一种高精度位移控制液压缸系统及其控制方法与流程

本发明涉及液压缸控制技术领域，尤其涉及一种高精度位移控制液压缸系统及其控制方法。

背景技术：

液压缸是液压系统的执行机构，广泛应用于在多种液压控制系统中，主要分为力控和位移控制两种类型。其中，位移控制系统中，系统向液压缸发送位移指令，并将液压缸的位移信号采集到控制系统与位移指令进行对比，通过控制伺服阀或比例阀的开度来控制液压缸的运动，从而达到精确动作的目的，液压缸的位移采集通过液压缸上集成的位移传感器来实现。

市场上有多种应用工况，有些特殊工况下，要求液压缸在具备大行程能力的同时，还在小行程范围内具有较高的位移控制精度，典型应用如在液压式振动台系统等动态测试领域：低频振动时，要求有大行程的能力；高频振动时，位移较小，要求有较高的控制精度。

目前，大部分位移控制式的液压缸将单一位移传感器集成在缸体内部，或只将单一位移传感器集成在缸输出杆端和缸筒外侧之间。但是由于在无法提高采集器测量量程的条件下，针对相同量程的采集器，位移传感器的位移行程越大，位移传感器的分辨率就越低，从而对液压缸的控制精度就越差；为了满足控制精度的高要求，就需要提高位移传感器的分辨率，也即降低位移传感器的量程，这样就使液压缸的行程受到限制；可见，在无法提高采集器测量量程的条件下，现有方式的位移传感器不能满足液压缸对高控制精度和大行程两方面的要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种高精度位移控制液压缸系统及其控制方法，以解决现有方式的位移传感器不能满足液压缸对高控制精度和大行程两方面的要求的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度位移控制液压缸系统，包括控制器，与所述控制器分别连接的液压缸、第一位移传感器以及第二位移传感器，其中，所述第一位移传感器和第二位移传感器分别设置在所述液压缸上，用于检测液压缸的输出杆的行程位移，且第一位移传感器的量程大于第二位移传感器的量程；

所述控制器能够接收所述第一位移传感器和第二位移传感器的位移反馈信号并根据位移反馈信号选择主反馈信号，所述控制器根据主反馈信号控制液压缸动作，从而形成液压缸动作的闭环控制。

进一步地，所述第一位移传感器设置在所述液压缸的缸体的内部，所述第一位移传感器的固定端与液压缸的尾部套筒连接，所述第一位移传感器的移动端与液压缸的输出杆连接。

进一步地，所述第二位移传感器设置在液压缸的缸体外部，所述第二位移传感器的固定端与液压缸的缸体外侧壁固定连接，所述第二位移传感器的移动端与液压缸的输出杆露在所述缸体外侧的端部连接。

进一步地，所述液压缸的尾部套筒上设置有第一固定座，所述液压缸的输出杆上设置有第二固定座，所述第一位移传感器分别通过第一固定座、第二固定座与液压缸的尾部套筒、液压缸的输出杆固定连接。

进一步地，所述液压缸的缸体外部设置有第三固定座，所述液压缸的输出杆露在所述缸体外侧的端部上设置有第四固定座，所述第二位移传感器分别通过第三固定座、第四固定座与液压缸的缸体外部、液压缸的输出杆露在所述缸体外侧的端部连接。

进一步地，所述第一位移传感器的行程和量程均不小于所述液压缸的输出杆的输出行程；

所述第二位移传感器的行程不小于所述液压缸的输出杆的输出行程，所述第二位移传感器的量程为所述液压缸的输出杆的输出行程的1/10～1/100。

进一步地，所述液压缸是单输出杆液压缸或双输出杆液压缸。

进一步地，所述控制器通过控制伺服阀控制所述液压缸动作，所述控制器通过采集器分别与所述第一位移传感器和第二位移传感器连接。

本发明还提供了一种高精度位移控制液压缸系统的控制方法，包括如上述所述的高精度位移控制液压缸系统，包括如下步骤：

S1控制器根据位移设定值控制液压缸初步动作，

S2控制器接收第一位移传感器和第二位传感器采集的液压缸动作后的输出杆的位移的反馈信号，并根据反馈信号的反馈值选择主反馈信号参与闭环控制，并计算位移设定值与主反馈信号的主反馈值的误差；

