專利名稱：：一種多液壓缸同步控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種同步控制方法，尤其涉及一種用于多個(gè)液壓缸的同步控制方法。
背景技術(shù)：
：液壓元器件在現(xiàn)代冶金設(shè)備中的運(yùn)用越來越多，它具有反應(yīng)快、速度高、動(dòng)作穩(wěn)定、控制精度高等特點(diǎn)，液壓元件的運(yùn)用不僅對液壓專業(yè)提出了高的要求，同時(shí)對電氣專業(yè)也提出了更高的要求。液壓元件是執(zhí)行器件，其運(yùn)動(dòng)的規(guī)律完全依靠電氣專業(yè)的控制，電氣的控制必須要盡量作到安全、平穩(wěn)、快速、精度高。目前使用較多的同步控制方式是主從方式，就是選擇一個(gè)缸作為主缸，以主缸的運(yùn)動(dòng)作為基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)，其它缸為從缸，跟隨主缸。主缸動(dòng)作，從缸就動(dòng)作，主缸運(yùn)動(dòng)快，從缸就運(yùn)動(dòng)快，主缸停止，從缸就停止。先給定主缸一個(gè)速度，然后用主缸的位置作為從缸的控制目標(biāo)，這樣就實(shí)現(xiàn)了主從缸的動(dòng)作一致，并且在動(dòng)作控制上，只需要將控制信號發(fā)送到主缸上就行了。而主從方式有如下不足(1)主缸的選取存在難度，如果剛好選到比較差的缸作為主缸，那么會導(dǎo)致所有缸的運(yùn)動(dòng)受到約束。理論上說，用最接近于平均運(yùn)動(dòng)速度的缸作為主缸最為理想，但這種運(yùn)動(dòng)關(guān)系的尋找相當(dāng)麻煩，一般都是隨機(jī)確定主缸。(2)由于所有從缸的運(yùn)動(dòng)跟隨主缸。從缸的運(yùn)動(dòng)精度很難保證。有可能出現(xiàn)主缸在前面，而從缸在后面追不上，并且差距越來越大的情況。缸的運(yùn)動(dòng)精度無法保證。(3)由于運(yùn)動(dòng)速度由主缸決定，無法協(xié)調(diào)從缸與主缸的速度匹配，也就無法作到整體運(yùn)動(dòng)速度的最優(yōu)化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種無需區(qū)分主從缸的多液壓缸同步控制方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用下列技術(shù)方案一種多液壓缸同步控制方法，其特征在于所述控制方法包括下列步驟A、控制器判斷某一時(shí)刻缸的位移實(shí)際值PV是否到達(dá)行程值，若到達(dá)，則使得PID設(shè)定值SP等于該行程值；若不到達(dá)，則根據(jù)液壓缸的實(shí)際位置值PV計(jì)算出PID設(shè)定值SP;根據(jù)SP及PV使用PID算法得到一個(gè)比例閥的開度設(shè)定值，比例閥按照此開度設(shè)定值做閥芯移動(dòng)，并引起液壓缸的運(yùn)動(dòng)；B、將液壓缸的實(shí)際位置值PV反饋給控制器，轉(zhuǎn)入步驟A;所述PID設(shè)定值SP是根據(jù)下列函數(shù)計(jì)算出來的當(dāng)液壓缸處于上升狀態(tài)時(shí)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>式中，若Max-M/w<ATa則使得il/ax-M/w的值為Ka;若(Max-PF)*>Km則使得(Max-PF)*的值為Km;當(dāng)液壓缸處于下降狀態(tài)時(shí)SP=iT-[~^~式中若Max-M/w<《a則使得Atoc-M/w的值為ATa;若(戶r-*《c>i&w則使得(尸F(xiàn)-M'")*的值為夂w;其中，SP為某缸位移控制的PID設(shè)定值；PV為某缸的位移實(shí)際值；Max為位移最大缸的位移實(shí)際值；Min為位移最小缸的位移實(shí)際值；Ka為前進(jìn)速度系數(shù)；Kc為跟隨系數(shù)；Km為跟隨系數(shù)極限值；St印為控制周期運(yùn)動(dòng)步長。