异构多阀并联驱动电液伺服系统及控制方法与流程
本发明涉及电液伺服系统及控制，具体涉及一种异构多阀并联驱动电液伺服系统及控制方法。
背景技术：
电液伺服在工业生产中应用广泛，随着技术的进步，对电液伺服系统的流量、响应速度性能要求也越来越高，因此大流量、高精度电液伺服阀应运而生。但是大流量电液伺服阀的低速性能不理想，而且成本较高。为了节约成本并满足高精度控制要求，使用多个伺服阀/比例阀并联控制的方案具有一定理论和实现意义。
中国专利cn201210467404.2的专利公开了“一种液压并联式速度换接回路连接方法”该方法通过并联两个调速阀，通过调速阀实现两次进给速度的切换回路，通过该方法使系统的位置控制精度得到了提高。其次中国专利申请号为cn200820087129.0的专利公开了“基于并联型先导级的大流量高频响电液伺服阀”，该专利提出一种并联多个小流量的伺服阀等效为大流量伺服阀的方法，随后通过同步控制控制算法实现各个伺服阀输出流量的同步，该方法有效提高了系统的响应精度和流量。
虽然上述方法都改进了电液伺服系统的控制精度与响应速度，但由于都是采用相同的阀进行并联，因此在控制的时候通常采用同步控制方法，而同步控制要求系统中各个阀的性能指标尽量一致，因此会导致系统的成本上升、可靠性降低。
技术实现要素：
发明目的：本发明的目的是提供一种异构多阀并联驱动电液伺服系统及控制方法，解决现有多阀并联系统中同步控制对阀的性能指标要求高，可靠性低，成本高的问题。
技术方案：本发明所述的异构多阀并联驱动电液伺服系统，包括柱塞泵，所述柱塞泵进油口连接油箱，所述柱塞泵出油口通过单向阀后通过支路连通并联的各个伺服阀和比例阀，各个伺服阀和比例阀的回油口通过管路与油箱连通，各个伺服阀和比例阀的出油口通过管路与液压缸连通，所述液压缸的活塞杆信号连接位移传感器，所述位移传感器与控制器的输入端信号连接，所述控制器的输出端与各个比例阀和伺服阀信号连接。
其中，所述柱塞泵电连接三相电机，所述三相电机控制柱塞泵工作。
为保证主回油管路上的管道压力，所述单向阀通过回油支路连通油箱，所述回油支路上设置有溢流阀和滤油器。
本发明所述的异构多阀并联驱动电液伺服系统的控制方法，包括以下步骤：
(1)控制器根据系统的工作时间t计算得到当前液压缸的目标位移xd，并对xd求一阶导数
(2)根据得到的目标位移和位移偏差及导数计算得到驱动液压缸运动的总流量qy(t)，计算公式如下：
其中，dy、my、by、dy和cy均为液压系统通过数学模型得出的自适应可调参数；
(3)以步骤(2)得到的驱动液压缸运动的总流量作为初始剩余总流量，初始剩余总流量qyi(t)＝qy(t)；
(4)将剩余总流量根据各个比例阀的工作优先级依次分配各比例阀的流量，根据分配的流量得到当前控制周期内比例阀的控制电压，具体如下：
当qyi(t)＞fi(upi(t-t)+δupi)时，比例阀pi的控制电压置为upi(t)＝upi(t-t)+δupi；
当qyi(t)＜fi(upi(t-t)-δupi)时，比例阀pi的控制电压置为upi(t)＝upi(t-t)-δupi；
当fi(upi(t-t)-δupi)≤qyi(t)≤fi(upi(t-t)+δupi)时，qyi(t)＞0则比例阀pi的控制电压置为
其中，
(5)分配完各个比例阀的流量后的剩余流量根据伺服阀的工作优先级依次分配各个伺服阀的流量，根据分配的流量得到当前控制周期内伺服阀的控制电压，具体如下：
当gi(usi(t-t)-δusi)≤qyi(t)≤gi(usi(t-t)+δusi)时，伺服阀si的控制电压置为usi(t)＝usi(t-t)+δusi；
当qyi(t)＜gi(usi(t-t)-δusi)时，伺服阀si的控制电压置为usi(t)＝usi(t-t)-δusi；
当gi(usi(t-t)-δusi)≤qyi(t)≤gi(usi(t-t)+δusi)时，伺服阀si的控制电压置为
其中，si的电压值增量
(6)工作时间t＜tmax0时，进行下一个控制周期的控制，对自适应可调参数进行更新，然后重复步骤(1)-(5)，直到t≥tmax0，系统停止控制。
其中，所述步骤(1)中根据预设函数xd＝f(t)计算液压缸的目标位移，根据e＝xp-xd计算位移偏差。
所述步骤(6)对自适应可调参数进行更新具体为：
自适应可调参数my根据公式
自适应可调参数by根据公式
自适应可调参数cy根据公式
自适应可调参数dy根据公式
自适应可调参数dy根据公式
其中，mymin、mymax分别为my的最小值与最大值，bymin、bymax分别为by的最小值与最大值，cymin、cymax分别为cy的最小值与最大值，dymin、dymax分别为dy的最小值与最大值，dymin、dymax分别为dy的最小值与最大值，λ为系统增益。
