数字比例控制器及电液轴控制器

(1)电液轴的概念

电液控制系统中执行元件上的独立受控制参数称为电液轴。一个电液轴表示电液控制系统中一个被控制对象及其受控参数的集合

电液轴控制器是电液轴控制系统中的电控装置(见表数字技术在电液控制系统中的应用与技术优势中图1)，采用计算机控制原理的功能化的系统控制产品。它本质上是一个计算机控制系统

(2)电液轴控制系统的构成(以单轴控制器为例)

单轴控制器与阀控缸组成的电液轴控制系统如图所示

图1　单轴控制器与阀控缸组成的闭环控制系统

X1—数字量输入输出接口；X2—模拟量输入输出接口；X3—编码器接口；X4，X8—CAN通信接口；

X5—Profibus DP、INTERBUS-S(OUT)通信接口；X6—供电端子；X7—CANopen、INTERBUS-S(IN)的串行通信口

显然，这是一种基于模块化思想构造系统的方法。通过设定端口参数和编写程序，就可设计出不同的电液控制系统。采用这种方法组建电液控制系统使硬件和接口设计变得相当简单，且系统设计具有很大的灵活性

从图1的控制面板可知，通用的电液轴控制器提供了功能强大的接口。确定输入装置和检测元件的信号类型几乎不受限制

单轴控制系统原理框图如图1所示

图2　基于单轴控制器的电液控制系统原理框图

(3)电液轴控制器的分类

表1

1．按控制电液轴的数量分类

单轴、双轴和多轴

2．按系统参数的通用性分类

通用、专用

3．按电液轴控制器的结构分类

集成式、分体式

(4)通用电液轴控制器的组成与主要功能

表2

电液轴控制器的组成

主要功能

1

位置控制器(采用软件激活)

(1)可实现PDT1控制，即比例、微分、时间控制

(2)状态反馈和设定值前馈

(3)单台双轴或多轴数字比例控制器可完成双缸或多缸比例同步控制，多台单轴数字比例控制器通过总线可实现多缸位移的比例运动

(4)可进行零位误差补偿、精确定位及“与位置相关的制动”，位置控制精度高

以位置控制系统为例，负载变化引起位置稳态误差的过程如图3所示

图3　负载变化引起的位置控制系统稳态误差示意图

在图3中，如果没有采取补偿措施，则当负载变化ΔF时，液压缸就会产生Δs的位置控制误差。采用电液轴数字控制技术后，计算机检测到偏差Δu后，可调用补偿模块，减小甚至消除位置控制误差Δs

(5)通过软件生成线性增益和内弯曲特性曲线，解决了比例阀控制特性的非线性问题，如图4所示

图4　液压阀口的非线性及其补偿效果

(6)增益调节可编程。电液比例控制系统执行元件(电液轴)上的负载不对称引起系统控制参数不匹配，通过NC程序进行增益更换和增益的方向调整，可解决负载不对称引起电液轴上控制参数不匹配的问题，如图5、图6所示

图5　控制回路放大系数不对称　　　　　　　　　　　　图6　修正控制回路的不对称性

采用不同的补偿系数修正回路增益，可获得液压缸前进和后退时所需要的系统增益，即

K_aK_as＝KK_bK_bs

式中　K——执行元件前进、后退时系统要求的不同增益的比例系数；

K_a——补偿前液压缸前进的回路增益；

K_b——补偿前液压缸后退的回路增益；

K_as——液压缸前进时的回路增益补偿系数；

K_bs——液压缸后退时的回路增益补偿系数

通过上述措施，可得到液压缸在不对称负载工况下的运动对称关系，如图7所示

图7　采用增益补偿前后的液压缸运动对称关系

2

压力/力控制器(软件)

(1)可实现PIDT控制，即比例、积分、微分、时间控制

(2)可通过编程界面引入或取消积分环节

(3)可完成压差估算

3

速度控制器(软件)

(1)可实现PI控制，即比例、积分控制

(2)可通过编程界面引入或取消积分环节

4

监测模块

系统状态动态监测、编码器及4~20mA传感器电缆断路监测，故障诊断与显示

5

输入/输出接口

模拟量

接受或输出±10V，±20mA、0~20mA、4~20mA等标准信号

数字量

接受或输出8位、12位、16位等二进制编码

6

串行接口

RS232、Profibus DP、CANopen、INTERBUS-S等通信端口

7

程序和数据存储器Flash EPROME EPROM、RAM

EEPROM保存程序和系统的专用数据(配置、设定值等)

数据存储器可记录多通道数据(给定信号、反馈信号、压力信号)，这些数据可通过通信口读取，还可显示在编程界面上。这方便了设备的调试和故障诊断

(5)基于电液轴控制技术的液压控制系统设计与调试方法

单个电液轴位置控制器构成的系统如图8所示

图8  单轴控制系统原理图

图中，液压缸、比例阀、传感器的设计选型与模拟式电液比例控制系统的设计方法没有区别。控制器选型时，其功能、快速型和通道数量满足要求即可。接口参数的匹配和系统控制参数的调整通过软件编程完成，必要时可调用已有的功能模块。这种基于硬件和软件模块化的设计方法可加速设计进程

电液轴位置控制系统调试的步骤和要点如下

1)先关掉积分开关I和状态控制器(在编程界面中完成)

2)将比例系数P设为零，再逐渐增加比例控制器的比例系数P，直到观察到执行元件开始出现高频振荡现象，此时对应的P值为P_max。该现象可通过位置传感器或压力传感器的数据通道由示波器或上位机编程界面看到。如图9所示

图9  调整增益P的系统响应

3)按设置P值(保存在软件变量中)

4)设置I到所要求的精度

① 逐渐增加I值，直到观察到执行元件出现振荡，这时的I值为I_max

② 按设置好I值(也保存在软件变量中)

5)对于大质量的系统(固有频率极低的系统)，启用状态控制器