液壓同步控制在連續(xù)熱壓機(jī)預(yù)壓機(jī)上的應(yīng)用

郭穎，辛楊桂，譚利華，陳藝

(廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司液壓研究所，廣東廣州510700)

20世紀(jì)60年代各種結(jié)構(gòu)簡單的電液伺服閥相繼問世，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)特別是微電子集成技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)伺服技術(shù)和電液比例技術(shù)得以迅速發(fā)展。于是，各類民用工程對電液控制技術(shù)的要求顯得越來越迫切和廣泛。

伺服控制的主要特點是:以高性能的伺服閥為基礎(chǔ)的閉環(huán)控制，響應(yīng)快、精度高、無死區(qū)，適用于對控制精度要求很高的場合。但由于伺服控制元件對油液等工作介質(zhì)的清潔度要求非常高，成本昂貴，系統(tǒng)能耗比較大，使得很多設(shè)備對伺服控制望而卻步。

電液比例技術(shù)以傳統(tǒng)工業(yè)用液壓控制閥為基礎(chǔ)，通過采用可靠、價廉的模擬式電－機(jī)械轉(zhuǎn)換器和與之相應(yīng)的閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計來獲得對油液要求與一般工業(yè)閥相同或相近的電液比例閥。其價格低廉，閥內(nèi)壓力損失低，并且維護(hù)方便，維修簡單。

比例控制在液壓同步控制上的運用能夠簡化液壓系統(tǒng)，大幅度降低成本，并且可以實現(xiàn)復(fù)雜的過程控制。特別是隨著控制理論及計算機(jī)的發(fā)展，電子技術(shù)和液壓技術(shù)的結(jié)合以及新型液壓元件產(chǎn)品的推出，數(shù)字化新技術(shù)融入到液壓產(chǎn)品中。比例控制的液壓同步系統(tǒng)可以獲得較高的同步精度，因此，閉環(huán)控制的液壓同步系統(tǒng)幾乎在所有需要高同步精度驅(qū)動的各類機(jī)械裝備中都得到廣泛應(yīng)用[1]。

1 調(diào)試前必備條件

文中研究對象是閥控六缸電液比例系統(tǒng)，液壓缸參數(shù):缸徑為140 mm，活塞桿徑為80 mm;缸徑為280 mm，活塞桿徑為140 mm。油缸行程均為260 mm，分布在預(yù)壓機(jī)左右兩側(cè)，負(fù)載均不相同，支撐起預(yù)壓機(jī)，壓下過程中對物料進(jìn)行定型、排氣。油缸位置示意圖見圖1。

圖1 預(yù)壓機(jī)油缸位置示意圖

液壓系統(tǒng)調(diào)試前的準(zhǔn)備工作:

(1)油液清潔度要求

在調(diào)試前，必須要確保液壓系統(tǒng)清潔度符合液壓系統(tǒng)所有元件的清潔度標(biāo)準(zhǔn)。在熱壓機(jī)生產(chǎn)線中，若不重視清潔度問題，在油液清潔度沒有達(dá)標(biāo)的情況下進(jìn)行調(diào)試，將付出慘重代價。不但不能達(dá)到預(yù)期進(jìn)度目標(biāo)，反而大大拖后了進(jìn)度，嚴(yán)重?fù)p壞系統(tǒng)的性能。

除了保證系統(tǒng)清潔度之外，還要對系統(tǒng)進(jìn)行二次污染的預(yù)防，比如可靠的密封性能、合適的油溫控制。

(2)對油缸進(jìn)行排氣

油液中氣體一般以直徑為0.25～0.5 mm的氣泡懸浮在油液中，當(dāng)系統(tǒng)加壓，油液體積彈性模數(shù)βe急劇變化，液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性能變差，動態(tài)特性惡化。另外，由于加壓溶解于油液中的氣體在壓力降到一定程度時會析出并產(chǎn)生大量氣泡。

總之，油液中的氣體會影響介質(zhì)的壓縮率，影響液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性，產(chǎn)生不可控的較大同步誤差。所以，在調(diào)試前必須對油缸進(jìn)行排氣。調(diào)試初期，在未對油缸進(jìn)行排氣的情況下對油缸進(jìn)行同步控制，位移偏差一度達(dá)到8 mm，進(jìn)行排氣工作后則縮小到了小于3 mm的同步偏差。