有益效果：本发明通过通过多阀并联协调控制方法弥补了比例阀存在的死区和响应速度慢等问题，在满足高精度、快响应、大流量等性能的同时，还通过异构多阀的并联结构节约了成本，并通过自适应鲁棒算法解决了存在的自适应可调参数和外部干扰等问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明控制流程示意图；
图3是引用本发明的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，异构多阀并联驱动电液伺服系统主要包括：柱塞泵6，三相电机7，比例阀p13、比例阀p2……比例阀pm2，伺服阀sm+19、伺服阀sm+2……伺服阀sn10，单向阀8，液压缸1，溢流阀4，位移传感器12，控制器11，滤油器5。三相电机7与柱塞泵6连接，柱塞泵6的进油口与油箱连接，三相电机旋转带动柱塞泵工作，柱塞泵开始对液压系统供油；输出的液压油通过柱塞泵的出油口流向单向阀，液压油通过单向阀流向滤油器，随后液压油通过高压软管流向每个伺服阀进油口和每个比例阀的进油口。溢流阀安装在主回油管路上保证管道压力，液压油通过每个伺服阀和每个比例阀的回油口与高压软管连接并流向油箱。液压缸与每个伺服阀和每个比例阀的出油口连接，液压缸的活塞杆与位移传感器连接；位移传感器12的信号输出端与控制器11的输入端连接，控制器11的n个输出端分别和比例阀p1……pm的控制信号输入端及伺服阀sm+1……sn的控制信号输入端相连接。
本发明的控制方法具体为：
(1)控制器根据系统的工作时间t计算得到当前液压缸的目标位移xd，xd＝f(t)，并对xd求一阶导数
(2)根据得到的目标位移和位移偏差及导数计算驱动液压缸运动的总流量，计算公式如下：
其中，dy、my、by、dy和cy均为液压系统通过数学模型得出的自适应可调参数；
(3)以步骤(2)驱动液压缸运动的总流量作为初始剩余总流量，初始剩余总流量qyi(t)＝qy(t)；
(4)将剩余总流量根据各个比例阀的工作优先级依次分配各比例阀的流量，根据分配的流量得到当前控制周期内比例阀的控制电压，具体如下：
当qyi(t)＞fi(upi(t-t)+δupi)时，比例阀pi的控制电压置为upi(t)＝upi(t-t)+δupi；
当qyi(t)＜fi(upi(t-t)-δupi)时，比例阀pi的控制电压置为upi(t)＝upi(t-t)-δupi；
当fi(upi(t-t)-δupi)≤qyi(t)≤fi(upi(t-t)+δupi)时，qyi(t)＞0则比例阀pi的控制电压置为
其中，
(5)分配完各个比例阀的流量后的剩余流量根据伺服阀的工作优先级依次分配各个伺服阀的流量，根据分配的流量得到当前控制周期内伺服阀的控制电压，具体如下：
当gi(usi(t-t)-δusi)≤qyi(t)≤gi(usi(t-t)+δusi)时，伺服阀si的控制电压置为usi(t)＝usi(t-1)+δusi；
当qyi(t)＜gi(usi(t-t)-δusi)时，伺服阀si的控制电压置为usi(t)＝usi(t-1)-δusi；
当gi(usi(t-t)-δusi)≤qyi(t)≤gi(usi(t-t)+δusi)时，伺服阀si的控制电压置为
其中，si的电压值增量
(6)工作时间t＜tmax0时，进行一下个控制周期的控制，对自适应可调参数进行更新，然后重复步骤(1)-(5)，直到t≥tmax0，系统停止控制，对自适应可调参数进行更新具体为：
自适应可调参数my根据公式
自适应可调参数by根据公式
自适应可调参数cy根据公式
自适应可调参数dy根据公式
自适应可调参数dy根据公式
其中，mymin、mymax分别为my的最小值与最大值，bymin、bymax分别为by的最小值与最大值，cymin、cymax分别为cy的最小值与最大值，dymin、dymax分别为dy的最小值与最大值，dymin、dymax分别为dy的最小值与最大值，λ为系统增益。
针对本系统进行仿真试验时：
