最大值，λ为系统增益。

有益效果：本发明通过通过多阀并联协调控制方法弥补了比例阀存在的死区和响应速度慢等问题，在满足高精度、快响应、大流量等性能的同时，还通过异构多阀的并联结构节约了成本，并通过自适应鲁棒算法解决了存在的自适应可调参数和外部干扰等问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明控制流程示意图；

图3是引用本发明的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，异构多阀并联驱动电液伺服系统主要包括：柱塞泵6，三相电机7，比例阀P₁3、比例阀P₂……比例阀P_m2，伺服阀S_m+19、伺服阀S_m+2……伺服阀S_n10，单向阀8，液压缸1，溢流阀4，位移传感器12，控制器11，滤油器5。三相电机7与柱塞泵6连接，柱塞泵6的进油口与油箱连接，三相电机旋转带动柱塞泵工作，柱塞泵开始对液压系统供油；输出的液压油通过柱塞泵的出油口流向单向阀，液压油通过单向阀流向滤油器，随后液压油通过高压软管流向每个伺服阀进油口和每个比例阀的进油口。溢流阀安装在主回油管路上保证管道压力，液压油通过每个伺服阀和每个比例阀的回油口与高压软管连接并流向油箱。液压缸与每个伺服阀和每个比例阀的出油口连接，液压缸的活塞杆与位移传感器连接；位移传感器12的信号输出端与控制器11的输入端连接，控制器11的n个输出端分别和比例阀P₁……P_m的控制信号输入端及伺服阀S_m+1……S_n的控制信号输入端相连接。

本发明的控制方法具体为：

(1)控制器根据系统的工作时间T计算得到当前液压缸的目标位移x_d，x_d＝F(T)，并对x_d求一阶导数

二阶导数

和三阶导数位移传感器R采集当前时刻的实际位移x_p，根据e＝x_p-x_d得到位移偏差e，并对e求一阶导数

二阶导数

三阶导数

(2)根据得到的目标位移和位移偏差及导数计算驱动液压缸运动的总流量，计算公式如下：

其中，d_y、M_y、B_y、D_y和C_y均为液压系统通过数学模型得出的自适应可调参数；

(3)以步骤(2)驱动液压缸运动的总流量作为初始剩余总流量，初始剩余总流量Q_yi(T)＝Q_y(T)；

(4)将剩余总流量根据各个比例阀的工作优先级依次分配各比例阀的流量，根据分配的流量得到当前控制周期内比例阀的控制电压，具体如下：

当Q_yi(T)＞f_i(U_pi(T-t)+ΔU_pi)时，比例阀P_i的控制电压置为U_pi(T)＝U_pi(T-t)+ΔU_pi；

当Q_yi(T)＜f_i(U_pi(T-t)-ΔU_pi)时，比例阀P_i的控制电压置为U_pi(T)＝U_pi(T-t)-ΔU_pi；

当f_i(U_pi(T-t)-ΔU_pi)≤Q_yi(T)≤f_i(U_pi(T-t)+ΔU_pi)时，Q_yi(T)＞0则比例阀P_i的控制电压置为

Q_yi(T)＜0则控制电压置为

其中，

表示每控制周期控制电压的最大增量，U_pimax表示比例阀P_i的最大输出电压，T_pi表示比例阀P_i阀芯响应时间，D_i表示比例阀P_i的死区，K_pi表示比例阀P_i的增益，t表示控制周期，f_i(U_pi(T-t)+ΔU_pi)表示当前控制周期比例阀输出的最大流量f_i(U_pi(T-t)-ΔU_pi)表示当前控制周期比例阀输出的最小流量，U_pi(T-t)表示上个控制周期比例阀输出的电压；

(5)分配完各个比例阀的流量后的剩余流量根据伺服阀的工作优先级依次分配各个伺服阀的流量，根据分配的流量得到当前控制周期内伺服阀的控制电压，具体如下：

当g_i(U_si(T-t)-ΔU_si)≤Q_yi(T)≤g_i(U_si(T-t)+ΔU_si)时，伺服阀S_i的控制电压置为U_si(T)＝U_si(T-1)+ΔU_si；

