Synchronization Control of the Oppositely Driven System with Dual Asymmetric Cylinders

ＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅＯｐｐｏｓｉｔｅｌｙＤｒｉｖｅｎＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＤｕａｌＡｓｙｍｍｅｔｒｉｃＣｙｌｉｎｄｅｒｓＷＡＮＧＸｕａｎｙｉｎ；ＬＩＵＱｉｎｇｈｅ；ＷＵＳｈｅｎｇｌｉｎ（王宣银，刘庆和，吴盛林）（Ｄｅｐ...

ADAPTIVE CONTROLLER AND ITS APPLICATION IN FORCE SYSTEM OF ASYMMETRIC CYLINDER CONTROLLED BY SYMMETRIC VALVE

Partial pressure, system vibration and asymmetric system dynamic performance exit in asymmetric cylinder controller by symmetric valve hydraulic system. To solve this problem in the force control system, model reference adaptive controller is designed using equilibrium point stability theory and output error equation polynomial. The reference model is selected in such a way that it meets the system dynamic performance. Hardware configuration of asymmetric cylinder controlled by asymmetric valve hydraulic system is replaced by intelligent control algorithm, thus the cost is lowered and easy to application. Simulation results demonstrate that the proposed adaptive control sheme has good adaptive ability and well solves asymmetric dynamic performance problem. The designed adaptive controller is fairly robust to load disturbance and system parameter variation.

Structural Design and Dynamic Characteristics of Overloaded Horizontal Servo Cylinder for Resisting Dynamic Partial Load

When an output curve force is applied to a horizontal servo cylinder with a heavy load, the piston rod bears a dynamic partial load based on the installation and load characteristics, which significantly a ects the frequency response and control accuracy of the servo cylinder. Based on this partial load, increased friction can lead to cylinder bore scu ng, leakage, lack of output power, or even system failure. In this paper, a novel asymmetric static-pressure support structure is proposed based on the principle of hydrostatic support. The radial component force of a dynamic partial load is balanced by cooperation between the support oil cushion of the variable hydraulic pressure support structure, oil cushion of the supportive force, and the damper. Adaptive control of the servo cylinder piston rod, guide sleeve, and piston, as well as the cylinder oil film friction between lubricated surfaces is achieved. In this paper, theoretical design and analysis of the traditional hydrostatic bearing structure and novel structure are presented. A hydraulic dynamic shear scissor is used as a research target to derive a structural dynamic model. Comparative simulations are performed using Matlab Simulink. Additionally, flow field analysis of the novel structure is performed, which verifies the rationality and feasibility of the proposed structure and system.

基于H_(∞)控制器的阀控非对称缸位置伺服系统控制

以阀控非对称缸位置伺服系统为研究对象,建立其数学模型;针对负载突变及油液弹性模量变化提出了H∞鲁棒控制方法,从频域上分析了控制器对系统动态性能和稳态性能的影响。采用AMESim和MATLAB/Simulink搭建了阀控非对称缸位置伺服系统的联合仿真模型,对不同工况下控制器的跟踪精度及抗扰能力进行仿真研究。最后,通过油缸加载实验测试平台对仿真结果进行进一步验证。结果表明:所设计的H∞控制器提高了系统的快速性和鲁棒性,相比于PID控制下系统正弦响应结果,H∞控制器的最大跟踪误差在无负载工况下降低了48.8%,在负载突变工况下降低了56.25%;同时阶跃响应时间缩短了7.5%。

非对称液压缸位移伺服系统的复合控制策略与试验研究

非对称液压缸的位移伺服系统存在两腔作用面积不等、系统模型不确定等特点,给液压缸高精度位移跟踪控制造成了巨大的困难。对此,提出以速度前馈为主与位移反馈为辅的复合控制策略。设计一种新的以控制电流和阀口压差为自变量的伺服阀流量计算模型,并根据该模型设计液压测试回路,通过测试结果辨识模型中的参数。根据伺服阀流量模型与目标位移轨迹计算速度前馈控制量。基于PI控制求出位移误差反馈控制量。最后,将速度前馈和位移反馈控制量相叠加作为伺服阀的驱动电压。通过试验得出在复合控制策略下液压缸位移跟踪的最大误差与目标位移幅值之比为2.1%,相对PID控制跟踪误差明显减小。提出的控制策略为生产实际中非对称液压缸的位移跟踪控制提供了一种简单、有效的方法。

