篦冷机多缸协同运动的控制方法

向东湖，汪伟

篦冷机多缸协同运动的控制方法

向东湖，汪伟

Controlling Method of Grate Cooler Multi-cylinder Coordinated Movement

现代工业装备中，多个液压缸同时作用于同一设备的应用越来越多，为了保证多缸的协同运动，除了液压执行元件的选型一致外，电气控制对同步也起到了非常重要的作用。本文以颗粒物料输送设备步进式篦冷机为实例，介绍一种适用于配合多个液压缸的电气同步控制方法，并对该方法的应用进行简要的说明和评述。

篦冷机；多缸协同；控制方法；位置控制器

1 前言

液压元件在设备中的运用越来越多，它的广泛运用不仅对液压系统设计提出了高要求，同时也对电气专业提出了更高的要求。液压元件是执行器件，其运动完全依靠电气专业的控制，必须要做到安全、平稳、快速、高精度，但这些要求往往是互相牵制的，控制时只能把这些要求控制在相对合理的范围内，以满足生产的工艺要求为目标。本文介绍的控制方法就是针对多缸协同动作的一种同步控制算法。

2 控制思路

在多缸液压系统中，如果要求执行元件以相同的位移或相同的速度运动时，应采用同步回路。从理论上讲，只要两个液压缸的有效面积相同、输入的流量也相同的情况下，应该做出同步动作。但是，实际上由于负载分配的不均衡，摩擦阻力不相等，泄漏量不同，均会使两液压缸运动不同步，因此需要采用同步回路。同步回路的控制方法一般有三种：容积控制、流量控制和伺服控制。容积式同步回路如串联缸的同步回路；流量控制式同步回路如用调速阀、比例阀或用分流集流阀的同步回路；伺服式同步回路的同步精度最高。

篦冷机的篦床是由相对独立的列向单元构成，每列由单独油缸驱动，多缸协同运动以完成颗粒物料的输送。图1是该设备液压系统原理图，每台油缸由单独的比例换向阀控制其运动的方向和速度，多缸由一台负载敏感泵提供压力油，分析可以得出，系统设计上采用比例阀控制流量实现多缸协同运动。其油缸往复运动有以下特点：

（1）多缸活塞杆伸出时同步运动，缩回时分步进行。

（2）要求的运动速度可以调整。

（3）速度控制精度要求不太高。

（4）同步性要求比较高。

一般比例阀的动作精度、运动速度及线性度都不是很好，并且有相当大的死区，这些都给电气控制带来了一定的难度。由于本系统的控制指标均是以位移或速度为基础的，所以控制方式选择位置同步控制或者速度同步控制；又因在行进过程中有行程和速度同步精度要求，因此必须选择闭环控制。控制主回路选择带PID算法的位移或者速度闭环控制。每个独立运动机构的液压缸需要配置一个位移速传感器，以测量实际位移或者速度，同时从成本上考虑，不需要测量压力，可以取消压力传感器。由位移传感器构成的PID控制回路原理见图2。

图1 液压系统原理图

3 控制算法

控制主回路选择带PID算法模块的位置控制器，每个独立运动机构的液压缸需要配置一个位移速传感

器。PID闭环控制原理见图3。

从图3可以看出，位置控制器可选择速度同步控制方式或者位置同步控制方式，位置控制器将从油缸电位计反馈的实际值与从PLC给出的设定值进行比较，然后将偏差发送给阀放大器，如果输入信号变化发生突变，系统就会以高动态性能做出反应。借助该调节器模块，就能很方便的进行位置调节和速度调节，控制油缸的运动与规定的运动一致。

根据上述对液压系统和油缸运动要求的描述，我们可以绘出多缸协同运动的速度－时间曲线（图4）。v1和v2分别表示油缸活塞杆伸出和缩回时设定的速度值，该值根据工况需要可以调节，v1和v2的最大值主要由液压系统的能力决定；t0表示设定的多缸活塞杆同时伸出的运动时间，t1、t2和t3分别表示设定的单缸活塞杆缩回时的运动时间。通过规定油缸运动总行程、4个阶段时间分配以及各阶段斜坡时间（加减速时间），从而可以定义出设定速度v1和v2的值，以及各个阶段的加速度和减速度。定义完各个阶段的时间、加速度和速度，通过PLC将每个油缸各个时刻设定的速度值或者位移值发送给位置控制器模块，从而完成对算法的定义。

图2 闭环控制回路

图3 PID模块闭环控制原理

图4 多缸运动速度－时间曲线

在实际的调试过程中，由于系统性能上的问题会造成系统调节的困难。具体的问题出现在比例阀、液压管路和容量不足等问题，在实际调试中，以上问题均可以通过设定值与反馈值偏差来处理。

通过实际应用，采用此同步算法的效果相当明显，同步控制精度以及运动速度均满足要求。在适当放宽同步精度的条件下，还可以提高运行速度，当然，这要根据实际需要来确定。如果要缩短油缸运动周期，可以适当缩短斜坡时间；如果要使得油缸换向平稳无冲击，可以适当加长斜坡时间。但这些参数是相互制约的，修改某一项时，一定要考虑到对其他因素的影响。通过对位置控制器各参数的调试，无论液压缸的低速伸缸，还是高速的缩回，都具有响应速度快、动态过程跟随误差小，到达终止位置静态误差小的特点。

4 结语

此同步控制方法可有效地解决因阀、油路、液压缸、机械设备、载荷等因素导致的多油缸运动的不同步性，保证同步到达目标值，不受运动缸数目和运动行程的限制，运行速度与同步精度可以通过参数进行调节。如果有类似两个以上液压缸同时驱动同一设备做直线运动，可以使用本文介绍的方法进行同步控制。

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2013-05-06；编辑：吕光