当Q_yi(T)＜g_i(U_si(T-t)-ΔU_si)时，伺服阀S_i的控制电压置为U_si(T)＝U_si(T-1)-ΔU_si；

当g_i(U_si(T-t)-ΔU_si)≤Q_yi(T)≤g_i(U_si(T-t)+ΔU_si)时，伺服阀S_i的控制电压置为

其中，S_i的电压值增量U_simax为伺服阀S_i的最大输出电压，T_si伺服阀S_i阀芯响应时间g_i(U_si(T-t)+ΔU_si)表示当前控制周期伺服阀可以输出流量的最大值， g_i(U_si(T-t)-ΔU_si)表示当前控制周期伺服阀可以输出流量的最小值，U_si(T-t)表示上个控制周期伺服阀的输出电压；

(6)工作时间T＜T_max0时，进行一下个控制周期的控制，对自适应可调参数进行更新，然后重复步骤(1)-(5)，直到T≥T_max0，系统停止控制，对自适应可调参数进行更新具体为：

自适应可调参数M_y根据公式进行更新，当更新值M_y＞M_ymax时， M_y＝M_ymax；当更新值M_y＜M_ymin时，M_y＝M_ymin；

自适应可调参数B_y根据公式进行更新，当更新值B_y＞B_ymax时， B_y＝B_ymax；当更新值B_y＜B_ymin时，B_y＝B_ymin；

自适应可调参数C_y根据公式进行更新，当更新值C_y＞C_ymax时，C_y＝C_ymax；当更新值C_y＜C_ymin时，C_y＝C_ymin；

自适应可调参数D_y根据公式

进行更新，当更新值D_y＞D_ymax时， D_y＝D_ymax；当更新值D_y＜D_ymin时，D_y＝D_ymin；

自适应可调参数d_y根据公式进行更新，当更新值d_y＞d_ymax时， d_y＝d_ymax；当更新值d_y＜d_ymin时，d_y＝d_ymin；

其中，M_ymin、M_ymax分别为M_y的最小值与最大值，B_ymin、B_ymax分别为B_y的最小值与最大值，C_ymin、C_ymax分别为C_y的最小值与最大值，D_ymin、D_ymax分别为D_y的最小值与最大值， d_ymin、d_ymax分别为d_y的最小值与最大值，λ为系统增益。

针对本系统进行仿真试验时：

(1)根据比例阀响应速度的快慢对其进行编号，响应速度最慢的比例阀编号为P₁，响应次慢的比例阀编号是P₂，...，响应最快的比例阀编号为P_m。根据伺服阀响应速度的快慢对其进行编号，响应速度最慢的伺服阀编号为S_m+1，响应次慢的伺服阀编号是 S_m+2，...，响应最快的伺服阀编号为S_n。因此比例阀与伺服阀工作优先级如下 P₁＞P₂＞...＞P_m＞S_m+1＞S_m+2＞...＞S_n，控制周期t＝1ms；工作时间T；工作总时长T_max；系统总流量Q_y(T)，比例阀P_i的控制电压U_pi(T)，输出流量Q_pi(T)，其中i表示阀的序号，1≤i≤m；伺服阀S_i的控制电压U_si(T)，输出流量Q_si(T)，其中i表示阀的序号，m+1≤i≤n；液压缸 H的目标位移x_d，x_d＝F(T)是一个随工作时间T而变化的函数。系统每个控制周期都会根据工作时间T计算当前时刻的目标位移x_d；液压缸H的实际轨迹x_p，系统每个控制周期都会通过位移传感器对实际位移x_p进行采样；系统每个控制周期中都会对目标位移x_d与实际位移x_p作差得到位移偏差，即e＝x_p-x_d，预设系统自适应可调参数M_y，M_ymin、M_ymax分别为M_y的最小值与最大值，系统自适应可调参数B_y，B_ymin、B_ymax分别为B_y的最小值与最大值，系统自适应可调参数C_y，C_ymin、C_ymax分别为C_y的最小值与最大值，系统自适应可调参数D_y，D_ymin、D_ymax分别为D_y的最小值与最大值；系统自适应可调参数d_y， d_ymin、d_ymax分别为d_y的最小值与最大值；系统增益为λ；

根据比例阀的物理特性，比例阀P_i的输出流量Q_pi(T)与控制电压U_pi(T)的公式:

公式①中K_pi表示比例阀P_i的增益，D_i表示比例阀P_i的死区，其中1≤i≤m。

设比例阀P_i的最大输出电压为U_pimax，比例阀P_i阀芯响应时间为T_pi，比例阀P_i的电压值增量为

根据伺服阀的物理特性，定义伺服阀S_i的输出流量Q_si(T)与控制电压U_si(T)的公式:

Q_si(T)＝g_i(U_i(T))＝K_siU_si(T) ②

公式②中K_si表示伺服阀S_i的增益，其中m+1≤i≤n。

伺服阀S_i的最大输出电压为U_simax，伺服阀S_i阀芯响应时间为T_si，S_i的电压值增量

(2)对上述参数进行初始化化，具体为：

工作时间T＝0ms；工作总时长T_max＝300ms；比例阀的控制电压U_pi(T)＝0V，其中i＝1、2、3、…、m；伺服阀的控制电压U_si(T)＝0V，其中i＝m+1、m+2、m+3、…、n；M_y0＝4.5×10^-7，M_ymin＝1×10^-7、M_ymax＝10×10^-7；B_y0＝8.5×10^-5，B_ymin＝1×10^-5、B_ymax＝9×10^-5；C_y0＝0.36，C_ymin＝0.1、C_ymax＝0.6；D_y0＝5.3×10^-7，D_ymin＝1×10^-7、D_ymax＝10×10^-7；d_y0＝0， d_ymin＝-10×10^-7、d_ymax＝10×10^-7；λ₀＝110；初始化x_d，函数F(T)为斜率20、幅值1mm斜坡曲线。

(3)系统开始/继续工作，工作时间T＝T+1。系统根据函数x_d＝F(T)计算出当前目标位移x_d，并对x_d求一阶导数二阶导数三阶导数与此同时位移传感器R采集当前时刻的实际位移x_p，并将其发送至运动控制卡C中；系统计算位移偏差e，并对其求一阶导数

二阶导数

三阶导数

(4)根据公式计算当前总流量Q_y(T)。

(5)系统对(4)步骤中得到的总流量Q_y(T)进行流量分配。

设Q_yi(T)为剩余流量，令Q_yi(T)＝Q_y(T)，i＝1，进入步骤(5.1)。

(5.1)系统将流量按照比例阀的工作优先级分配至每个比例阀：

(5.1.1)当Q_yi(T)＞f_i(U_pi(T-t)+ΔU_pi)时，比例阀P_i的控制电压置为U_pi(T)＝U_pi(T-t)+ΔU_pi。

(5.1.2)当Q_yi(T)＜f_i(U_pi(T-t)-ΔU_pi)时，比例阀P_i的控制电压置为U_pi(T)＝U_pi(T-t)-ΔU_pi。

(5.1.2)除(5.1.1)和(5.1.2)的情况时，当Q_yi(T)＞0比例阀P_i的控制电压置为当Q_yi(T)＜0时控制电压置为

(5.1.4)随后由下一个比例阀对流量继续分配，即i＝i+1。系统根据公式 Q_yi(T)＝Q_y(i-1)(T)-f_(i-1)(U_p(i-1)(T))计算剩余流量，并返回步骤(5.1.1)。直到i＞m，进入步骤(5.2)。

(5.2)系统把剩余流量按照伺服阀的工作优先级分配至每个伺服阀：

(5.2.1)当Q_yi(T)＞g_i(U_si(T-t)+ΔU_si)时，伺服阀S_i的控制电压置为U_si(T)＝U_si(T-1)+ΔU_si；

(5.2.2)当Q_yi(T)＜g_i(U_si(T-t)-ΔU_si)时，伺服阀S_i的控制电压置为U_si(T)＝U_si(T-1)-ΔU_si；

(5.2.3)否则伺服阀S_i的控制电压置为

(5.2.4)随后下一个伺服阀对流量继续分配，即i＝i+1，系统根据公式 Q_yi(T)＝Q_y(i-1)(T)-f_(i-1)(U_p(i-1)(T))计算剩余流量，返回步骤(5.2.1)直到i>n时，进入步骤(6)。

(6)系统对下一个控制周期的自适应可调参数进行更新。

(7)如果工作时间T＜300ms时返回步骤(3)，如果T≥300ms系统将自动停止控制并将所有阀的控制信号输出置为0。

仿真结果如图3所示，由图3可以看出本发明控制方法的跟踪曲线的响应速度和跟踪精度相比于现有的单阀PID控制方法有明显提升。