张靖雨，王野牧，张日新

(沈阳工业大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 引言

由于科学技术的进步以及液压伺服系统的不断普及，液压位置控制系统已广泛应用于工业生产的各个领域[1]。在国际竞争日益激烈的今天，高精度、高质量、高要求成为制造业企业新的追求。而液压伺服系统作为工业生产设备中关键的一员，理应策应制度规范探索更高的控制精度，生产出更高质量的产品。但是对于液压系统这样的非线性系统而言，高精度位置控制系统无疑对设计者提出了全新的挑战[2]。本文以控制精度0.01 mm为目标，研究影响控制精度的因素，并在一定程度上提出更具普遍适用性的方案。

1 0.01 mm位置控制系统建模与仿真

1.1 模型的建立

模拟压机模垫系统的工作情况，液压缸竖直放置，外力负载为模具重力，采用控制器、伺服阀、伺服油缸、位移传感器构成闭环位置控制系统，配合油泵电机组采用离散式PID控制的形式搭建成0.01 mm位置控制系统模型[3]。基于AMESim的0.01 mm位置控制系统模型如图1所示。

1-位置信号；2-信号放大器；3-PID控制器；4-限位保护器；5-阀分辨率；6-阀滞环；7-二阶频宽；8-阀体结构；9-伺服油缸；10-阻尼孔；11-位移传感器；12-外力信号；13-油泵电机组；14-溢流阀

针对0.01 mm位置控制采取极端手段，以世界液压水平最先进技术作为仿真的限定条件，以0.01 mm控制精度作为最终目的，忽略经济因素，以高精度设备、高系统压力、低摩擦、快轮询控制器设定模型参数。模型参数设置如表1所示。

表1 模型参数设置

1.2 仿真分析

仿真得到的伺服油缸位置曲线如图2所示，局部位置曲线如图3所示。从图2、图3可以看出，位置控制曲线平稳，放大后可以清晰看到曲线在0.01 mm范围内成锯齿形波动，满足控制精度要求。此方案对伺服阀与伺服油缸要求太高，导致经济成本太高，需要对影响控制精度的因素进行分析并探索合适的控制方案。

图2 伺服油缸位置曲线

图3 局部位置曲线

2 影响控制精度因素分析

2.1 比例伺服阀性能对位置控制的影响

比例伺服阀对位置控制精度的影响主要体现在分辨率和滞环上，分辨率精度越高越接近目标值，而滞环越小越接近目标值。以PARKER公司伺服阀(分辨率0.03%，滞环0.05%)与经济性价比更好的ATOS比例伺服阀(分辨率0.1%，滞环0.1%)进行对比，得到的比例伺服阀分辨率和滞环对位置控制的影响如图4所示。

图4 比例伺服阀分辨率和滞环对位置控制的影响

由图4仿真结果可以得出结论：比例伺服阀分辨率与滞环是影响系统控制精度的重要因素，在高压力低摩擦的理想条件下，只改变了分辨率与滞环参数，控制精度就达不到技术要求；分辨率0.1%、滞环0.1%的曲线振荡特点是呈规律性、出现尖点，这种现象往往是液压系统阻尼比不足或是伺服油缸运动不稳定造成的[4]，若能消除振荡现象控制效果会好一些。

2.2 系统内泄漏对位置控制的影响

系统内泄漏主要是由伺服阀和伺服油缸造成的，但是随着制造技术的不断提高，系统内泄漏量越来越小。内泄漏过大会造成系统响应时间变慢、影响控制精度、能耗增加等，但也会带来一些好处，比如增加系统传递函数中阻尼比等。因此，在对系统响应时间要求不高的实际工程中往往会在液压缸压力油路与回油路之间并联一个阻尼孔以适当增加系统内泄漏，从而增加系统稳定性。阻尼孔尺寸对位置控制的影响如图5所示。

