某液压伺服系统振动分析及改进

宋丽华，张广阔

（1.大连四达高技术发展有限公司，辽宁大连 116023；2.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006）

0 引言

传统液压系统的动作不是特别精确，因为大部分液压阀是开关阀，控制方式常常是开环控制，或者使用不精确的反馈机制，例如限位开关或由操作员控制的操作杆。随着液压系统在航空航天领域的发展，液压传动系统已经不能满足对其精度高、响应快、定位准等的高要求，因此，液压伺服控制系统逐渐发挥其优势并应用越来越广泛[1]。本文所研究的设备为航空航天领域某机构试验系统，旨在研究液压同步伺服系统的应用[2]，从机构实际应用中遇到的问题着手，分析并找到解决方案，为液压伺服控制系统在实际应用中提供参考。

1 机构组成

如图1 所示，机械结构为液压油缸双缸同步控制机构，2 个油缸的缸杆端同时铰接在机械结构件上，无杆腔为自由端；当油缸无杆腔供油时，双缸同时伸出，要求双液压缸具有较高的同步精度，推动机械结构件围绕转轴进行摆动，从而使机械结构完成一定范围内的角度运动。

2 系统控制原理

图1 机械结构

如图2 所示，为本机构液压同步伺服控制原理图[3]，图中2个液压缸各自由1 个伺服阀控制，伺服阀采用国际知名品牌德国力士乐4WSE2E 系列带集成电子元件的喷嘴挡板伺服阀，控制信号为±10 mA；2 个液压缸分别内置德国巴鲁夫公司的BTL7 系列磁滞伸缩位移传感器，信号为SSI 数字接口，分辨率1 μm，同步模式输出；同时，系统压力检测通过配备高精度压力传感器来实现，选用德国贺德克公司HDA4800 系列金属膜片式压力传感器，响应时间＜1 ms。

电气控制系统采用采用美国DELTA 的RMC150 运动控制器，实现2 个液压轴严格同步，其控制器硬件及RMC 软件系统，如图3 所示。RMC150 能够轻松实现重载荷的精确移动，对电液执行器可以实行精确地闭环控制。使用闭环控制主要是因为它的灵活性、准确性、速度可控性以及在不同工况（例如负载变化）下保持精确调节的能力。控制器有了精确的位置和压力反馈后，可以选择以下5 种控制模式中的1 种：①位置控制，②力控制，③位置或力控制，④限力情况下的位置控制，⑤主阻尼控制。

图2 系统控制原理

图3 DELTA 控制器

由于系统为双缸同步控制，因此采用闭环位置控制模式，位置PID 控制算法。将持续的反馈和闭环控制相结合，闭环控制将反馈装置发送的位置反馈信号和理想位置做比较，实现2 个油缸同步精度控制。

3 问题及分析

试验之初，将机构连接轴脱开，使2 个油缸空载运行，经过多次往复运动，2 个油缸的同步性很好。但是当液压油缸缸杆与机械结构相连，再进行同步运动时，随着油缸位移的增加，设备产生明显抖动现象，导致设备无法继续进行试验。经过排查液压回路及机构，分析并排除了常规导致系统产生振动的原因，例如管路内空气未排尽、机械结构干涉等，发现此并非问题所在。

进一步从液压控制原理上进行分析，由于2 个油缸均铰接在同一个机械结构上，围绕轴心转动时，不考虑装配和安装间隙等因素的情况下，可以认为2 个油缸和机械结构是刚性连接体。当其中1 个油缸的位置固定后，另外1 个油缸只有唯一的对应位置，不适合采用液压强制严格同步控制。由于位置的实时调整，系统产生的内力会造成2 只油缸的受力不一致，从而引起机构抖动。

图4 改进的系统原理

图5 DELTA 的RMC150运动控制

4 系统改进

基于上述原因考虑，对系统进行了优化改进，改进后的系统原理，如图4 所示。此方案更改为将2 只油缸的大腔与大腔相连通、小腔与小腔相连通，由2个伺服阀分别控制2 个液压缸的模式，更改为1 个伺服阀控制2 个液压缸的模式。相当于2 个油缸等效成1 个油缸，由1 个伺服阀进行控制。

对改进后的系统重新进行试验，空载运行依然良好，加载后系统振动现象消失。如图5 所示，从DETAL 控制器RMC150 软件的运动图中可以看出，液压油缸双缸的跟随性很好，同步精度较高。

5 总结

运动控制的最高境界就是通过最佳的控制方法对系统实现精准的位置、速度和加速度控制。在做高精度、高频响的伺服系统时，除了配置高精度、高响应的位置、压力反馈元件外，也要从机械结构和系统的匹配合理性出发进行设计，使控制与系统达到更优。这对伺服系统的设计和应用以及控制系统功能实现，都具有一定的现实意义。