液壓數(shù)字控制器(HNC)在液壓同步系統(tǒng)中的應(yīng)用

高載荷、大功率、長行程的系統(tǒng)通常要求使用多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成它的功能和動(dòng)作，如水庫閘門提升、大型集裝箱升降和一些大型壓機(jī)、試驗(yàn)機(jī)等。在這樣的大負(fù)載系統(tǒng)中，解決多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)同步問題，保證工程建設(shè)安全性和可靠性成為關(guān)鍵性的技術(shù)。在礦山、冶金、建筑和水利等領(lǐng)域中，液壓同步系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了軋機(jī)同步運(yùn)動(dòng)、大型屋架整體提升以及多閘門同步放落提升等技術(shù)應(yīng)用。HNC可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的復(fù)雜度、參數(shù)化、模塊化、算法簡單好用，易于工程技術(shù)人員接受、掌握和調(diào)試。HNC和比例閥組成的系統(tǒng)能夠有效提高系統(tǒng)控制精度和減少同步誤差。

1．液壓同步系統(tǒng)及比例閉環(huán)控制同步系統(tǒng)的分析

常用的液壓同步有速度同步和位置同步兩類。速度同步是指各執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度相等，而位置同步是指各執(zhí)行元件在運(yùn)動(dòng)中或停止時(shí)都保持相同的位移量。涉及液壓同步精度的控制方式有：容積控制、流量控制和伺服控制。伺服控制的同步精度最高，流量控制的同步精度次之。

電液比例控制閥應(yīng)用有了很大的推廣并取代了一大部分電液伺服控制系統(tǒng)。HNC的出現(xiàn)及應(yīng)用，可以有效提高比例閥液壓系統(tǒng)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，使其性能達(dá)到伺服閥的水平。而比例閥系統(tǒng)具有抗污染強(qiáng)、工作可靠、無零漂、價(jià)廉和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)又得以保持。此處所介紹的位置同步系統(tǒng)是一種典型的比例閥閉環(huán)控制系統(tǒng)，HNC在系統(tǒng)中代替PC控制器。

2．HNC控制系統(tǒng)和基于PC的控制系統(tǒng)的比較

控制系統(tǒng)用的HNC為Rexroth公司的HNC100-2X型，它是數(shù)字式液壓軸控制器，是一個(gè)對液壓缸進(jìn)行閉環(huán)控制的可編程N(yùn)C控制器，它滿足對液壓軸閉環(huán)控制的特殊指令形式而且還提供電氣驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)。實(shí)際上可以把HNC理解為模塊化的單片機(jī)系統(tǒng)，它的編程語言和編程環(huán)境(WIN PED)很簡單，而且閉環(huán)控制參數(shù)在WIN PED內(nèi)部已經(jīng)做好了，只需把系統(tǒng)參數(shù)放在程序的相應(yīng)位置就可以了，并不需要去設(shè)定PID參數(shù)，系統(tǒng)會自動(dòng)整定。若系統(tǒng)整定的參數(shù)試驗(yàn)效果不理想，調(diào)試過程中可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整PID參數(shù)。HNC集數(shù)字量輸入/輸出接口、模擬量輸入/輸出接口于一體，帶有串口用于和計(jì)算機(jī)通信，并有現(xiàn)場總線接口用于HNC至上位控制器的通信。HNC既可以用作控制器直接控制液壓伺服系統(tǒng)，也可用作終端驅(qū)動(dòng)器接收上位控制器的指令輸出。在本項(xiàng)目中HNC用作電液系統(tǒng)的控制器。

