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摘 要:本文对双缸同步误差的形成、同步控制方案、同步回路及应用、同步趋势进行了分析。
关键词:同步误差;控制方案; 同步回路: 发展趋势
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：
1引 言
我国的大中型水利工程中的大、中型弧形钢闸门、顶升闸门、人字闸门启闭机已普遍采用液压启闭方式。闸门液压启闭机是利用液体的压力能传递能量，控制闸门的开、关闭。闸门液压启闭机的应用伴随着液压技术逐步成熟而向前发展，其中双缸同步应用亦是技术核心问题。
2双缸同步误差的形成
在水中操作闸门，负荷的大小与闸门动水压力和压力波有关。这些载荷的变化使双缸承受负载不等, 形成偏载。根据压力—流量关系,负载大的液压缸较负载小的液压缸速度慢。对液压系统本身而言, 其不对称性也会促成双缸同步误差的形成。闸门双吊点液压启闭机在闸门启闭的过程中双缸同步误差的形成主要有 2个方面的因素, 一是双缸偏载的存在, 二是双缸液压系统的不对称。液压启闭机操作的是沿着导向门槽上下移动或绕支绞旋转的闸门。双缸载荷的大小不仅取决于闸门重量, 还与闸门运行阻力相关。
3同步控制方案
液压同步系统的同步控制方法有开环同步控制与闭环同步控制。开环控制的液压同步驱动完全靠液压元件本身的精度确保执行元件的同步驱动, 而不对执行元件的输出进行检测与反馈构成闭环控制, 所以同步精度不高, 這就限制了这种控制形式的实际应用。所以液压启闭机同步回路一般不采用开环控制。液压同步闭环控制通过对输出量进行检测、反馈, 构成反馈闭环控制, 在很大程度上消除不利因素的影响,而期望获得高精度同步驱动。因此双吊点液压启闭机液压同步系统基本上都采用闭环控制实现双缸同步运行。
对于液压同步闭环控制而言, 闭环控制方式主要有同等方式和主从方式 2种。同等方式指多个需同步控制的执行元件跟踪设定的理想输出而都分别受到控制并达到同步驱动。主从方式是指多个需同步控制的执行元件以其中 1个的输出为理想输出, 其余执行元件均受到控制而跟踪这一选定的理想输出并达到同步驱动。两者结构见图1和图2。为了获得高精度的同步输出, 如采用同等方式工作的液压同步闭环控制系统则要求各执行元件、反馈元件、检测元件及控制元件等的性能间应具有严格的匹配关系, 而采用主从方式则不然。因此, 在双吊点液压启闭机液压闭环同步控制系统中, 广泛采用的是主从方式的控制方式。
图 1同等方式
4典型同步回路及应用
为了解决实际工程双缸同步误差大的问题，采用闸门液压启闭机液压系统双缸同步控制的闭环液压同步回路控制。其中广泛用于闸门双吊点液压启闭机液压系统的典型同步回路主要有桥式流量控制+旁路纠偏同步回路、电液比例调速阀的闭环同步回路和应用电液比例变量泵的闭环同步回路 3种同步回路。
图 2 主从方式
4.1 桥式流量控制+旁路纠偏同步回路
根据如图3所示，同步控制原理，调节板式流量：板上的2主速阀，使2液压缸双向同步（调粗同步）。在闸门的开启和关闭过程中，位移传感器连续检测2液压缸活塞杆位移量S1和S2，并传发送PLC，PLC即时计算2液压缸的位移差S1，若S2不超过纠偏值（如10毫米），则属同步正常的，若ΔS超过纠偏起调值, 则由 PLC控制打开纠偏电磁阀实施旁路分流, 使其中较快的液压缸减速等待较慢的液压缸(启门时)或较慢的液压缸加速追赶较快的液压缸(闭门时), 直至ΔS回到误差允许范围内, 电磁阀关闭即停止纠偏, 继续按同步正常状态运行 。
同步回路电路中，由于旁通电磁阀频繁开、关和分流，系统油流压力波动造成的突然变化，使同步精度容易调速阀的性能的影响，当负载变化大时精度低。