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明中的同步控制方法不限運(yùn)動(dòng)缸數(shù)；不限定缸的運(yùn)動(dòng)行程；沒有主從運(yùn)動(dòng)缸的分工；缸運(yùn)動(dòng)速度和精度可通過參數(shù)調(diào)節(jié)；缸的運(yùn)動(dòng)速度是不固定的，前后位置關(guān)系不是固定的；以最快的速度到達(dá)目標(biāo)值；最前缸與最后缸的位移值越接近，整體運(yùn)動(dòng)速度越快。圖l為本發(fā)明的控制原理圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明每個(gè)液壓缸帶一個(gè)位移傳感器，以測量實(shí)際位移。一個(gè)單獨(dú)的控制環(huán)路如圖l所示:首先控制器判斷某一時(shí)刻缸的位移實(shí)際值PV是否到達(dá)行程值，若到達(dá)，則使得SP的值等于該行程值，若不到達(dá)則根據(jù)液壓缸的實(shí)際位置值PV計(jì)算出PID設(shè)定值SP;然后PID算法根據(jù)設(shè)定值SP及PV計(jì)算出一個(gè)輸出值，此處的PID輸出值就是比例閥的開度設(shè)定。將此PID輸出值送到比例閥的輸入上，比例閥會根據(jù)此值作閥芯移動(dòng)，引起液壓缸的運(yùn)動(dòng)。由于要形成閉環(huán)控制，將液壓缸的實(shí)際位置信號反饋給控制器，作為PID算法的實(shí)際值PV。這樣一個(gè)簡單的位置閉環(huán)控制回路就形成了。當(dāng)多只缸同時(shí)動(dòng)作時(shí)，由于油路、閥、缸、載荷的差異性，勢必會導(dǎo)致同步性差。為了提高同步性，這里對設(shè)定值SP進(jìn)行相應(yīng)的變化。如果把運(yùn)動(dòng)快的缸的設(shè)定值SP減小，而把運(yùn)動(dòng)慢的缸的設(shè)定值SP加大，這樣就會引起PID計(jì)算值的相應(yīng)不斷變化，缸的運(yùn)動(dòng)速度也會隨之變化。也就是說，當(dāng)缸在運(yùn)動(dòng)過程中，設(shè)定值SP是一個(gè)根據(jù)同步性要求動(dòng)態(tài)變化的值。只有在當(dāng)缸的實(shí)際位移值到達(dá)行程要求時(shí)，這時(shí)的設(shè)定值才更改為行程值，不再變化。為了找到一個(gè)合理的設(shè)定值SP動(dòng)態(tài)變化范圍，必須先求得多缸運(yùn)動(dòng)的差異性的大小，即最大值與最小值的差值，以這個(gè)差值作為變化基數(shù)。具體計(jì)算方法如下-上升過程S尸尸r+[~~^~~+(Mox:-^r)*A:c]*&e/(2—1)若Mix-M'w<《a使得Max-Mw的值為尺a(2-2)若(Mkc—戶。*《c>《w使得(Max-尸F(xiàn))*尺c=《附(2—3)下降過程~~^~M""創(chuàng)W印(2-4)Max—Mfw若Max-M/"<fa使得Max-M/"的值為《a(2-5)若CPr-M")*《c>ATw使得CPF-M/")*《c的值為尺w(2-6)式中，SP為某缸位移控制的PID設(shè)定值，PV為某缸的位移實(shí)際值，Max為位移最大缸的位移實(shí)際值，Min為位移最小缸的位移實(shí)際值，Ka為前進(jìn)速度系數(shù)，Kc為跟隨系數(shù)，Km為跟隨系數(shù)極限值，St印為控制周期運(yùn)動(dòng)步長。從式中可以看出，某缸的位移控制PID的設(shè)定值SP是動(dòng)態(tài)變化的，是在實(shí)際值的基礎(chǔ)上作動(dòng)態(tài)的修改；當(dāng)缸向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，SP就是在實(shí)際值的基礎(chǔ)增加一定的量，讓PID控制算法得出向上運(yùn)動(dòng)的開度；當(dāng)缸向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，SP就是在實(shí)際值的基礎(chǔ)減少一定的量，讓PID控制算法得出向下運(yùn)動(dòng)的開度；并且SP修改值的大小與最大位移缸和最小位移缸的差值、以及此缸相對于最大位移缸或最小位移缸的位移差值相關(guān)。