基于HNC控制器的执行器电液位置速度复合控制与应用

杜恒，颜滨曲，陈晖，陈传铭，陈淑梅

(1.福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350000;2.浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州310027)

0 前言

电液位置、速度伺服系统是液压系统中常见的两种伺服控制系统，电液位置速度的复合控制在工程实际中应用普遍，特别是在许多高速、高精度控制场合如高速电液伺服转向系统、高速压铸系统等领域，不仅要求有高的位置精度，而且对执行器运动过程的速度也有一定的要求，以提高装备的运行性能或产品的生产质量［1］。

实际的高速执行器控制系统受多种因素的影响，如死区非线性、滞环非线性、负载波动等，高精度的位置速度复合控制有一定的难度，特别对高速场合。由于高速产生剧烈振动使得高速与高精度难以兼顾，解决该问题的一般方法是先产生一条运动轨迹，再设计相应控制器进行跟踪［2］。考虑到工程应用的安全可靠，常采用PLC 进行控制，虽然PLC 控制普通液压系统可满足要求，但对于高速高精度控制系统而言，一般PLC 的扫描周期偏低，若选择超高速PLC，其价格又极为昂贵，所以提出一种可实现高速高精度控制且易于工程应用的系统显得尤为重要。

本文作者针对高速高精度电液位置速度复合控制的特点，采用Rexroth 的HNC100 专用电液控制器作为主控单元，应用内置的高速制动控制模式(Position depending braking)和位置闭环控制模式(Servo control)，满足不同的速度和精度的控制需求。搭建相应试验台进行简化类比试验，验证该方法的可行性，为工程应用提供一种新的尝试。

1 数学建模与分析

实际高速执行器工作过程存在两种典型工况，一是运动过程负载变化较小、速度极快;二是运动过程负载变化大，速度较前者慢。这两种典型工况有一定的异同点，相同之处:位置精度要求高且负载存在波动;不同之处:前者速度极快，难以闭环控制，后者速度较慢，可闭环控制。

为进一步明确二者特点，同时论证HNC 控制算法适用于典型工况的理论基础，结合HNC 控制器并建立相应数学模型进行理论分析。

HNC 系列控制器为Rexroth 公司根据其在电液控制方面积累的丰富经验与技术，开发出针对单轴、多轴的液压专用控制器［3］。硬件方面，采用高速处理芯片，在保证全部程序稳定运行前提下，扫描周期最低可达0.5 ms，约为普通PLC 扫描周期1/10;软件方面，具有各种复杂及专用的控制策略，其中针对位置控制模式，就包含变增益、状态反馈、制动曲线功能以及各种针对阀的非线性处理。可见，HNC 控制器可用于电液伺服控制，在高速高精度控制方面仍可适用。

针对高速执行器的典型工况，HNC 存在多种适用的控制模式，其中高速制动控制和位置闭环控制模式更适合实际高速执行器工作过程存在的两种典型工况。

下面先针对两种典型工况控制的共同点进行分析，高速执行器的运动可简化为典型的阀控缸系统，如图1所示。

阀控缸系统，在没有弹性负载或者负载刚度变化较小的时候，传递函数为［4］:

式中:ωh为液压固有频率;Kce为总的流量－压力系数;ζh为液压阻尼比。

当存在弹性负载时，系统传递函数为［5］:式中:ω1为液压弹簧刚度与阻尼系数(低频速度刚度)之比;ω2为负载刚度与阻尼系数之比;ωr为液压弹簧和负载弹簧串联耦合时的刚度与阻尼系数之比。

与无弹性负载时相比，弹性负载的作用使系统变成0 型系统，并给系统的设计和调整带来困难。若系统按带载时整定好参数，在空载时稳定性就要变差。反之，若按空载条件整定好系统的参数，在带载时又会使频宽降低［5］。

可见，针对高速执行器的两种典型工况均存在的负载波动的影响，可采用变增益控制方式对负载波动进行抑制［5］，而HNC 可以方便快捷地实现变增益控制，且仅需在增益控制部分设置即可。

上述对两种典型工况相同点进行了分析，此外，由于其运动速度有一定差别，故过程控制存在差异。

工况一:当速度极快时，由于阀控缸位置控制系统的开环传递函数可简化为［5］:

上述模型为I 型系统，则闭环系统稳定条件为:

式(4)给出了保证系统稳定条件下允许的最大速度放大系数Kv值。由于ξh容易变化且不易测试，计算值误差又偏大，对于ξh值为0.1 ～0.2 左右的位置伺服系统，则稳定条件一般为［5］

此时受限于阀的频宽与液压谐振频率，位置速度复合控制难以做到实时控制，且系统易振荡，则此时可以采用HNC100 的高速制动控制模式，该算法特点是在执行器运动过程中采用位置开环控制，接近目标指令时转为位置闭环控制，该方法既可保证运动过程的高速，又能保证最终的位置精度。

HNC 控制器为减少制动过程的超调，设置了两种实用的制动曲线，即线性制动曲线与开方制动曲线［6］，如图2所示。采用线性制动控制可使制动过程速度变化与位移成线性关系，同时加速度随时间递减，即系统接近终值时，适当减少增益，可实现制动过程无冲击，提高制动定位精度［7］。采用开方制动控制，制动过程加速度恒定，在制动最后阶段仍存在加速度，即有软冲击，这不利于位置控制，此模式仅在工艺要求恒减速时选用，一般系统选择线性制动控制模式。