四通阀控非对称液压缸微分前馈伺服控制方法分析

非对称液压缸的左右两腔有效面积不同,导致其动态特性和控制策略相较于对称液压缸更为复杂,提出四通阀控非对称液压缸微分前馈伺服控制方法。建立四通阀控非对称液压缸的数学模型作为被控对象,设计一个微分前馈控制器应用于伺服系统,根据输入指令和反馈信号实时调整四通阀的开度,实现对非对称液压缸的控制。实验结果表明,设计方法下阀控非对称缸伺服系统跟随响应曲线的滞后时间为0.024 s,幅值衰减5%,在伺服系统控制要求的允许范围内。

基于SIMULINK的智能剥锌机剥离过程液压控制系统建模与仿真分析

智能剥离单元是智能剥锌系统中的核心装备,用于对阴极铝板上的电沉积金属锌片进行剥离。本文以某公司研发的全新一代BKAS-32型智能剥锌机的智能剥离单元为研究对象,针对其非对称液压缸控制系统的特点,建立了电液比例阀控液压系统的数学模型,设计了基于单神经元控制算法的剥离过程液压控制系统模型并进行了仿真分析,通过与传统PID控制系统的仿真结果进行对比,论证了基于单神经元控制算法的剥离过程液压控制系统性能的优越性。经过现场应用表明,应用单神经元控制算法的智能剥离单元的剥离刀具组件双向运行速度曲线平滑,对称性高,两侧剥离刀具组件的速度差小于1%,极大地增加了智能剥离单元剥离作业的稳定性。

Force-controlled Compensation Scheme for P-Q Valve-controlled Asymmetric Cylinder used on Hydraulic Quadruped Robots

Under the requirement of the force controller of hydraulic quadruped robots,the goal of this work is to accurately track the force commands at the level of the hydraulic drive unit.The main contribution focuses on the development of a force-controlled compensation scheme,which is specifically aimed at the key issues affecting the hydraulic quadrupedal locomotion.With this idea,based on a P-Q valve-controlled asymmetric cylinder,we first establish a mathematical model for the hydraulic drive unit force control system.With the desired force commands,a force feed-forward algorithm is presented to improve the dynamic performance of the system.Meanwhile,we propose a disturbance compensation algorithm to reduce the influence induced by external disturbances due to foot-ground impacts.Afterwards,combining with a variable gain PI controller,a series of experiments are implemented on a force control performance test platform to verify the proposed scheme.The results demonstrate that the force-controlled compensation scheme has the ability to notably improve the force tracking accuracy,reduce the response time and redundant force.

Sliding Mode Control in Position Control for Asymmetrical Hydraulic Cylinder with Chambers Connected

In this paper, single, two-position, two-way proportional valve is used to carry out the positon control of asymmetrical hydraulic cylinder with two chambers connected. The system structure and the working princle are introduced. The dynamic model of the asymmetrical hydraulic cylinder system is established with power bond graphs method, and becomes a fundament for analyzing the system. Sliding mode controller is designed, and the stability of the control system is analyzed. The simulation results indicate that the sliding mode controller designed can actualize the position control of asymmetrical hydraulic cylinder system, and controller is superior to traditional PID controller when the load changes in some range.

基于状态反馈线性化的阀控非对称缸系统模型预测控制

针对使用PID方法对阀控非对称液压缸位置控制中出现的超调问题,以及传统非线性模型预测控制优化求解计算时间较长的问题,提出了一种基于状态反馈线性化的阀控非对称缸模型预测控制方案。首先建立了阀控系统状态空间模型,运用微分几何理论讨论系统可反馈线性化的充要条件,并将非线性系统映射为新坐标空间内的线性系统模型;设计了反馈线性化模型预测控制器(Feedback Linearization Model Predictive Controller,FLMPC),讨论了线性系统下的约束问题,其中由于系统仿真预测时域远小于系统响应时间,对模型预测控制的损失函数加以修正。结果证明,在相同输入情况下,反馈线性化系统与原系统的位置误差满足控制需要,且在保证被控对象快速稳定控制的条件下,对比该算法与非线性模型预测控制的单步计算时间,证明该算法能够缩短计算时间。