S3控制器根据误差再次控制液压缸动作；

S4重复步骤S2、S3直至所述液压缸的输出杆准确移动到位移设定值的位置。

进一步地，所述步骤S2控制器接收第一位移传感器和第二位传感器采集的液压缸动作后的输出杆的位移的反馈信号，并根据反馈信号的反馈值选择主反馈信号的具体过程分两种情况：

情况一，所述液压缸的输出杆由大位移区域移动到小位移区域：输出杆的位移值大于位移参考值，所述控制器选择第一位移传感器的采集信号作为主反馈信号，输出杆的位移值不大于位移参考值，控制器开启切换状态，并开始记录采集时间，控制器判定采集时间是否大于时间参考值；

采集时间不大于时间参考值，控制器继续选择第一位移传感器的采集信号作为主反馈信号；采集时间大于时间参考值，控制器选择第一位移传感器和第二位移传感器的采集信号的拟合值作为主反馈信号，且控制器同时开始记录拟合值作为主反馈信号的循环次数，并判定循环次数是否大于次数参考值；

循环次数不大于次数参考值，控制器继续选择第一位移传感器和第二位移传感器的采集信号的拟合值作为主反馈信号；循环次数大于次数参考值，控制器选择第二位移传感器的采集信号作为主反馈信号；

其中所述拟合值为第一位移传感器和第二位移传感器的采集信号的反馈值的加权平均值；

情况二，所述液压缸的输出杆由小位移区域移动到大位移区域：输出杆的位移值小于位移参考值，所述控制器选择第二位移传感器的采集信号作为主反馈信号，输出杆的位移值不小于位移参考值，控制器选择第一位移传感器的采集信号作为主反馈信号。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的高精度位移控制液压缸系统及其控制方法，在少量增加生产成本的情况下，使液压缸具有大行程的同时，还可在小行程范围内大幅度提高位移控制精度；这种液压缸系统加工简单易实现，拓宽了液压缸的应用领域，通用性强，可广泛应用于液压式振动台等位移控制式的液压系统中。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例1高精度位移控制液压缸系统的示意图；

图2是本发明实施例2高精度位移控制液压缸系统的控制方法的液压缸的输出杆由大位移区域移动到小位移区域的主反馈采集循环工作流程图；

图3是本发明实施例2高精度位移控制液压缸系统的控制方法的系统工作流程图；

图4是本发明实施例2高精度位移控制液压缸系统的控制方法的控制循环工作流程图。

图中：1：液压缸；2：第一位移传感器；3：第二位移传感器；4：控制器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1所示，本发明实施例提供的高精度位移控制液压缸系统，包括控制器4、液压缸1、第一位移传感器2以及第二位移传感器3。其中，所述第一位移传感器2、第二位移传感器3设置在所述液压缸4上，用于检测液压缸的输出杆的行程，且第一位移传感器2的量程大于第二位移传感器3的量程；所述控制器4与液压缸1的动作控制组件、第一位移传感器2以及第二位移传感器3分别连接，所述控制器4能够接收所述第一位移传感器2、第二位移传感器3的位移反馈信号，并能够控制液压缸1动作。

其中，液压缸1是执行机构，也是位移传感器的载体，其可以是双作用杆，也可以是单作用杆，也即所述液压缸1是单输出杆液压缸或双输出杆液压缸，其主要由缸筒，活塞杆，活塞，端盖等组成。液压缸的动作控制组件可以是伺服阀或者是比例阀，控制器4通过控制伺服阀或比例阀的流量输出来控制液压缸的运动；所述控制器4通过采集器分别与所述第一位移传感器2和第二位移传感器3连接，从而获取第一位移传感器2和第二位移传感器3的反馈信号。