图2 HNC100 制动曲线函数

然而，由于控制器输出给阀件的信号为固定值，则负载不同可造成实际速度的波动，为保证运动过程中实际速度接近指令值，可采用HNC100 的速度修正功能，修改控制器给阀的输出，尽可能使实际速度接近指令值，进而保证系统稳定、减少过程速度的误差，同时保证最终位置控制的高精度，但此法较适合极高速度下，过程负载变化不大的场合。

对于负载波动较大的场合，一般多为弹性负载，此时系统为0 型系统，采用以上所述的变增益方法可以保证系统的稳定，但变增益往往导致过程速度变化即运动速度精度差，同时0 型系统常存在稳态精度与快速性矛盾［8］，对此需采用HNC 的位置闭环控制模式。该控制算法中的位置命令信号采用斜坡信号，并对加减速过程进行优化处理，采用轨迹跟踪控制，则控制位置的同时也控制速度。虽然此法目标期望是跟踪误差最小，但最终位置和过程速度精度也能达到工程要求，该算法较适用于该工况。

2 试验平台搭建与试验

为检验上述控制模式的有效性，搭建相应试验系统，该系统主要由对顶油缸、比例阀、位移传感器、HNC100 控制器、安装有WEIN-PED5.10 和Win-View3.5 的计算机以及其他相关设备组成。通过WIN-PED 对系统参数进行设置，结合WinView 对试验结果进行数据采集与在线诊断，如图3所示。

图3 试验平台及WIN-PED 界面

2.1 高速制动控制

针对以上提到的工况一，结合试验台做类比试验。由于该工况负载波动较小，则设定负载油缸压力为定值2 MPa，速度设定为试验台最高速100 mm/s，利用HNC 的高速制动模式进行位置控制，通过G01编程指令，指定位置命令值为100 mm，精度设定为0.1 mm，速度命令值设置为100 mm/s。主系统压力为10 MPa，负载油缸压力为2 MPa。采用线性制动曲线。考虑到阀的死区影响，采用阀非线性补偿功能，参数设置如图4所示。

通过调节PDT1 参数，得到试验结果曲线如图5，其测量位置最大值为100.45 mm，超调量为0.45 mm，稳定值为100.01 mm，速度稳定于115.00 mm/s左右，波动幅度约为10.00 mm/s。由于速度稳态值误差较大，则可修正HNC 的Control variant 中adjustment 选项，即电压与速度的关系，以修正输出速度大小。

图4 阀的非线性补偿窗口

图5 位置制动控制曲线

通过多次调整参数，得到较好的实际运动曲线，其位移超调量为0.30 mm，位置稳态误差为0.07 mm，位置响应精度基本不变，速度稳定于101.20 mm/s 左右，波动幅度约为5 mm/s，速度稳态值误差为6.20 mm/s，精度提高且满足工程要求。故对运动过程负载变化较小、速度极快的工况，HNC 的位置制动控制模式可很好地满足控制要求。

2.2 全程位置闭环控制

针对以上提到的工况二，由于负载波动较大，则负载油缸压力分别设定为1 MPa，2MPa，3 MPa，以模拟负载变化。采用HNC 位置闭环控制模式，同样采用G01 编程指令，位置命令值为100 mm，位置精度为0.1 mm。速度设置为100 mm/s，阀非线性补偿、PDT1 参数设置与高速制动控制一致。为提高速度精度，该控制模式需要对速度控制参数面板进行设置，如图6所示。

图6 速度控制参数设置窗口

经过多次调节参数，试验结果如图7所示，各参数稳态值列于表1。从图7 可以看出，在不同负载下的速度位移曲线基本重合，且从表1 可更直观看出，在位置闭环控制模式下，实际位移曲线与速度曲线基本不受负载波动影响，且位置和速度精度满足工程需要。

图7 不同负载压力下的位移速度曲线

表1 全程位置闭环控制下的位移速度稳态值

3 总结

(1)在高速执行器的电液位置速度复合控制场合，HNC 专用控制器可满足软硬件要求，其内置多种控制模式，可应用于多种工况，其控制算法适应性强，且调整方便，可有效应用于工程实际;同时，其响应快速，定位精度高，特别适用于执行器的高速、高精度控制。

(2)HNC 的高速制动模式，适用于速度极快工况，实现先开环后闭环控制，应用速度修正功能，可实现过程速度调整并保证最终位置精度，类比试验结果表明，HNC 可有效实现上述功能;HNC 位置闭环控制模式，可抵抗负载扰动，能在负载波动较大的工况下保证位置与速度精度，避免高速执行器运动过程中负载变化对速度产生的影响，构建变负载试验，结果表明HNC 可实现精确位置控制，保证过程的速度精度，且不受负载变化影响。基于HNC 的高速执行器控制为此类工程应用提供了一种简便、有效的方法。

［1］柏艳红，权龙.电液位置速度复合伺服系统控制策略［J］.机械工程学报，2010，46(24):150－155.

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［3］张冀南.电液轴控制系统在压机中的应用［J］.液压气动与密封，2005(2):39－41.

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［5］李洪人.液压控制系统［M］.北京:国防工业出版社，1981.

［6］Help Document of WIN-PED［M］.Application Version 5.10，Rexroth Bosch Group，2004.

［7］徐旭，车延博.现代运动控制系统中的运动控制器及其应用［J］.机床与液压，2007，35(7):153－154，15.

［8］乔文刚，蔡卫娟，刘海法，等.压力机电液比例位置控制系统仿真与PID 校正分析［J］.机床与液压，2008，36(3):110－112.