非对称伺服阀在阀控缸电液伺服系统中的应用

电液伺服系统广泛应用于机械设备中,伺服阀是电液伺服系统中的关键元件,非对称伺服阀的出现为阀控非对称伺服油缸电液伺服系统的设计提供了新的选择。采用孔口流量方程和流量连续方程分析了伺服阀非对称结构和对称结构分别控制非对称伺服油缸时伺服油缸两腔的压降情况,得到了2种设计结构非对称伺服油缸两腔的压降指标。结果表明,在合理选择伺服阀阀芯结构和伺服油缸结构匹配时,可以有效减少伺服油缸两腔的压降,减少功率损失。对三轮旋压机横向进给电液伺服系统进行分析,优化了系统压力和电机功率,通过压力传感器检测非对称伺服油缸两腔的压力验证了理论分析的准确性,为电液伺服系统伺服阀阀芯结构和伺服油缸结构的合理匹配设计提供了理论支持。

基于递推最小二乘法的阀控缸液压系统控制策略

阀控缸液压系统存在建模不准确、动态控制精度较低和控制算法调试困难的问题,为此,提出了一种基于递推最小二乘法(RLS)的反步法动态面控制策略,并采用半实物仿真平台对其控制算法进行了调试验证。首先,建立了阀控缸液压系统非线性状态空间模型,推导了该系统的最小二乘矩阵形式和递推算法公式;然后,基于李雅普诺夫稳定性理论和动态面控制技术,建立了阀控非对称缸系统的控制模型,设计了一种基于RLS的反步法动态面控制器;最后,基于半实物仿真平台,对改造后的Linux操作系统进行了实时性验证,完成了阀控非对称缸系统参数辨识和基于RLS的反步法动态面控制试验任务。试验结果表明:RLS算法不仅能用于准确地估计系统模型参数,更能有效地适应系统模型参数的变化;相比于常规PID控制方法,基于RLS反步法动态面控制策略在阀控非对称缸系统稳定状态和换向的过程中,其动态控制精度分别提高了72.9%和20.3%,可为今后阀控缸液压系统建模及非线性控制策略研究提供较高的理论参考。

基于轴控阀的阀控非对称缸位置控制系统研究

针对阀控非对称缸位置控制系统,通过理论公式搭建非对称液压缸的数学模型,采用前馈PID控制方法实现其位置控制并进行仿真和实验验证。利用传递函数推导出基于轴控阀的阀控非对称缸位置控制系统数学模型;根据所推导的数学模型采用前馈PID控制算法,利用AMESim搭建了非对称液压缸位置控制系统仿真模型;通过对阀控非对称液压缸位置控制系统进行实验,验证了搭建的轴控阀阀芯位置控制系统与非对称液压缸位置控制系统的正确性和有效性,实现了轴控阀阀芯精确位置控制与对外负载的控制。

四通阀控非对称液压缸系统控制器优化设计

为优化四通阀控非对称液压缸系统的动态特性,开展控制器优化设计研究。通过AMESim-MATLAB联合仿真的方法开展模型辨识,所构建的传递函数模型的位移误差平均值仅为4.31 mm,具有较高的准确度。基于伯德图进行系统的频域分析,结果表明所构建的系统是稳定的,但灵敏度和响应速度较差。设计两种最优PID控制器,基于遗传算法的最优PID控制器响应速度最快,其延迟时间、上升时间和最大超调量分别为0.152 s、0.323 s和3.43%,基于一阶模型延迟近似的最优PID控制器具有较高的控制精度,其延迟时间、上升时间和最大超调量分别为0.396 s、0.438 s和0。两种控制器均有效地改善系统的动态特性。

对称四通阀控非对称液压缸伺服系统动态特性研究

对称四通阀控对称液压缸的分析结果对对称四通阀控非对称液压缸动态特性研究已不适用。在建立对称四通阀控非对称液压缸动态数学模型的基础上 ,利用Matlab中的Simulink构建了仿真模型 ,并结合具体系统对其动态特性进行了仿真研究 ;通过试验得到了实测阶跃响应曲线和输出位移曲线。对比分析可以看出仿真结果与试验结论基本吻合 ,论证了动态数学模型的正确性 ,同时表明计算机仿真是研究该类系统动态特性的有效途径。