4.2 应用电液比例调速阀的闭环同步回路
应用电液比例调速阀的闭环同步回路有单比例调速阀同步回路和双比例调速阀同步回路 2种。单比例调速阀闭环同步回路如图3所示, 其同步原理为: 双侧液压缸中的一侧采用整流回路加带温度补偿的手动调速阀作为整个系统速度调节的基准, 另一侧采用整流回路加比例调速阀作同步跟踪。位移传感器在闸门启闭过程中监测 2吊点同步偏差, 当测得2个液压缸的活塞杆行程差达到其设定的纠偏起调值(如5mm) 时, 电气控制系统就改变原来给比例调速阀的比例电磁线圈的电压或电流值, 即改变液压系统供给2个液压缸的流量比值, 从而达到同步纠偏目的。双比例调速阀同步回路, 其采用主从随动调速同步方式, 工作时以其中 1只阀为主导阀并保持其输入电压或电流不变, 另 1只阀为随动阀, 及时进行跟踪和调整。当 2液压缸位移差大于纠偏起调值时, 由 PLC控制调节随动阀的输入电压或电流, 减小 2液压缸的位移差至允许范围内, 达到同步纠偏目的。
4.3 应用电液比例变量泵的闭环同步回路
电液比例变量泵闭环同步回路采用比例变量泵实现同步, 其回路如图4所示。其同步原理为:当位移检测装置测得2个液压缸的活塞杆行程差达到其设定的纠偏起调值(如5mm) 时, 电气控制系统就改变原来给比例变量泵的比例电磁线圈的电流值, 即改变比例变量泵供给 2个液压缸的流量, 从而达到同步纠偏目的。
该同步方案系统简单, 元件少, 同步精度高。与采用调速阀(普通或比例)的同步回路相比,泵的输出压力由负载决定, 流量由所需速度决定,真正实现了功率匹配, 系统效率非常高, 既节能又可减少发热, 延长油液寿命。该同步回路适用于负载和速度都变化的同步系统, 也适用于2液压缸相隔较远又要求较高同步精度的场合。
图 3 应用电液比例变量泵的闭环同步回路
5同步趋势
(1) 基于新型液压技术的液压元件的应用
电液比例控制技术是上世纪80年代发展起来的一种新型液压技术，是一种常见的开关控制和电液伺服控制之间的1种控制。基于该技术的液压元件主要有电液比例阀和电液比例变量泵。在同步系统中采用电液比例阀或泵能简化系统, 且系统的节能效果明显, 其系统的控制精度高, 响应快,容易实现计算机控制。我国水利工程中从国外(主要是德国 ) 引进的启闭机中液压同步系统 90%是基于电液比例控制技术实现的同步。
(2) 液压技术与电子控制技术的结合
PLC控制最突出的优点是可靠性高，编程简单、灵活，易于实现自动控制和远程控制。在双吊液压启闭机同步控制系统中结合PLC控制技术，提高了双缸同步运行的可靠性和准确性。随着启闭机同步运行精度要求的提高, 液压启闭机中已逐渐采用了电子控制技术, 其中最具代表性的是可编程逻辑控制器 PLC 控制的使用。
(3) 高精度位移检测装置的研发
液压启闭机的主要工作机构是大直径、长行程(最长可达20m)的液压缸。闭环同步控制中需要对双缸位移或速度进行检测, 通过对所测信号的数据处理后再作为控制信号来控制液压缸的行程和速度, 满足双缸同步要求。上世纪 90年代德国力士乐公司研发出陶瓷测量系统(CIMS)。其精度可达双缸同步绝对误差在1mm左右。我国绝大多数双吊点液压启闭机的行程测量装置都采用该技术进行双缸同步位移的检测。2000年, 国外研发出线性磁滞位移伸缩传感器, 其测量精度达到 0.1mm。2000年之后, 我国研制出 1种新型内置式位移检测装置, 其最大测量行程达到 16m,测量精度达到 0.5mm。
6总 结
在本文中，分析了闸门液压启闭机双缸存在部分负荷条件下确保同步运行的实际应用问题。通过使用闭环液压同步控制实现高精度双缸同步运行，结合电液比例技术闭环同步控制回路的设计，在一个闭环控制系统中利用现代控制技术进行控制，并经高精度位移检测装置对闭环控制来源数据进行采集，大大提高了液压启闭机双缸同步精度。