當(dāng)缸位移的實(shí)際值與設(shè)定值滿足系統(tǒng)要求時(shí)，SP應(yīng)該等于設(shè)定值，不再變化。2-1式或2-4式中的第一項(xiàng)PV就是此缸位移的實(shí)際值，現(xiàn)在把式中的第二項(xiàng)進(jìn)行分解，即SP值在實(shí)際值基礎(chǔ)上的增加量上升時(shí)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(2-7)下降時(shí)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(2-8)2-7式又可以分解為兩項(xiàng)(2-9)(Ma-尸r"Kc"嘩2-8式也可以分解為兩項(xiàng)(2-10)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(2-11)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(2—12)現(xiàn)假定缸作上升下降運(yùn)動(dòng)，上升運(yùn)動(dòng)位移值增加，下降運(yùn)動(dòng)位移值減小。對于位移增加的上升運(yùn)動(dòng)2-9式稱為前導(dǎo)因子，2-IO式稱為追隨因子。2-9式?jīng)Q定了最上面缸的SP值，當(dāng)此缸是最上面缸時(shí)，2-10式的值為0，2-9式的值隨Max-Min的值變化，最大與最小位移缸的差值越大，前導(dǎo)因子的值就越小，最上面缸的運(yùn)動(dòng)速度就會降低；最大位移缸與最小位移缸的差值越小，前導(dǎo)因子的值就越大，最上面缸的運(yùn)動(dòng)速度就會更快；如果差值小于了Ka，則前導(dǎo)因子的值就等于St印。就是說最上面缸的運(yùn)動(dòng)速度會受到最下面缸的影響。當(dāng)此缸是最下面缸時(shí)，2-9式的值相對非常小，起主導(dǎo)作用的將是2-10式，并且最大與最小位移的差值越大，2-9式的值將變得越小，2-10式的值變得越大，可能是數(shù)倍的St印，這樣經(jīng)過PID控制算法得出向上運(yùn)動(dòng)的開度就會很大，運(yùn)動(dòng)速度就會很快，當(dāng)越接近最大位移缸時(shí)，2-IO式的值就會變得越小，速度也會降低。只要此缸不是最大位移缸，都是處于追逐狀態(tài)，并且實(shí)際位移值越小，追逐速度越快，這樣就達(dá)到了同步的目的。對于位移減少的下降運(yùn)動(dòng)2-ll式稱為前導(dǎo)因子，2-12式稱為追隨因子。2-ll式?jīng)Q定了最下面缸的SP值，當(dāng)此缸是最小位移缸時(shí)，2-12式的值為0，2-ll式的值隨Max-Min的值變化，最大與最小位移缸的差值越大，前導(dǎo)因子的值就負(fù)得越小，最下面缸的運(yùn)動(dòng)速度就會降低；最大位移缸與最小位移缸的差值越小，前導(dǎo)因子的值就負(fù)得越大，最下面缸的運(yùn)動(dòng)速度就會更快；如果差值小于了Ka，則前導(dǎo)因子的值就等于一St印。就是說最下面缸的運(yùn)動(dòng)速度會受到最上面缸的影響。當(dāng)此缸是最上面缸時(shí)，2-ll式的絕對值相對非常小，起主導(dǎo)作用的將是2-12式，并且最大與最小位移的差值越大，2-11式的絕對值將變得越小，2-12式的絕對值變得越大，可能是數(shù)倍的St印，這樣經(jīng)過PID控制算法得出向下運(yùn)動(dòng)的開度就會很大，運(yùn)動(dòng)速度就會很快，當(dāng)越接近最下面缸時(shí)，2-12式的絕對值就會變得越小，速度也會降低。只要此缸不是最小位移缸，都是處于追逐狀態(tài)，并且實(shí)際位移值越大，追逐速度越快，這樣就達(dá)到了同步的目的。