液壓數(shù)字控制器(HNC)在液壓同步系統(tǒng)中的應用
高載荷、大功率、長行程的系統(tǒng)通常要求使用多個執(zhí)行機構來完成它的功能和動作，如水庫閘門提升、大型集裝箱升降和一些大型壓機、試驗機等。在這樣的大負載系統(tǒng)中，解決多個執(zhí)行機構的液壓系統(tǒng)同步問題，保證工程建設安全性和可靠性成為關鍵性的技術。在礦山、冶金、建筑和水利等領域中，液壓同步系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了軋機同步運動、大型屋架整體提升以及多閘門同步放落提升等技術應用。HNC可以簡化系統(tǒng)設計和調(diào)試的復雜度、參數(shù)化、模塊化、算法簡單好用，易于工程技術人員接受、掌握和調(diào)試。HNC和比例閥組成的系統(tǒng)能夠有效提高系統(tǒng)控制精度和減少同步誤差。
1．液壓同步系統(tǒng)及比例閉環(huán)控制同步系統(tǒng)的分析
常用的液壓同步有速度同步和位置同步兩類。速度同步是指各執(zhí)行元件的運動速度相等，而位置同步是指各執(zhí)行元件在運動中或停止時都保持相同的位移量。涉及液壓同步精度的控制方式有：容積控制、流量控制和伺服控制。伺服控制的同步精度最高，流量控制的同步精度次之。
電液比例控制閥應用有了很大的推廣并取代了一大部分電液伺服控制系統(tǒng)。HNC的出現(xiàn)及應用，可以有效提高比例閥液壓系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應，使其性能達到伺服閥的水平。而比例閥系統(tǒng)具有抗污染強、工作可靠、無零漂、價廉和節(jié)能等優(yōu)點又得以保持。此處所介紹的位置同步系統(tǒng)是一種典型的比例閥閉環(huán)控制系統(tǒng)，HNC在系統(tǒng)中代替PC控制器。
2．HNC控制系統(tǒng)和基于PC的控制系統(tǒng)的比較
控制系統(tǒng)用的HNC為Rexroth公司的HNC100-2X型，它是數(shù)字式液壓軸控制器，是一個對液壓缸進行閉環(huán)控制的可編程NC控制器，它滿足對液壓軸閉環(huán)控制的特殊指令形式而且還提供電氣驅(qū)動選項。實際上可以把HNC理解為模塊化的單片機系統(tǒng)，它的編程語言和編程環(huán)境(WIN PED)很簡單，而且閉環(huán)控制參數(shù)在WIN PED內(nèi)部已經(jīng)做好了，只需把系統(tǒng)參數(shù)放在程序的相應位置就可以了，并不需要去設定PID參數(shù)，系統(tǒng)會自動整定。若系統(tǒng)整定的參數(shù)試驗效果不理想，調(diào)試過程中可根據(jù)實際情況調(diào)整PID參數(shù)。HNC集數(shù)字量輸入/輸出接口、模擬量輸入/輸出接口于一體，帶有串口用于和計算機通信，并有現(xiàn)場總線接口用于HNC至上位控制器的通信。HNC既可以用作控制器直接控制液壓伺服系統(tǒng)，也可用作終端驅(qū)動器接收上位控制器的指令輸出。在本項目中HNC用作電液系統(tǒng)的控制器。
PC Based液壓伺服控制系統(tǒng)是在工業(yè)計算機的基礎上添置模擬量輸入/輸出卡、數(shù)字量輸入/輸出卡（此部分可用PLC替代），通過對液壓系統(tǒng)建模、仿真分析優(yōu)化整定控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，用高級語言編程實現(xiàn)控制算法，最終根據(jù)運動要求，控制程序求得控制輸出后進模擬量輸出卡，再由卡送電信號給控制閥，同時控制程序采集反饋信號，據(jù)此控制器求出控制輸出量后送輸出卡，接著閥根據(jù)卡送出的電信號將運動結(jié)果反映在液壓執(zhí)行機構的參數(shù)變化上，這樣一個控制周期完成。經(jīng)過多個控制周期系統(tǒng)實現(xiàn)用戶要求的運動。此方法系統(tǒng)復雜、參數(shù)整定麻煩且程序可移植性差，勞動強度大，可靠性差。
3．電液同步控制系統(tǒng)的組成
電液同步系統(tǒng)原理圖如圖41所示，由圖41可知，電液伺服同步系統(tǒng)采用一對比例換向閥控制伺服缸，液壓缸內(nèi)部裝有磁致伸縮直線模擬式傳感器用于實時檢測液壓缸的位移，反饋信號直接送HNC。HNC內(nèi)部有濾波電路，可以對采集到的信號進行濾波處理，同時HNC根據(jù)要求的運動命令信號和反饋信號分析計算后求得系統(tǒng)的控制信號分別送給比例閥，同樣閥可根據(jù)電信號強弱將運動結(jié)果反映在兩液壓缸的位移變化上，這樣一個控制運動周期完成。經(jīng)過多個控制周期后系統(tǒng)完成指定的運動。HNC有數(shù)字量輸入/輸出端口，程序能夠根據(jù)輸入端口的信號跳轉(zhuǎn)到相應的子程序，這點類似PLC的輸入/輸出端口，數(shù)字端可以直接連接控制面板，方便易用。
本項目采用BOSCH比例閥0811404046，該閥有兩種增益：在工作電壓-6～6V是小增益，-10～-6V，6～10V是大增益。小增益能夠提高系統(tǒng)在低速時的平穩(wěn)性和同步精度，而大增益能夠?qū)崿F(xiàn)大流量控制，使液壓缸快速同步接近工作點，節(jié)約行程時間，提高工作效率。試驗數(shù)據(jù)表明該閥能夠滿足應用要求，效果很好。
4．系統(tǒng)調(diào)試及分析
同PC Based液壓伺服系統(tǒng)不同，HNC控制系統(tǒng)只要少量幾個參數(shù)即可以調(diào)試出一個近乎最優(yōu)的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，只需知道系統(tǒng)最大流量，液壓缸的有效作用面積和系統(tǒng)壓力及外作用力，由此計算出液壓缸的最大運動速度及加速度就可以編寫程序了。在調(diào)試過程中應該注意的事項有：
1)將一對位移傳感器零點和滿量程點調(diào)整一致，這樣能夠保證液壓缸的同步精度最大程度地接近傳感器精度，方便調(diào)試。
2)液壓缸的運動速度和加速度、減速度不能夠超過理論最大運動速度和加減速度，否則會有意想不到的情況發(fā)生。
3) HNC帶有PID運算功能，調(diào)試過程中P增益不宜調(diào)的太大，應由小慢慢往上加，否則會帶來系統(tǒng)不穩(wěn)定問題。
4)信號干擾和屏蔽是要重點考慮的問題之一。
5．小結(jié)
試驗表明，液壓缸從位移100mm同步運動到位移350mm過程中，同步誤差小于0.5mm，穩(wěn)態(tài)同步誤差0.1mm左右，單缸穩(wěn)態(tài)誤差小于0.02mm。可見系統(tǒng)同步精度高，穩(wěn)定誤差小，動態(tài)同步效果好，能夠滿足大多數(shù)工程實際應用。