关键词:同步误差;控制方案; 同步回路: 发展趋势
中图分类号：TV 文献标识码：A 文章编号：
1引 言
我国的大中型水利工程中的大、中型弧形钢闸门、顶升闸门、人字闸门启闭机已普遍采用液压启闭方式。闸门液压启闭机是利用液体的压力能传递能量，控制闸门的开、关闭。闸门液压启闭机的应用伴随着液压技术逐步成熟而向前发展，其中双缸同步应用亦是技术核心问题。
2双缸同步误差的形成
在水中操作闸门，负荷的大小与闸门动水压力和压力波有关。这些载荷的变化使双缸承受负载不等, 形成偏载。根据压力—流量关系,负载大的液压缸较负载小的液压缸速度慢。对液压系统本身而言, 其不对称性也会促成双缸同步误差的形成。闸门双吊点液压启闭机在闸门启闭的过程中双缸同步误差的形成主要有 2个方面的因素, 一是双缸偏载的存在, 二是双缸液压系统的不对称。液压启闭机操作的是沿着导向门槽上下移动或绕支绞旋转的闸门。双缸载荷的大小不仅取决于闸门重量, 还与闸门运行阻力相关。
3同步控制方案
液压同步系统的同步控制方法有开环同步控制与闭环同步控制。开环控制的液压同步驱动完全靠液压元件本身的精度确保执行元件的同步驱动, 而不对执行元件的输出进行检测与反馈构成闭环控制, 所以同步精度不高, 這就限制了这种控制形式的实际应用。所以液压启闭机同步回路一般不采用开环控制。液压同步闭环控制通过对输出量进行检测、反馈, 构成反馈闭环控制, 在很大程度上消除不利因素的影响,而期望获得高精度同步驱动。因此双吊点液压启闭机液压同步系统基本上都采用闭环控制实现双缸同步运行。
对于液压同步闭环控制而言, 闭环控制方式主要有同等方式和主从方式 2种。同等方式指多个需同步控制的执行元件跟踪设定的理想输出而都分别受到控制并达到同步驱动。主从方式是指多个需同步控制的执行元件以其中 1个的输出为理想输出, 其余执行元件均受到控制而跟踪这一选定的理想输出并达到同步驱动。两者结构见图1和图2。为了获得高精度的同步输出, 如采用同等方式工作的液压同步闭环控制系统则要求各执行元件、反馈元件、检测元件及控制元件等的性能间应具有严格的匹配关系, 而采用主从方式则不然。因此, 在双吊点液压启闭机液压闭环同步控制系统中, 广泛采用的是主从方式的控制方式。
图 1同等方式
4典型同步回路及应用
为了解决实际工程双缸同步误差大的问题，采用闸门液压启闭机液压系统双缸同步控制的闭环液压同步回路控制。其中广泛用于闸门双吊点液压启闭机液压系统的典型同步回路主要有桥式流量控制+旁路纠偏同步回路、电液比例调速阀的闭环同步回路和应用电液比例变量泵的闭环同步回路 3种同步回路。
图 2 主从方式
4.1 桥式流量控制+旁路纠偏同步回路
根据如图3所示，同步控制原理，调节板式流量：板上的2主速阀，使2液压缸双向同步（调粗同步）。在闸门的开启和关闭过程中，位移传感器连续检测2液压缸活塞杆位移量S1和S2，并传发送PLC，PLC即时计算2液压缸的位移差S1，若S2不超过纠偏值（如10毫米），则属同步正常的，若ΔS超过纠偏起调值, 则由 PLC控制打开纠偏电磁阀实施旁路分流, 使其中较快的液压缸减速等待较慢的液压缸(启门时)或较慢的液压缸加速追赶较快的液压缸(闭门时), 直至ΔS回到误差允许范围内, 电磁阀关闭即停止纠偏, 继续按同步正常状态运行 。
同步回路电路中，由于旁通电磁阀频繁开、关和分流，系统油流压力波动造成的突然变化，使同步精度容易调速阀的性能的影响，当负载变化大时精度低。
4.2 应用电液比例调速阀的闭环同步回路