(3)油溫控制

液壓油黏度與液壓油溫度的關(guān)系可依據(jù)下列經(jīng)驗公式得到:

μ=μ0e－λ(T－T0)

式中:μ為溫度T時油的動力黏度;

μ0為溫度T0時的油液動力黏度;

λ為油液物理性質(zhì)，屬于經(jīng)驗值。

溫度升高，油液動力黏度降低，油液變稀，則系統(tǒng)的泄漏量增加，不但影響傳動效率也會影響同步執(zhí)行器的控制精度。并且在生產(chǎn)過程中，預(yù)壓機(jī)液壓油溫升速度非?？?。基于這些原因，需要嚴(yán)格監(jiān)控油溫，使其控制在55℃以內(nèi)。

2 比例閥死區(qū)的處理

文中選用的比例閥是力士樂帶中位死區(qū)的比例換向閥。其特性曲線如圖2所示。當(dāng)給定值為0～20%時，閥的流量為0;給定值為20～30%時，閥的流量只是稍稍大于0。

分析可得:比例換向閥的流量與給定值的關(guān)系表達(dá)式近似為

其中D=27。

經(jīng)過實際測量，得到每組閥的給定值與位移的變化，其中表1為第一只缸的數(shù)據(jù)。

圖2 閥的特性曲線

表1 現(xiàn)場測量輸出值－位移變化記錄

可以分析得到此閥死區(qū)范圍為－18%～16%，因此在對閥進(jìn)行閉環(huán)控制時要對進(jìn)行必要的補(bǔ)償。

3 同步控制算法

該液壓同步系統(tǒng)使用西門子S7-400的控制器，主要采用PID控制算法。液壓控制框圖如圖3所示。

圖3 液壓同步控制框圖

PID的傳統(tǒng)微分方程如下:

將其離散化后:

將離散后的PID方程代入，經(jīng)分析與實驗測試，得到一個比較精確的算法。算法框圖見圖4。

圖4 PID算法框圖

基于西門子S7-400控制器運算速度和數(shù)據(jù)處理能力，使用系統(tǒng)掃描時間來作為控制周期。

位置設(shè)定值從初始位置按照設(shè)定的升降速度來逼近最終設(shè)定位置。這樣使得六缸在運動過程中任意時刻所獲得的設(shè)定位置都是相同的。位移設(shè)定值變化趨勢如圖5所示。

圖5 位移設(shè)定值變化趨勢

根據(jù)設(shè)備特性，速度設(shè)定值的處理有以下幾種情況:(1)油缸有桿腔伸出的過程中，預(yù)壓機(jī)打開，此時屬于出現(xiàn)故障或者停止生產(chǎn)狀態(tài)，要求快速打開，速度較大;(2)油缸有桿腔縮回的過程中，預(yù)壓機(jī)關(guān)閉，設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，需要精確地位置同步控制;(3)油缸行走到設(shè)定值附近需要減速，進(jìn)入精確定位階段，防止振蕩。

4 實際結(jié)果分析

圖6是在未進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償時的位移跟蹤趨勢圖，可見6條曲線基本符合，但是沒有完全覆蓋，通過數(shù)據(jù)分析可得同步誤差在3 mm以內(nèi)。

圖7為在進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償后的位移跟蹤趨勢圖，可見6條曲線跟隨效果相對較好，尤其是在定位階段，6條曲線幾乎完全覆蓋，通過數(shù)據(jù)分析可得同步控制誤差在0.04 mm以內(nèi)，定位階段的位置控制誤差在0.01 mm以內(nèi)。

圖6 未進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償時所得的位移跟蹤趨勢圖

圖7 進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償后的位移跟蹤趨勢圖

這種控制方式使用在某連續(xù)熱壓機(jī)生產(chǎn)線預(yù)壓機(jī)上，效果十分明顯。最終獲得如圖7所示的同步控制跟蹤趨勢圖，達(dá)到預(yù)期效果。

【1】張紹九.液壓同步系統(tǒng)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

【2】胡孝松.自動控制原理[M].北京:科學(xué)出版社，2001.

【3】劉玉絨.基于PCC的三通道同步液壓伺服系統(tǒng)的研究[J].機(jī)床與液壓，2010，38(6):41－43.