(1)根据比例阀响应速度的快慢对其进行编号，响应速度最慢的比例阀编号为p1，响应次慢的比例阀编号是p2，...，响应最快的比例阀编号为pm。根据伺服阀响应速度的快慢对其进行编号，响应速度最慢的伺服阀编号为sm+1，响应次慢的伺服阀编号是sm+2，...，响应最快的伺服阀编号为sn。因此比例阀与伺服阀工作优先级如下p1＞p2＞...＞pm＞sm+1＞sm+2＞...＞sn，控制周期t＝1ms；工作时间t；工作总时长tmax；系统总流量qy(t)，比例阀pi的控制电压upi(t)，输出流量qpi(t)，其中i表示阀的序号，1≤i≤m；伺服阀si的控制电压usi(t)，输出流量qsi(t)，其中i表示阀的序号，m+1≤i≤n；液压缸h的目标位移xd，xd＝f(t)是一个随工作时间t而变化的函数。系统每个控制周期都会根据工作时间t计算当前时刻的目标位移xd；液压缸h的实际轨迹xp，系统每个控制周期都会通过位移传感器对实际位移xp进行采样；系统每个控制周期中都会对目标位移xd与实际位移xp作差得到位移偏差，即e＝xp-xd，预设系统自适应可调参数my，mymin、mymax分别为my的最小值与最大值，系统自适应可调参数by，bymin、bymax分别为by的最小值与最大值，系统自适应可调参数cy，cymin、cymax分别为cy的最小值与最大值，系统自适应可调参数dy，dymin、dymax分别为dy的最小值与最大值；系统自适应可调参数dy，dymin、dymax分别为dy的最小值与最大值；系统增益为λ；
根据比例阀的物理特性，比例阀pi的输出流量qpi(t)与控制电压upi(t)的公式:
公式①中kpi表示比例阀pi的增益，di表示比例阀pi的死区，其中1≤i≤m。
设比例阀pi的最大输出电压为upimax，比例阀pi阀芯响应时间为tpi，比例阀pi的电压值增量为
根据伺服阀的物理特性，定义伺服阀si的输出流量qsi(t)与控制电压usi(t)的公式:
qsi(t)＝gi(ui(t))＝ksiusi(t)②
公式②中ksi表示伺服阀si的增益，其中m+1≤i≤n。
伺服阀si的最大输出电压为usimax，伺服阀si阀芯响应时间为tsi，si的电压值增量
(2)对上述参数进行初始化化，具体为：
工作时间t＝0ms；工作总时长tmax＝300ms；比例阀的控制电压upi(t)＝0v，其中i＝1、2、3、…、m；伺服阀的控制电压usi(t)＝0v，其中i＝m+1、m+2、m+3、…、n；my0＝4.5×10-7，mymin＝1×10-7、mymax＝10×10-7；by0＝8.5×10-5，bymin＝1×10-5、bymax＝9×10-5；cy0＝0.36，cymin＝0.1、cymax＝0.6；dy0＝5.3×10-7，dymin＝1×10-7、dymax＝10×10-7；dy0＝0，dymin＝-10×10-7、dymax＝10×10-7；λ0＝110；初始化xd，函数f(t)为斜率20、幅值1mm斜坡曲线。
(3)系统开始/继续工作，工作时间t＝t+1。系统根据函数xd＝f(t)计算出当前目标位移xd，并对xd求一阶导数
(4)根据公式
(5)系统对(4)步骤中得到的总流量qy(t)进行流量分配。
设qyi(t)为剩余流量，令qyi(t)＝qy(t)，i＝1，进入步骤(5.1)。
(5.1)系统将流量按照比例阀的工作优先级分配至每个比例阀：
(5.1.1)当qyi(t)＞fi(upi(t-t)+δupi)时，比例阀pi的控制电压置为upi(t)＝upi(t-t)+δupi。
(5.1.2)当qyi(t)＜fi(upi(t-t)-δupi)时，比例阀pi的控制电压置为upi(t)＝upi(t-t)-δupi。
(5.1.2)除(5.1.1)和(5.1.2)的情况时，当qyi(t)＞0比例阀pi的控制电压置为
(5.1.4)随后由下一个比例阀对流量继续分配，即i＝i+1。系统根据公式qyi(t)＝qy(i-1)(t)-f(i-1)(up(i-1)(t))计算剩余流量，并返回步骤(5.1.1)。直到i＞m，进入步骤(5.2)。
(5.2)系统把剩余流量按照伺服阀的工作优先级分配至每个伺服阀：
(5.2.1)当qyi(t)＞gi(usi(t-t)+δusi)时，伺服阀si的控制电压置为usi(t)＝usi(t-1)+δusi；
(5.2.2)当qyi(t)＜gi(usi(t-t)-δusi)时，伺服阀si的控制电压置为usi(t)＝usi(t-1)-δusi；
(5.2.3)否则伺服阀si的控制电压置为
(5.2.4)随后下一个伺服阀对流量继续分配，即i＝i+1，系统根据公式qyi(t)＝qy(i-1)(t)-f(i-1)(up(i-1)(t))计算剩余流量，返回步骤(5.2.1)直到i>n时，进入步骤(6)。
(6)系统对下一个控制周期的自适应可调参数进行更新。
(7)如果工作时间t＜300ms时返回步骤(3)，如果t≥300ms系统将自动停止控制并将所有阀的控制信号输出置为0。
仿真结果如图3所示，由图3可以看出本发明控制方法的跟踪曲线的响应速度和跟踪精度相比于现有的单阀pid控制方法有明显提升。
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