英文作者：Jack Johnson 電液控制專家

中文譯校：騰益登

 

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本文研究了一個閥控缸伺服系統的測試結果，該系統被設計用于電液運動控制的培訓項目。

研究油缸兩腔的瞬時壓力非常有趣，因為它揭示了液壓伺服系統某些固有特性或者叫奇怪現象。為了驗證運動控制系統的特性，我們研究了一個帶位置閉環控制的閥控缸的測試結果，見圖1。

該機構被設計用于一個特殊的電液運動培訓項目，油缸缸徑為2英寸，桿徑為1 3/8英寸，行程為6英寸，另外配置一個磁致伸縮線性位移傳感器用于位置反饋。負載為一個厚4英寸，直徑16英寸，重達250lb的飛輪。當3.5英寸的扭力桿垂直于活塞桿時，飛輪在油缸活塞桿端產生將近1500lb的等效質量。油缸與飛輪通過曲柄連接，如圖1右下所示。這樣的機械結構產生大約20Hz的自然頻率。曲柄機構的約束限定了油缸的最大動作行程在6英寸以下。

PC帶模擬量輸入和輸出的數據接口，利用其控制油缸運動。加速度，速度和位移曲線見圖1所示。利用PC程序的VCCM（Valve Control Cylinder Motion）指令中的曲線合成模塊（Profile Synthesizer module）對運動控制過程進行合成處理。采用比例控制，無積分或者微分控制環節。

圖1 位移，速度和加速度曲線

圖示左邊，用于示意在整個周期中如何控制伺服機構。右上圖，液壓原理示意解釋，而右下圖是一個簡化了的機械結構。控制初始階段，存在一個0.6s的初始駐留區（速度為零）。在接下來的0.28s，以18in./sec.2的加速度平穩加速。接著，有0.5s的勻速區，速度5.1in./sec（覆蓋大約2.5英寸的油缸行程）。接近油缸活塞桿伸出的終點，是0.28s的減速。終點位置保持0.5s。油缸活塞桿縮回的過程周期是對稱的，然而，其在停止運動后持續約0.5s。

盡管圖1示出了三條曲線，但是只有位置曲線是作為指令信號用的。計算機就是一個通用函數發生器。其保留的數據描述了位置控制過程中各個參數點對點的數值，并且提供一個不斷變化的目標值，使得曲線數據符合位置反饋閉環。指令信號只是一個期望，告訴伺服系統如何跟隨。然而，實際的油缸運動只是在接近的狀態下進行。

電腦記錄和跟蹤不只是油缸在每個時刻應該所處的位置，而且也包括每時每刻的實際速度，油缸兩腔的壓力。油缸的實際運動與運動指令之間能達到多少的匹配度，是我們這次研究的主題。指令和反饋之間的差值簡稱誤差信號，其及時反映了各個時刻誤差信號的數值大小是多少。

圖2疊加了油缸循環動作過程中無桿腔和有桿腔的壓力變化，同時包含了測量的速度值，以便于計時。我們試圖使壓力變化與各種條件比如加速，勻速，減速，缸伸出，缸縮回等等互相建立關聯。當然，指令曲線還是如圖1所示。

引起興趣最重要的一點在于：當油缸不運動時，油缸壓力并不為零。圖中，曲線變化開始于大約0.6s。在這區間，油缸桿腔和無桿腔的壓力大約各自為790和395psi。其比值與油缸的面積比非常接近，都是約1.9。

圖2. 油缸運動周期中，有桿腔和無桿腔的壓力變化值

壓力控制特性

傳統觀念認為，為了使油缸加速伸出，無桿腔壓力上升而桿腔壓力下降。然而，事實并非如此。在整個周期中，在大約0.7s處油缸加速伸出，無桿腔壓力上升只持續了非常短的時間，但在整個加速伸出的第一個階段，桿腔壓力一直在下降。這就是液壓伺服系統的事實。由于控制閥的壓力控制特性，油缸兩腔的壓力并不為零。

油缸停止，并不是因為流量被切斷，也不是因為閥回了中位。根據牛頓定律，其停止是因為力被帶回了平衡狀態，而平衡條件只有通過閥的壓力控制特性才能實現。而且，閥的壓力控制特性的存在是因為此閥-以及所有滑閥，均存在內泄露。在零位區域-在該區域閥芯基本上對中了，對于油缸的停止條件來說，壓力控制特性比流量控制特性更為重要。

在閥打開，油缸獲得一定速度之后，油缸腔中的壓力將變成供油壓力，油缸負載，油缸面積以及閥比率的函數。有趣的是，他們即不取決于前進的速度，也不取決于閥系數。

在0.9s和1.5s的區間，其與時間緊密相關，此處，速度基本是恒定的。桿腔和無桿腔壓力各自為250和160psi。

當反向勻速運動的時候，其發生在2.5s和3s之間，兩個壓力各自為800和400psi。因此，現在很清楚了，在保持和推進之間，壓力是大不同的，這是因為他們由閥的不同控制特征決定的。

這種現象在一些精密運動控制中就會導致一些問題，比如打頭。當油缸從伸出轉向縮回的時候，這種工況產生一個極大的，劇變的兩個壓力。大的壓力變化可能產生很微小的反向拉動，從而造成鏡片的瑕疵。壓力的不同也可能導致在極低速工況時的一些問題，特別是當存在較大的摩擦力（breakaway friction）時。具有大的壓力變化可能導致急速的啟啟停停的運動。