在上式中，可能出現(xiàn)一種情況，最大位移缸與最小位移缸的差值非常大，而第二位移缸與最大位移缸的差值又非常小，這時(shí)，由于參數(shù)選取的不合適，可能會出現(xiàn)第二位移缸的PID計(jì)算開度沒有最大位移缸的PID計(jì)算開度大，第二位移缸的運(yùn)動(dòng)速度沒有最大位移缸的速度快，但這種差值并不會很大。這時(shí)可以在控制程序里加一個(gè)判斷，強(qiáng)制把速度補(bǔ)上去，也可以不去理會，因?yàn)檫@樣的差值肯定會在控制的誤差范圍之內(nèi)。同步控制的最主要目的是要把最落后的缸盡快追上去。以上公式中，取值的一般范圍是St印理論計(jì)算的每控制周期行程值的24倍Ka:允許控制最大誤差的1/31Kc:510/允許控制最大誤差Km:35以上描述中僅對同步方法的公式及參數(shù)作了說明，未涉及PID算法的參數(shù)取值，PID參數(shù)取值需要根據(jù)具體執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)和傳遞函數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，并且可根據(jù)需要，取消I控制或D控制。此處不作說明。可以看出，這是一種動(dòng)態(tài)的同步，沒有缸數(shù)的限制，沒有行程限制，沒有主從的分工，每個(gè)缸都是平等的，缸的運(yùn)動(dòng)速度是不固定的，前后位置關(guān)系也可能不是固定的。通過前導(dǎo)因子和追隨因子的作用，讓最前面的缸保持向前運(yùn)動(dòng)，使后面的缸盡量快地追上來，這樣就可以在同步的運(yùn)動(dòng)中，以最快的速度到達(dá)目標(biāo)值，并且是最前缸與最后缸的位移值越接近，整體運(yùn)動(dòng)速度越快。式中St印的值即影響了前導(dǎo)因子的大小，也影響了追隨因子的大小，也就是說，調(diào)節(jié)St印的值就可以實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)速度的調(diào)節(jié)，增加St印值，運(yùn)動(dòng)速度加快，減小St印值，運(yùn)動(dòng)速度降低。PID算法為一個(gè)成熟的現(xiàn)有技術(shù)，在此不在進(jìn)行描述。凡是有多缸同時(shí)運(yùn)動(dòng)的控制狀況均可采用此方法進(jìn)行控制，本方法可以適用于多種液壓執(zhí)行器，如比例閾和伺服閥等。以連鑄機(jī)的翻轉(zhuǎn)冷床的液壓缸同步運(yùn)動(dòng)為例連鑄機(jī)的翻轉(zhuǎn)冷床的升降動(dòng)作是由四個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，要求的運(yùn)動(dòng)速度快，同步性要求比控制精度要求更高。每個(gè)缸都采用相同的位移閉環(huán)PID控制，具體的程序編制此處不作說明。A.控制周期不宜太長，但也不宜太短。太長會導(dǎo)致控制精度下降，太短會引起CPU負(fù)荷過重。實(shí)際應(yīng)用中，取控制周期為50ms。B.由于設(shè)備制造和裝配的問題，四缸的最低水平位置不會是一樣的，需要人工確定一個(gè)相對零點(diǎn)。C.由于選用的是通用型正遮蓋比例閥，又要作閉環(huán)控制，必須對零點(diǎn)死區(qū)作良好的處理，不然會導(dǎo)致開始動(dòng)作的等待時(shí)間非常長，一旦動(dòng)作，速度又相當(dāng)快，這樣比例閥就會失控。D.如果規(guī)定位移增加的上升運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎?，則下降運(yùn)動(dòng)位移應(yīng)該減少，方向?yàn)樨?fù)。同時(shí)要注意比例閥開度為正時(shí)，對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方向是不是為正，如果不是，程序中應(yīng)該反過來。由于比例閥的輸入信號為420mA，則12-4mA為開度負(fù)值，12-20mA為開度正值。E.當(dāng)實(shí)際位移值接近目標(biāo)行程值時(shí)，應(yīng)該把PID控制的SP值更改為目標(biāo)行程值。