改进机电系统液压控制的五个技巧

在工业生产的某些领域，液压技术仍然是国王，凭借速度，力和功率密度可用。在这些应用中，鉴于可预见的技术，机电驱动不太可能有效地取代液压。由于液压系统可以提供一些独特的优势，因此它们越来越多地与先进的控制系统相结合，以在精度和灵活性上与机电驱动相匹配。

现代液压驱动是机电一体化链中不可或缺的一环，也是整个工业4.0机器概念的重要组成部分。然而，基于物理性质和需要解决的限制，使用液压系统会带来许多挑战。在将液压驱动纳入机器设计时，请务必考虑这些重要提示，以提高功能和性能。

技巧1:使用速度来稳定和提高性能

几乎所有的机电驱动器都包含某种类型的速度反馈传感器，它紧密地集成到驱动器控制器的功能中。其结果是驱动器的一个定义良好的单位速度信号(速度增益)。然而，在液压驱动中，执行器的速度是指令信号的函数，并且受到执行器上负载的强烈影响。

这种速度的变化对驱动器的回路增益有直接影响，并最终影响运动的稳定性和/或准确性。在控制器中添加速度反馈传感器可以消除这个问题，但很少这样做，特别是对于不熟悉液压驱动的控制工程师。例如，使用为机电驱动设计的CNC控制器，通常不具备添加速度反馈的能力，并且会导致响应，精度或两者的性能低于标准。

为了实现完整的系统功能，与液压驱动器一起使用的控制器必须具有补偿系统增益变化的功能。这些特征通常包含某种速度估计器来计算估计的速度并稳定总体增益。

专门的滤波器或“观测器”可以使用可用的反馈信号并导出估计的速度信号以用于控制。观测器利用系统的简化数学模型推导出计算得到的速度信号。

技巧2:使用基于控制的阻尼液压驱动

阻尼在现代高性能驱动系统中至关重要。当使用机电驱动时，驱动器控制器内嵌入的扭矩和速度回路为驱动器提供了高水平的刚度和阻尼。

相比之下，与机械驱动元件相比，液压驱动使用的流体是柔顺的。当流体的顺应性或弹性与负载惯性或质量相结合时，形成相对低频的“弹簧-质量”系统，具有较低的固有阻尼。当性能要求收紧时，驱动系统可能有振荡的趋势。

改进的唯一选择是增加液压传动的阻尼，以增加带宽和性能。传统的阻尼方法包括控制内部流体泄漏，或电阻摩擦元件来抑制振荡。虽然有效，但在使用这些方法时，驱动器效率降低和刚度降低是不希望的副作用。

今天的控制技术可以为液压传动提供先进的阻尼方法。

这些可分为三类:基于传感器的、基于观察者的和实时衍生的。在基于传感器的阻尼中，变频器被添加到驱动器中。这些传感器可以是速度、加速度或压力传感器，也可以是两者的组合。利用电子滤波技术，这些传感器测量不稳定开始时产生的不希望的运动，然后通过应用校正信号抵消不希望的运动。缺点是增加换能器的额外成本和机械复杂性。

利用基于观测器的阻尼，在控制器中存在一个简化的驱动器数学模型。该模型包括谐振和驱动器固有的低阻尼。使用可用的反馈信号(通常是位置传感器)，观测器预测不期望运动的存在，并提供补偿信号来消除它们(图1)。这消除了对额外传感器的需求，但代价是需要更大的计算能力和复杂性，以及生成观测器模型所需的系统动力学的详细知识。

实时推导使用可用的换能器信号，类似于观测器，但通过推导反馈中存在的频率信息来识别非期望运动的信息。使用诸如逆fft之类的方法，与期望运动不相关的信号被用作校正信号。由于不需要系统的数学模型，使用这种方法时设置更简单，控制的灵活性最大，但计算需求和软件复杂性限制了专用系统的使用。

对于未来工业机械所需的高性能要求，液压驱动器的低固有阻尼将成为一个重点领域，在使用可以提供额外补偿的控制系统时可以最好地解决这个问题。当今大多数标准性能的计算机数控(cnc)和可编程逻辑控制器(plc)不包含这些功能，因此使用专门为液压设计的高性能控制器具有优势。

参见额外的提示管理力与液压控制和提示使用液压在机电一体化

技巧3:用专门的液压控制来控制力(压力)

无论是单独的力控制还是与定位控制相结合的力控制，都是液压传动中越来越重要的要求。在使用传统控制器(如压力机)的典型应用中，在给定的定位点之前可以使用全部压力力。虽然适用于某些应用，但基于各种工艺要求控制或限制力(或扭矩)的能力正在成为当今的关键要求。随着柔性生产单元在工业4.0工厂中变得越来越普遍，能够根据生产应用需求改变和控制不同程度的施加力，以及控制速度和位置，将成为许多液压驱动系统未来的“必备”。