基于液压弹簧刚度的阀控非对称缸建模仿真

针对一般方法建模时所定义的负载压力未能充分考虑非对称缸结构的不对称性和初始位置时液压弹簧刚度并非最小的问题,提出用等效承压面积加权平均的方法重新定义负载压力,推导出了滑阀线性化流量方程;利用液压弹簧刚度理论分析液压固有频率最小时非对称缸的初始位置和总容积,建立了阀控非对称缸的数学模型,提出了相应的设计准则,通过仿真和试验分析了该模型的动态特性,且与一般模型进行了比较。结果表明,该模型较一般模型更精确,更接近工程实际。

非对称泵直驱液压挖掘机斗杆特性研究

与阀控系统相比,泵控闭式系统具有无节流损失、驱动与动势能回收一体化的优点,是电液控制技术的发展方向,但对于目前广泛应用的单出杆液压缸,采用传统的进出口流量对称型液压泵,需要附加复杂的流量补偿回路平衡液压缸的面积差,在负载方向改变时会产生压力和速度突变,影响系统运行品质。为解决这些问题,提出一种能够匹配单出杆液压缸面积差的非对称泵闭式系统方案,在对称型轴向柱塞泵的基础上,将原配流窗口由2个修改为3个,其中与原泵出油口连通的窗口不变,连通单出杆液压缸的无杆腔。将原吸油窗口修改为2个,其中1个窗口与单出杆液压缸的有杆腔连通;第3个配流窗口为补偿窗口,与蓄能器或液压油箱连通。建立系统试验台,测试验证该新型系统方案的有效性,进一步将新回路原理用于控制液压挖掘机的斗杆,并对采用新方案后斗杆的运行和能效特性进行联合研究。研究表明,与传统对称泵控系统相比较,新系统具有良好的控制特性,可消除负载方向改变造成的速度波动,同时也显著降低了系统能耗。

非对称液压缸的动态特性仿真研究

根据液流的连续性原理,通过对非对称液压缸进行受力分析,研究非对称液压缸的动态特性。在此基础上,提出非对称液压缸的数学模型,得到了液压缸阻尼比、固有频率间的关系。根据其数学模型,运用MATLAB软件对挖掘机铲斗液压缸动态特性进行仿真,得到了非对称液压缸的速度响应曲线和大腔的压力曲线,直观地揭示了其动态特性。通过对影响铲斗液压缸动态特性的主要因素的分析,提出了加快其速度响应和改善其运动平稳性的实用措施,指出降低铲斗液压缸的超调量与提高铲斗液压缸的响应速度存在矛盾,需要针对具体情况协调考虑。

非对称阀控制非对称缸的分析研究

提出了非对称阀控制非对称缸的概念 ,并对传统的负载流量和负载压力重新进行了定义 ,依此对非对称阀控制非对称缸的静态特性和动态特性进行了分析 ,推导了其传递函数及方框图 。

变转速非对称泵直驱液压挖掘机斗杆试验研究

由于结构紧凑,易于并行驱动多执行器等优点,阀控液压缸系统被广泛应用于工业和工程自动化装备,存在问题是节流损失大,能量效率低。为了降低液压系统能耗,有效的方法是采用直接泵控技术,消除节流损失。但传统进出口流量对称型液压泵驱动非对称液压缸系统,需要附加复杂的回路补偿非对称液压缸面积差,并且当液压缸负载方向频繁变化时,控制腔交替变化,液压缸运行平稳性差。针对上述问题,提出一种能够匹配非对称液压缸面积差的非对称泵控缸闭式系统方案,并将其应用于控制具有四象限工作特性的液压挖掘机斗杆。为了验证新提出方案的可行性,在前期仿真研究基础上,构建非对称泵控液压挖掘机斗杆试验系统,对采用新方案后斗杆的运行和能效特性进行研究。测试结果表明,新系统具有良好的控制特性,可消除负载方向改变造成的速度波动,与采用泵阀复合进出口独立控制系统相比,一个工作循环降低能耗达57.0%。