图5 阻尼孔尺寸对位置控制的影响

图5中，对比阻尼孔直径为0.01 mm与0.1 mm的曲线，位置控制精度并没有改善反而振荡加剧；对比阻尼孔直径为0.01 mm与1 mm的曲线，位置控制精度没有明显变化，但是曲线振荡尖点消失，曲线成周期性波动。所以增加内泄漏并不会直接改善系统位置控制精度，随着系统内泄漏的增加，系统阻尼比也在随之增加，且振荡加剧，当阻尼比稳定性作用逐渐大于泄漏带来的振荡作用时，位置控制精度转好；当阻尼比稳定性作用逐渐小于泄漏带来的振荡作用时，位置控制精度转差。系统阻尼比的提高确实有助于改善系统稳定性，使波动更平稳[5]，但是增加内泄漏量严重影响了系统动态特性。由此可见，通过改变内泄漏量提高位置控制精度的办法并不可行。

2.3 伺服油缸启动压力对位置控制的影响

伺服油缸的启动压力是指空载情况下推动伺服油缸的最小压力值。由于受工业制造水平的限制，低启动压力伺服油缸需要更高要求的内部元件、更高精度的接触表面和特殊的密封组件，会成倍增加伺服油缸的制造成本。

降低伺服油缸启动压力值可以提高伺服油缸的压力敏感度和动态响应速度，从而提高控制精度，但是启动压力与内泄漏之间存在着必然联系，与之对应的伺服油缸密封效果相对较差，内泄漏增加，系统稳定性变差。与之相反，适当增加伺服油缸启动压力值，虽然牺牲了部分动态响应，却换取了伺服油缸更好的密封效果和更好的抗干扰能力，提高系统的控制稳定性。

分别将伺服油缸启动压力设定为0.02 MPa与0.1 MPa进行仿真，得到伺服油缸启动压力对位置控制的影响,如图6所示。

对比图6中的两条曲线可以看出，适当增加伺服油缸启动压力曲线更稳定且成规律性变化。这种稳定且规律的曲线波动是我们所期望的效果。

图6 伺服油缸启动压力对位置控制的影响

3 普遍适用性方案

通过上文论述可以得知，伺服阀的分辨率、滞环和伺服油缸启动压力对系统控制精度影响较大，一定程度的内泄漏的确可以增加系统阻尼系数使系统稳定性转好，但是内泄漏的增大也伴随着对系统稳定性的影响。因此，利用加速度反馈校正的方式提高系统阻尼比，消除分辨率与滞环带来的不稳定振荡[6]，适当增加伺服油缸启动压力提高其运动稳定性和抗干扰能力。对0.01 mm位置控制系统模型进行调整，建立的加速度反馈校正适用性模型如图7所示。

图7 加速度反馈校正适用性模型

将0.01 mm位置控制模型仿真曲线与加速度反馈校正适用性模型仿真曲线进行对比如图8所示。

由图8可以看出，加速度反馈校正适用性模型位置曲线控制精度已经达到了0.01 mm，曲线成规律性波动，控制效果良好。

图8 不同控制方案对比

普遍适用性方案在一定程度上弥补了伺服阀分辨率、滞环对位置控制精度的影响，降低了伺服阀的选型要求。普遍适用性方案中适当提高了伺服油缸启动压力，降低了伺服油缸的加工要求。综上，普遍适用性方案可以达到液压系统0.01 mm位置控制精度，从根本上降低了系统加工的经济成本，适用性更强。

4 结论

本文基于AMESim软件对0.01 mm液压位置控制系统进行了建模、仿真，分析其主要影响位置控制精度的因素，并提出了适用性更强的方案。通过对影响因素的分析得出结论：阀的分辨率、滞环和伺服油缸的启动压力是影响位置控制精度的关键因素，适当提高伺服油缸摩擦阻尼并应用加速度反馈校正的方案，可以降低系统谐振提高系统稳定性，弥补伺服阀性能上的不足。