作为一种实现方式，第一位移传感器2安装在液压缸1的缸体内部，所述第一位移传感器2的固定端与液压缸1的尾部套筒连接，所述第一位移传感器2的移动端与液压缸1的输出杆连接。液压缸1的输出杆动作带动第一位移传感器2的移动端移动，从而第一位移传感器2可以实时监测液压缸1运动时的位移测量，其中，所述第一位移传感器的量程和行程都至少是液压缸1的输出杆端可输出的行程。

所述第二位移传感器3设置在液压缸1的缸体外部，所述第二位移传感器3的固定端与液压缸1的缸体外侧壁固定连接，所述第二位移传感器3的移动端与液压缸1的输出杆露在所述缸体外侧的端部连接，所述第二位移传感器3的移动端随液压缸1全行程运动，但是，第二位移传感器3相比第一位移传感器1，其量程范围较小，在其量程范围内具有较高精度的测量能力，一般应用过程中，第二位移传感器3的量程的行程不小于液压缸1的输出杆端可输出的行程，但第二位移传感器3的量程根据实际需求配置，一般第二位移传感器3的量程设置在液压缸1的输出杆端可输出的行程的1/10～1/100之间。

需要说明的是第一位移传感器2和第二位移传感器3的设置方式不限于上述给出的形式，本实施例第一位移传感器2设置在缸体的内部是一种优选的方式，其延续了大多数现有的液压缸1的位移传感器的设置方式，这样可以在不改变现有的液压缸1以及其位移传感器的条件下，只需要增加第二位移传感器3即可，设备改造简单，投资省。

具体地，所述液压缸1的尾部套筒上设置有第一固定座，所述液压缸的输出杆上设置有第二固定座，所述第一位移传感器分别通过第一固定座、第二固定座与液压缸的尾部套筒、液压缸的输出杆固定连接。所述液压缸的缸体外部设置有第三固定座，所述液压缸的输出杆露在所述缸体外侧的端部上设置有第四固定座，所述第二位移传感器分别通过第三固定座、第四固定座与液压缸的缸体外部、液压缸的输出杆露在所述缸体外侧的端部连接。

作为一种实现方式，各个固定座可以通过螺栓等连接件与相应的液压缸部件和位移传感器连接。固定座的设置，不仅方便了第一位移传感器2和第二位移传感器3与液压缸的固定连接，也方便了第一位移传感器2和第二位移传感器3的更换。

本实施例高精度位移控制液压缸系统控制器根据两个位移传感器的反馈信号来确定主反馈信号并根据当前周期的位移设定值，计算主反馈信号的反馈位移值与位移设定值之间的误差，生成控制指令并输出给液压缸的伺服阀，实现实时闭环控制。

本发明高精度位移控制液压缸系统所述液压缸在执行动作时，通过两个位移传感器的相互配合和切换完成液压缸位移采集和控制，并通过控制器4合理选择两个位移传感器的反馈信号作为主反馈值，从而能够同时实现大行程和高精度位移控制和测量，增加了少量生产成本，达到了更好的效果，操作简便易行。

实施例2

本实施例提供一种针对实施例1高精度位移控制液压缸系统的控制方法，具体步骤如下：

S1控制器根据位移设定值控制液压缸初步动作。

S2控制器接收第一位移传感器和第二位传感器采集的液压缸动作后的输出杆的位移的反馈信号，并根据反馈信号的反馈值选择主反馈信号参与闭环控制，并计算位移设定值与主反馈信号的主反馈值的误差。

S3控制器根据误差值再次控制液压缸动作。

S4重复步骤S2、S3直至所述液压缸的输出杆准确移动到设定位移位置。

其中，步骤S2，控制器接收第一位移传感器和第二位传感器采集的液压缸动作后的输出杆的位移的反馈信号，并根据反馈信号的选择主反馈信号的具体过程包括两种情况：情况一，如图2所示(图中，Y表示“是”，N表示“否”)，所述液压缸的输出杆由大位移区域移动到小位移区域：输出杆的位移值大于位移参考值，所述控制器选择第一位移传感器的采集信号作为主反馈信号，输出杆的位移值不大于位移参考值，控制器开启切换状态，开始记录采集时间，并判定采集时间是否大于时间参考值；采集时间不大于时间参考值，控制器选择第一位移传感器的采集信号作为主反馈信号，采集时间大于时间参考值，控制器选择第一位移传感器和第二位移传感器的采集信号的拟合值作为主反馈信号，且控制器同时开始记录拟合值作为主反馈信号的循环次数，并判定循环次数是否大于次数参考值；循环次数不大于次数参考值，控制器继续选择第一位移传感器和第二位移传感器的采集信号的拟合值作为主反馈信号，循环次数大于次数参考值，控制器退出切换状态，并选择第二位移传感器的采集信号作为主反馈信号，第一位移传感器的采集信号不再参与控制；其中所述拟合值为第一位移传感器和第二位移传感器的采集信号的反馈位置值的加权平均值。

