伺服运动控制时油缸中的压力是如何变化的（ 液压传动与控制）

英文作者：Jack Johnson 电液控制专家

中文译校：腾益登

 

*本文大约1758字，建议阅读时间：~10分钟*

本文研究了一个阀控缸伺服系统的测试结果，该系统被设计用于电液运动控制的培训项目。

研究油缸两腔的瞬时压力非常有趣，因为它揭示了液压伺服系统某些固有特性或者叫奇怪现象。为了验证运动控制系统的特性，我们研究了一个带位置闭环控制的阀控缸的测试结果，见图1。

该机构被设计用于一个特殊的电液运动培训项目，油缸缸径为2英寸，杆径为1 3/8英寸，行程为6英寸，另外配置一个磁致伸缩线性位移传感器用于位置反馈。负载为一个厚4英寸，直径16英寸，重达250lb的飞轮。当3.5英寸的扭力杆垂直于活塞杆时，飞轮在油缸活塞杆端产生将近1500lb的等效质量。油缸与飞轮通过曲柄连接，如图1右下所示。这样的机械结构产生大约20Hz的自然频率。曲柄机构的约束限定了油缸的最大动作行程在6英寸以下。

PC带模拟量输入和输出的数据接口，利用其控制油缸运动。加速度，速度和位移曲线见图1所示。利用PC程序的VCCM（Valve Control Cylinder Motion）指令中的曲线合成模块（Profile Synthesizer module）对运动控制过程进行合成处理。采用比例控制，无积分或者微分控制环节。

图1 位移，速度和加速度曲线

图示左边，用于示意在整个周期中如何控制伺服机构。右上图，液压原理示意解释，而右下图是一个简化了的机械结构。控制初始阶段，存在一个0.6s的初始驻留区（速度为零）。在接下来的0.28s，以18in./sec.2的加速度平稳加速。接着，有0.5s的匀速区，速度5.1in./sec（覆盖大约2.5英寸的油缸行程）。接近油缸活塞杆伸出的终点，是0.28s的减速。终点位置保持0.5s。油缸活塞杆缩回的过程周期是对称的，然而，其在停止运动后持续约0.5s。

尽管图1示出了三条曲线，但是只有位置曲线是作为指令信号用的。计算机就是一个通用函数发生器。其保留的数据描述了位置控制过程中各个参数点对点的数值，并且提供一个不断变化的目标值，使得曲线数据符合位置反馈闭环。指令信号只是一个期望，告诉伺服系统如何跟随。然而，实际的油缸运动只是在接近的状态下进行。

电脑记录和跟踪不只是油缸在每个时刻应该所处的位置，而且也包括每时每刻的实际速度，油缸两腔的压力。油缸的实际运动与运动指令之间能达到多少的匹配度，是我们这次研究的主题。指令和反馈之间的差值简称误差信号，其及时反映了各个时刻误差信号的数值大小是多少。

图2叠加了油缸循环动作过程中无杆腔和有杆腔的压力变化，同时包含了测量的速度值，以便于计时。我们试图使压力变化与各种条件比如加速，匀速，减速，缸伸出，缸缩回等等互相建立关联。当然，指令曲线还是如图1所示。

引起兴趣最重要的一点在于：当油缸不运动时，油缸压力并不为零。图中，曲线变化开始于大约0.6s。在这区间，油缸杆腔和无杆腔的压力大约各自为790和395psi。其比值与油缸的面积比非常接近，都是约1.9。

图2. 油缸运动周期中，有杆腔和无杆腔的压力变化值

压力控制特性

传统观念认为，为了使油缸加速伸出，无杆腔压力上升而杆腔压力下降。然而，事实并非如此。在整个周期中，在大约0.7s处油缸加速伸出，无杆腔压力上升只持续了非常短的时间，但在整个加速伸出的第一个阶段，杆腔压力一直在下降。这就是液压伺服系统的事实。由于控制阀的压力控制特性，油缸两腔的压力并不为零。

油缸停止，并不是因为流量被切断，也不是因为阀回了中位。根据牛顿定律，其停止是因为力被带回了平衡状态，而平衡条件只有通过阀的压力控制特性才能实现。而且，阀的压力控制特性的存在是因为此阀-以及所有滑阀，均存在内泄露。在零位区域-在该区域阀芯基本上对中了，对于油缸的停止条件来说，压力控制特性比流量控制特性更为重要。

在阀打开，油缸获得一定速度之后，油缸腔中的压力将变成供油压力，油缸负载，油缸面积以及阀比率的函数。有趣的是，他们即不取决于前进的速度，也不取决于阀系数。

在0.9s和1.5s的区间，其与时间紧密相关，此处，速度基本是恒定的。杆腔和无杆腔压力各自为250和160psi。

当反向匀速运动的时候，其发生在2.5s和3s之间，两个压力各自为800和400psi。因此，现在很清楚了，在保持和推进之间，压力是大不同的，这是因为他们由阀的不同控制特征决定的。

这种现象在一些精密运动控制中就会导致一些问题，比如打头。当油缸从伸出转向缩回的时候，这种工况产生一个极大的，剧变的两个压力。大的压力变化可能产生很微小的反向拉动，从而造成镜片的瑕疵。压力的不同也可能导致在极低速工况时的一些问题，特别是当存在较大的摩擦力（breakaway friction）时。具有大的压力变化可能导致急速的启启停停的运动。