控制力，或在液压执行器或驱动器中添加力限制，可能是最具挑战性的液压控制功能。这是因为在高性能系统中，执行器的可用压力变化率(单位时间内的压力变化)可以超过100,000 psi/秒。

这个速率使得控制阀和控制电子元件的响应成为一个关键因素。如果控制阀或控制电子设备对于所需的应用太慢，则结果可能是压力控制性能差。由此产生的问题包括压力超调和过调、压力不稳定以及无法达到预期的精度。

许多控制工程师和技术人员一直试图控制压力，或力，使用plc作为控制的基础受挫。较差的吞吐量(吞吐量= PLC扫描时间+模拟输入转换时间+模拟输出转换时间)可能导致更新速率长达数十毫秒，这可能使压力在生成下一个输出值之前超过所需的设定点，从而导致超/欠冲或不稳定。

使用专为液压控制应用而设计的控制器可以消除这些问题。高吞吐速度，结合超越传统比例-积分-导数(PID)控制回路的控制算法，可以在最极端的性能要求下直接或预测控制压力和力，并提供准确，稳定的压力和力控制。

提示4:记住液压驱动是非线性装置

液压执行器的控制通常不是一个线性过程。控制阀是一种电阻装置，类似于电阻器，其中流量(电流)是设备上压降(电位降)的函数。其结果是与供应压力(Ps)减去负载压力(Pl)成比例的流量。因此，给定阀门指令的流量将随着负载和供应压力的变化而变化。此外，许多液压控制阀不具有线性流量与信号特性(图2)。其结果是液压轴的控制回路增益可能变化很大。如果不了解这个非线性增益项，通常会导致性能差或不稳定。

控制通常是精度和稳定性之间的折衷。为了改进控制，控制器必须能够补偿这些非线性特性，以便增益，从而精度和响应可以优化。设计用于液压工作的先进控制器将具有补偿或线性化阀门特性的能力，以大大提高系统性能。额外的控制功能还可以监控负载力或压力，并自适应调整控制器增益，以最大限度地提高可用性能。

提示5:位置积分器可以帮助优化端点精度

当液压执行器被控制器定位时，基本控制特性会发生变化。阀控液压定位系统具有运动积分项的特征。这意味着阀门控制信号的变化会导致执行器速度的变化。因此位置定义为:X=∫(信号输入)dt

然而，当执行器到达其期望位置时，控制特性将从积分控制变为比例控制。这是由于液压阀内部泄漏流动造成的。其结果是，期望的位置可能永远不会到达。此外，在最终位置所需的载荷或力越大，潜在的定位误差就越大。

使用积分器进行定位控制，可以实现高精度的最终位置，但也可能在移动的运动部分引起显著的不稳定。解决方案是使用一个控件，该控件可以在定位点周围的小窗口内动态预置和打开控件中的积分项，并在移动的其他部分关闭。这大大提高了最终定位的准确性，而不会在运动过程中不稳定。

积分器的开关点一般是基于几个条件来选择，以优化控制。此选项是可用的，当使用现代高性能控制器设计的液压轴控制。

液压提供工业4.0的优势

在工业生产机械中使用液压驱动器，特别是在新的工业4.0应用中，需要高性能，高精度和灵活的配置能力。如今，许多oem和最终用户用于液压驱动器的传统plc和PID控制器不能提供高性能液压驱动器所需的专门控制功能。未来的需求将需要专门设计和优化这些功能的控制器。这些“液压优化”控制器将为未来的工厂实现全方位的功能和性能。

液压在机电一体化中的应用技巧

• 在液压驱动中使用速度传感器或导出的速度值，以提高稳定性和精度
• 阻尼是现代高性能液压驱动系统的关键;使用三种方法中的一种来增加阻尼，每种方法都有其独特的优点:基于传感器、基于观测器和实时推导
• 控制力，或在液压执行器或驱动器中添加力限制是具有挑战性的;有高性能的控制器技术
• 采用先进的算法设计，专门为液压驱动应用
• 由于液压驱动器和阀门具有非线性特性，驱动控制器必须能够提供补偿，以便增益，从而精度和响应可以优化
• 当液压执行器到达所需位置时，控制特性将由积分控制转变为比例控制;使用可以动态前置和切换积分项的控件，以提供高端点精度，同时保持运动期间的稳定性。

- Paul Stavrou是博世力士乐应用工程经理。埃里克·r·艾斯勒主编，石油与天然气工程，eeissler@cfemedia.com．

关键概念

• 大多数机电驱动器使用速度反馈传感器，紧密集成到驱动器控制器的功能中。
• 利用基于观测器的阻尼，在控制器中存在一个简化的驱动器数学模型。
• 力控制是液压传动中越来越重要的要求。

考虑一下这个

液压系统可以提供一些独特的优势。它们越来越多地与先进的控制组合在一起，以匹配机电驱动器的精度和灵活性。

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