情况二，所述液压缸的输出杆由小位移区域移动到大位移区域：输出杆的位移值小于位移参考值，所述控制器选择第二位移传感器的采集信号作为主反馈信号，输出杆的位移值不小于位移参考值输出杆的位移值控制器选择第一位移传感器的采集信号作为主反馈信号。

需要说明的是，液压缸在工作过程中，第一位移传感器和第二位移传感器的信号始终处于被采集状态。位移参考值时根据第一位移传感器和第二位移传感器的精度进行的预先设定的一个大位移区域和小位移区域的分界具体位移值，时间参考值是根据液压缸的实际使用工况进行的预先的时间设定；次数参考值是根据液压缸实际使用工况预先设定的循环次数。

具体的，本实施例高精度位移控制液压缸系统的控制方法，控制器4工作时，同时采集第一位移传感器和第一位移传感器的信号，并根据图2所示的主反馈采集循环工作流程，确定主反馈值，再根据图4所示的控制循环工作流程，计算控制指令并输出给液压缸1的伺服阀，进而控制液压缸1输出杆端部位移。控制器4和第一位移传感器2和第二位移传感器3之间分别采用采集电缆连接，控制器4和液压缸1的伺服阀之间采用控制电缆连接。

本实施例高精度位移控制液压缸系统的控制方法主反馈确定原则如下：

设置液压缸的位移区域划分，分为大位移区域和小位移区域；小位移区域为第二位移传感器3的量程所覆盖的位移区域，大位移区域为液压缸1的输出杆可输出的最大位移区域除去小位移区域之外的其它区域。

当液压缸1工作在大位移区域时，控制器4将第一位移传感器2的采集信号作为主反馈值，参与闭环控制。

当液压缸1输出端的位移从大位移区域移动至小位移区域时，控制器4开启切换状态，切换状态开启后，前x(x值根据液压缸实际使用工况设定的时间参考值)秒，控制器4依然采用第一位移传感器2的采集信号作为主反馈值，x秒后，控制器4拟合第一位移传感器2和第二位移传感器3的采集信号，将拟合值作为主反馈值，参与闭环控制。同时，控制器4开启计次功能，记录采用拟合值作为主反馈的循环次数，当此次数大于n(n值是根据液压缸实际使用工况设定的循环参考值)时，控制器4退出切换状态，将主反馈信号从拟合值切换为第二位移传感器的采集信号，第一位移传感器2的采集信号不再参与控制。

液压缸1的输出端位移从小位移区域移动至大位移区域时，控制器4立即将主反馈信号从第二位移传感器3的采集信号或者拟合值切换为第一位移传感器的采集信号，第二位移传感器B3的采集信号不再参与控制。

控制器4具有至少2个通道采集和个1通道输出能力，具备采集通道的标定功能。控制器4对第一位移传感器2和第二位移传感器3的采集值进行标定，确保两个位移传感器在小位移区域内的采集信号，中位、幅值、相位等方面都只存在极小的差距，该差距在切换过程中可忽略不计。

综上所述，本发明高精度位移控制液压缸系统及其控制方法，液压缸系统加工简单成本低，通用性强，控制精度高，控制流程简单，应用范围较广。

需要说明的是本发明所述液压缸可应用但并不局限于液压式振动台系统中，在不脱离本发明宗旨的前提下能做出各种变化和拓展，比如可应用于有相同使用需求的液压位移控制系统或电气位移控制系统中，可以起到同等效果，本发明中未作详细描述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。