這時(shí)一定要注意運(yùn)動(dòng)的慣性，并且要通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定到位信號。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>首先,控制器判斷某一時(shí)刻的位移實(shí)際值是否到達(dá)該時(shí)刻的行程值300mm，若不到達(dá)，則根據(jù)液壓缸的實(shí)際位置值PV計(jì)算出PID設(shè)定值SP,根據(jù)SP和PV使用PID算法得到一個(gè)比例閥的開度設(shè)定值，比例閥按照此開度設(shè)定值做運(yùn)動(dòng)，并引起液壓缸的運(yùn)動(dòng)。液壓缸的實(shí)際位置值PV反饋給控制器從而形成閉環(huán)控制。經(jīng)過調(diào)節(jié)后的液壓缸的實(shí)際位置PV值會不斷的變換，因此SP的值與比例閥的開度設(shè)定值也會相應(yīng)的進(jìn)行不斷地調(diào)整。此實(shí)施例中PID參數(shù)的取值、同步參數(shù)的設(shè)定及其他參數(shù)如表1中的數(shù)據(jù)所示。采用此同步方法的效果是相當(dāng)明顯的，很好在控制了同步，并且運(yùn)動(dòng)速度也極快。在適當(dāng)放寬同步精度的條件下，還可以提高運(yùn)行速度，這要根據(jù)實(shí)際需要來確定。提高位移最大缸運(yùn)行速度可以修改的參數(shù)有增加P值，增加St印值，增加Ka值；提高追逐缸運(yùn)行速度可以修改的參數(shù)有增加P值，增加St印值，增加Kc值，增加Km值；提高反應(yīng)速度可以減小I值。但這些參數(shù)是相互制約的，修改某一項(xiàng)時(shí)，一定要考慮到對其它因素的影響。一般來說，如果調(diào)節(jié)整體運(yùn)動(dòng)速度，只需要修改St印的值就行了。同理，如果要調(diào)節(jié)最大缸的運(yùn)動(dòng)速度，修改Ka的值，如果要調(diào)節(jié)缸的追隨速度，修改Kc和Km的值就行了。同步最大誤差的產(chǎn)生時(shí)刻一般都是在剛啟動(dòng)的時(shí)候，這是由于各閥死區(qū)不同引起的，如果能換用伺服閥，則同步精度會大幅提高，運(yùn)行速度也能相應(yīng)提高。就是說在高精度控制的場合，此同步方法同樣適用，只是要將執(zhí)行元件換成精度更高的伺服閥。此方法能非常有效地解決因閥、油路、液壓缸、機(jī)械設(shè)備、載荷等因素導(dǎo)致的多油缸運(yùn)動(dòng)的不同步性；能保證在同步的條件下用最快的速度到達(dá)目標(biāo)值；不受運(yùn)動(dòng)缸數(shù)目和運(yùn)動(dòng)行程的限制；運(yùn)行速度與同步精度可以通過參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)在設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制精度要求非常高的情況下使用本同步方法，則需要將執(zhí)行元件換成高精度的伺服閥，使用方法一樣，只是參數(shù)需要更改。權(quán)利要求1、一種多液壓缸同步控制方法，其特征在于所述控制方法包括下列步驟A、控制器判斷某一時(shí)刻缸的位移實(shí)際值PV是否到達(dá)行程值，若到達(dá)，則使得PID設(shè)定值SP等于該行程值；若不到達(dá)，則根據(jù)液壓缸的實(shí)際位置值PV計(jì)算出PID設(shè)定值SP；根據(jù)SP及PV使用PID算法得到一個(gè)比例閥的開度設(shè)定值，比例閥按照此開度設(shè)定值做閥芯移動(dòng)，并引起液壓缸的運(yùn)動(dòng)；B、將液壓缸的實(shí)際位置值PV反饋給控制器，轉(zhuǎn)入步驟A；所述PID設(shè)定值SP是根據(jù)下列函數(shù)計(jì)算出來的當(dāng)液壓缸處于上升狀態(tài)時(shí)<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>SP</mi><mo>=</mo><mi>PV</mi><mo>+</