PC Based液壓伺服控制系統(tǒng)是在工業(yè)計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上添置模擬量輸入/輸出卡、數(shù)字量輸入/輸出卡（此部分可用PLC替代），通過對液壓系統(tǒng)建模、仿真分析優(yōu)化整定控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，用高級語言編程實(shí)現(xiàn)控制算法，最終根據(jù)運(yùn)動(dòng)要求，控制程序求得控制輸出后進(jìn)模擬量輸出卡，再由卡送電信號給控制閥，同時(shí)控制程序采集反饋信號，據(jù)此控制器求出控制輸出量后送輸出卡，接著閥根據(jù)卡送出的電信號將運(yùn)動(dòng)結(jié)果反映在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)變化上，這樣一個(gè)控制周期完成。經(jīng)過多個(gè)控制周期系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶要求的運(yùn)動(dòng)。此方法系統(tǒng)復(fù)雜、參數(shù)整定麻煩且程序可移植性差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，可靠性差。

3．電液同步控制系統(tǒng)的組成

電液同步系統(tǒng)原理圖如圖41所示，由圖41可知，電液伺服同步系統(tǒng)采用一對比例換向閥控制伺服缸，液壓缸內(nèi)部裝有磁致伸縮直線模擬式傳感器用于實(shí)時(shí)檢測液壓缸的位移，反饋信號直接送HNC。HNC內(nèi)部有濾波電路，可以對采集到的信號進(jìn)行濾波處理，同時(shí)HNC根據(jù)要求的運(yùn)動(dòng)命令信號和反饋信號分析計(jì)算后求得系統(tǒng)的控制信號分別送給比例閥，同樣閥可根據(jù)電信號強(qiáng)弱將運(yùn)動(dòng)結(jié)果反映在兩液壓缸的位移變化上，這樣一個(gè)控制運(yùn)動(dòng)周期完成。經(jīng)過多個(gè)控制周期后系統(tǒng)完成指定的運(yùn)動(dòng)。HNC有數(shù)字量輸入/輸出端口，程序能夠根據(jù)輸入端口的信號跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序，這點(diǎn)類似PLC的輸入/輸出端口，數(shù)字端可以直接連接控制面板，方便易用。

本項(xiàng)目采用BOSCH比例閥0811404046，該閥有兩種增益：在工作電壓-6～6V是小增益，-10～-6V，6～10V是大增益。小增益能夠提高系統(tǒng)在低速時(shí)的平穩(wěn)性和同步精度，而大增益能夠?qū)崿F(xiàn)大流量控制，使液壓缸快速同步接近工作點(diǎn)，節(jié)約行程時(shí)間，提高工作效率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該閥能夠滿足應(yīng)用要求，效果很好。

4．系統(tǒng)調(diào)試及分析

同PC Based液壓伺服系統(tǒng)不同，HNC控制系統(tǒng)只要少量幾個(gè)參數(shù)即可以調(diào)試出一個(gè)近乎最優(yōu)的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，只需知道系統(tǒng)最大流量，液壓缸的有效作用面積和系統(tǒng)壓力及外作用力，由此計(jì)算出液壓缸的最大運(yùn)動(dòng)速度及加速度就可以編寫程序了。在調(diào)試過程中應(yīng)該注意的事項(xiàng)有：

1)將一對位移傳感器零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)調(diào)整一致，這樣能夠保證液壓缸的同步精度最大程度地接近傳感器精度，方便調(diào)試。

2)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度和加速度、減速度不能夠超過理論最大運(yùn)動(dòng)速度和加減速度，否則會有意想不到的情況發(fā)生。

3) HNC帶有PID運(yùn)算功能，調(diào)試過程中P增益不宜調(diào)的太大，應(yīng)由小慢慢往上加，否則會帶來系統(tǒng)不穩(wěn)定問題。

4)信號干擾和屏蔽是要重點(diǎn)考慮的問題之一。

5．小結(jié)

試驗(yàn)表明，液壓缸從位移100mm同步運(yùn)動(dòng)到位移350mm過程中，同步誤差小于0.5mm，穩(wěn)態(tài)同步誤差0.1mm左右，單缸穩(wěn)態(tài)誤差小于0.02mm。可見系統(tǒng)同步精度高，穩(wěn)定誤差小，動(dòng)態(tài)同步效果好，能夠滿足大多數(shù)工程實(shí)際應(yīng)用。