应用电液比例调速阀的闭环同步回路有单比例调速阀同步回路和双比例调速阀同步回路 2种。单比例调速阀闭环同步回路如图3所示, 其同步原理为: 双侧液压缸中的一侧采用整流回路加带温度补偿的手动调速阀作为整个系统速度调节的基准, 另一侧采用整流回路加比例调速阀作同步跟踪。位移传感器在闸门启闭过程中监测 2吊点同步偏差, 当测得2个液压缸的活塞杆行程差达到其设定的纠偏起调值(如5mm) 时, 电气控制系统就改变原来给比例调速阀的比例电磁线圈的电压或电流值, 即改变液压系统供给2个液压缸的流量比值, 从而达到同步纠偏目的。双比例调速阀同步回路, 其采用主从随动调速同步方式, 工作时以其中 1只阀为主导阀并保持其输入电压或电流不变, 另 1只阀为随动阀, 及时进行跟踪和调整。当 2液压缸位移差大于纠偏起调值时, 由 PLC控制调节随动阀的输入电压或电流, 减小 2液压缸的位移差至允许范围内, 达到同步纠偏目的。
4.3 应用电液比例变量泵的闭环同步回路
电液比例变量泵闭环同步回路采用比例变量泵实现同步, 其回路如图4所示。其同步原理为:当位移检测装置测得2个液压缸的活塞杆行程差达到其设定的纠偏起调值(如5mm) 时, 电气控制系统就改变原来给比例变量泵的比例电磁线圈的电流值, 即改变比例变量泵供给 2个液压缸的流量, 从而达到同步纠偏目的。
该同步方案系统简单, 元件少, 同步精度高。与采用调速阀(普通或比例)的同步回路相比,泵的输出压力由负载决定, 流量由所需速度决定,真正实现了功率匹配, 系统效率非常高, 既节能又可减少发热, 延长油液寿命。该同步回路适用于负载和速度都变化的同步系统, 也适用于2液压缸相隔较远又要求较高同步精度的场合。
图 3 应用电液比例变量泵的闭环同步回路
5同步趋势
(1) 基于新型液压技术的液压元件的应用
电液比例控制技术是上世纪80年代发展起来的一种新型液压技术，是一种常见的开关控制和电液伺服控制之间的1种控制。基于该技术的液压元件主要有电液比例阀和电液比例变量泵。在同步系统中采用电液比例阀或泵能简化系统, 且系统的节能效果明显, 其系统的控制精度高, 响应快,容易实现计算机控制。我国水利工程中从国外(主要是德国 ) 引进的启闭机中液压同步系统 90%是基于电液比例控制技术实现的同步。
(2) 液压技术与电子控制技术的结合
PLC控制最突出的优点是可靠性高，编程简单、灵活，易于实现自动控制和远程控制。在双吊液压启闭机同步控制系统中结合PLC控制技术，提高了双缸同步运行的可靠性和准确性。随着启闭机同步运行精度要求的提高, 液压启闭机中已逐渐采用了电子控制技术, 其中最具代表性的是可编程逻辑控制器 PLC 控制的使用。
(3) 高精度位移检测装置的研发
液压启闭机的主要工作机构是大直径、长行程(最长可达20m)的液压缸。闭环同步控制中需要对双缸位移或速度进行检测, 通过对所测信号的数据处理后再作为控制信号来控制液压缸的行程和速度, 满足双缸同步要求。上世纪 90年代德国力士乐公司研发出陶瓷测量系统(CIMS)。其精度可达双缸同步绝对误差在1mm左右。我国绝大多数双吊点液压启闭机的行程测量装置都采用该技术进行双缸同步位移的检测。2000年, 国外研发出线性磁滞位移伸缩传感器, 其测量精度达到 0.1mm。2000年之后, 我国研制出 1种新型内置式位移检测装置, 其最大测量行程达到 16m,测量精度达到 0.5mm。
6总 结
在本文中，分析了闸门液压启闭机双缸存在部分负荷条件下确保同步运行的实际应用问题。通过使用闭环液压同步控制实现高精度双缸同步运行，结合电液比例技术闭环同步控制回路的设计，在一个闭环控制系统中利用现代控制技术进行控制，并经高精度位移检测装置对闭环控制来源数据进行采集，大大提高了液压启闭机双缸同步精度。