mo><mo>[</mo><mfrac><mi>Ka</mi><mrow><mi>Max</mi><mo>-</mo><mi>Min</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mi>Max</mi><mo>-</mo><mi>PV</mi><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><mi>Kc</mi><mo>]</mo><mo>*</mo><mi>Step</mi></mrow>]]></math>id="icf0001"file="A2009101909500002C1.tif"wi="72"he="9"top="83"left="82"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>式中，若Max-Min＜Ka則使得Max-Min的值為Ka；若(Max-PV)*Kc＞Km則使得(Max-PV)*Kc的值為Km；當(dāng)液壓缸處于下降狀態(tài)時(shí)<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>SP</mi><mo>=</mo><mi>PV</mi><mo>-</mo><mo>[</mo><mfrac><mi>Ka</mi><mrow><mi>Max</mi><mo>-</mo><mi>Min</mi></mrow></mfrac><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mi>PV</mi><mo>-</mo><mi>Min</mi><mo>)</mo></mrow><mo>*</mo><mi>Kc</mi><mo>]</mo><mo>*</mo><mi>Step</mi><mo>;</mo></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009101909500002C2.tif"wi="75"he="9"top="117"left="82"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>式中若Max-Min＜Ka則使得Max-Min的值為Ka；若(PV-Min)*Kc＞Km則使得(PV-Min)*Kc的值為Km；其中，SP為某缸位移控制的PID設(shè)定值；PV為某缸的位移實(shí)際值；Max為位移最大缸的位移實(shí)際值；Min為位移最小缸的位移實(shí)際值；Ka為前進(jìn)速度系數(shù)；Kc為跟隨系數(shù)；Km為跟隨系數(shù)極限值；Step為控制周期運(yùn)動(dòng)步長。全文摘要本發(fā)明公開了一種多液壓缸同步控制方法，所述控制方法包括下列步驟A、控制器判斷某一時(shí)刻缸的位移實(shí)際值PV是否到達(dá)行程值，若到達(dá)，則使得PID設(shè)定值SP等于該行程值；若不到達(dá)，則根據(jù)液壓缸的實(shí)際位置值PV計(jì)算出PID設(shè)定值SP；根據(jù)SP及PV使用PID算法得到一個(gè)比例閥的開度設(shè)定值，比例閥按照此開度設(shè)定值做閥芯移動(dòng)，并引起液壓缸的運(yùn)動(dòng)；B、將液壓缸的實(shí)際位置值PV反饋給控制器，轉(zhuǎn)入步驟A；本發(fā)明中的同步控制方法不限運(yùn)動(dòng)缸數(shù)，沒有主從運(yùn)動(dòng)缸的分工，缸運(yùn)動(dòng)速度和精度可通過參數(shù)調(diào)節(jié)，缸的運(yùn)動(dòng)速度是不固定的，以最快的速度到達(dá)目標(biāo)值，最前缸與最后缸的位移值越接近，整體運(yùn)動(dòng)速度越快。文檔編號F15B21/00GK101672311SQ200910190950公開日2010年3月17日申請日期2009年9月24日優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日發(fā)明者灝龍申請人:中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司