多机构同步系统智能控制的实现

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应用高载荷、大功率、长行程的系统是目前现代化大工业生产趋势，这类系统通常要求使用多个执行机构来完成它的功能和动作，如水库闸门的提升，大型集装箱的升降等等。在这样的大负载系统中，一般采取多个执行机构的液压系统来驱动。因此解决同步问题，保证工程建设的安全性和可靠性成为关键性的技术。本文对多缸同步智能控制进行研究，提出多油缸同步运行智能控制系统，探讨如何建立和完善子系统高质量地实现执行机构的同步运动，有效的解决了智能化同步控制的系统建立问题。

多油缸同步运行智能控制系统

多油缸同步智能控制系统（如图1）由同步检测子系统，同步控制子系统和电液实现子系统三大子系统组成，其建立基本步骤如下：根据同步油缸数量、行程及同步精度要求确定同步检测子系统的检测方式、检测方法、被测量、检测结构；由检测系统确定同步控制子系统中的控制方式和控制基准量（检测量的最大值，平均值等）；由同步要求确定电液实现子系统的方式选择（主动补偿式，进油调控式等）；最后确定同步控制子系统的控制策略的选择。智能控制的实现是基于完整建立各子系统的基础上整体优化协调各子系统的选择、联系和工作。本文在四缸同步控制研究的基础上探讨如何完善和建立多油缸同步智能控制子系统。

四缸同步系统（如图2）研究的现状如下：

a．采用相对检测法，选定检测基准油缸（下称基准缸），测量出其他三个缸的相对位移误差值。
b．利用光栅传感器作为检测元件，光栅定尺在基准缸的结构布置较为复杂（见图3）。
c．采用的电液实现系统只能对相对位移滞后的缸进行补偿，不具普遍性。
d．控制策略单一，不具备比较性。

由此，按智能系统建立过程探讨各子系统。

检测子系统的改进

相对检测法优点在于可以采用短行程的位移传感器检测长行程的油缸运动，具有检测行程短，成本相对低，易于空间布置等优点，因此适用于广泛的长、短行程的多缸同步系统中。

光栅传感器属于接触式测量，多缸布置方式如果类似四缸系统的布置（见图3），结构将非常复杂，产生安装与设计困难、精度难以保证等缺点，因此改用非接触式测量，可以引入激光测量的方式。

确定了一个油缸为检测基准缸（基准缸）后，将其余各油缸对于基准缸的测量的相对误差量输入到同步控制系统作为输入量，系统根据该输入量得出补偿量。

同步控制基准量的选取

各油缸相对于基准缸位移会产生超前或滞后，故δi有正有负。

控制基准量的选定有以下四种方案：

1）δ控制基准=δ0=0（设基准缸的误差为δ0）
2）δ控制基准=δmax=max{δi}
3）δ控制基准=δave=average{δi}
4）δ控制基准=δmin=min{δi}

δi--各油缸对于检测基准缸的测量相对误差量（i=0，1，2，…，n）

合理的选择控制基准量可以简化计算机控制的控制过程。

4电液实现子系统的建立

为适应不同实际控制的要求，结合选定的控制基准量，制定出较普遍使用的3种电液实现基本系统。

（1）主动式补偿系统

各油缸（见图4）都采用同型号的定量泵强制供油，及同型号的换向阀控制保持基本同步，增加补油油路，主动补偿同步误差油量。这种系统以δmax作为控制基准量，即向运动最快的油缸做补偿运动，所有油缸包括基准缸都要实现同步误差补偿量△δi=δmax-δi。实现过程：检测出的各缸与基准缸的同步误差δi，经过计算机控制系统处理后，计算出△δi按比例控制电液伺服阀对运动较慢的油缸进行补偿，实现快速运动消除误差。

（2）进油调控式系统

各油缸（见图5）采用同型号的定量泵强制供油，及同型号的电液伺服阀控制，所有电液伺服阀有相同的基本输入信号保持基本同步，通过调节电液伺服阀的输入信号控制进油量消除同步误差。这种系统可以选择以δave、δ0、δmin、δmax任意一个作为控制基准量。其中，选取δ0作为控制基准量，即以检测基准缸作为控制基准进行分析可以减少计算机处理计算量，最符合人们的思维习惯。此时的补偿量即为△δi=δi-δ0=δi。实现过程：检测出的各缸与基准缸的同步误差δi，经过计算机控制系统处理后，计算出△δi按比例增大或减小供给电液伺服阀的基本电流，对滞后于基准缸的油缸进行补偿，对超前的油缸进行抑制，达到所有的油缸和基准油缸同步的目的。

（3）回油调速式系统

各油缸（见图6）采用同型号的变量泵供油，及同型号的换向阀控制，保持基本同步，调节回油路上的电液比例调速阀控制回油量消除同步误差。这种系统以δmin作为控制基准量，即对运动最快的油缸进行抑制。此时的补偿量即为△δi=δi-δmin。实现过程：检测出的各缸与基准缸的同步误差δi，经过计算机控制系统处理后，计算出△δi按比例增大或减小供给电液调速阀的基本电流，调节回油量，减少△δi，直至同步或新的控制基准量出现。

以上三种基本系统的选择可以参照同步控制要求如快速补偿性、平稳性等及成本因素进行确定。智能化过程是建立起子系统库，根据成本、控制要求、生产环境等因素综合评价抉择基本系统的选定。

5控制策略的探讨

同步控制系统最为关键的部分就是控制策略的选择及优化。人们熟悉的控制策略都各具特色，可以通过某种调整方式和调整原则达到预期的目的。模糊控制策略是近年来被认为最拟人化的控制策略，是智能化控制发展的主流控制策略。但其同样有着缺点，因此本文针对传统PID控制和模糊控制的优缺点进行改进探讨。

同步控制过程如下：同步误差经A/D转换采集到计算机，在控制策略的算法下进行处理后输出数字控制量，再由D/A转换成模拟电压信号，控制电液实现子系统驱动各油缸实现同步运动。因各油缸参数一致或相近，所以控制策略选取一致。

1）微分先行变比例系数PID控制策略

PID调节是连续系统理论中技术最成熟的，应用最广泛的一种控制方法，而且可以根据系统性能的不同要求，采用各种PID的变种控制方法。考虑到本系统是多缸系统多回路控制，且不易建立具体的数学模型，因此引入微分先行变比例系数的PID控制（见图7）。