液壓同步控制在連續熱壓機預壓機上的應用

郭穎，辛楊桂，譚利華，陳藝

(廣州機械科學研究院有限公司液壓研究所，廣東廣州510700)

20世紀60年代各種結構簡單的電液伺服閥相繼問世，隨著現代電子技術特別是微電子集成技術和計算機技術的發展，工業伺服技術和電液比例技術得以迅速發展。于是，各類民用工程對電液控制技術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的閉環控制，響應快、精度高、無死區，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的清潔度要求非常高，成本昂貴，系統能耗比較大，使得很多設備對伺服控制望而卻步。

電液比例技術以傳統工業用液壓控制閥為基礎，通過采用可靠、價廉的模擬式電－機械轉換器和與之相應的閥內部結構設計來獲得對油液要求與一般工業閥相同或相近的電液比例閥。其價格低廉，閥內壓力損失低，并且維護方便，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，大幅度降低成本，并且可以實現復雜的過程控制。特別是隨著控制理論及計算機的發展，電子技術和液壓技術的結合以及新型液壓元件產品的推出，數字化新技術融入到液壓產品中。比例控制的液壓同步系統可以獲得較高的同步精度，因此，閉環控制的液壓同步系統幾乎在所有需要高同步精度驅動的各類機械裝備中都得到廣泛應用[1]。

1 調試前必備條件

文中研究對象是閥控六缸電液比例系統，液壓缸參數: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，分布在預壓機左右兩側，負載均不相同，支撐起預壓機，壓下過程中對物料進行定型、排氣。油缸位置示意圖見圖1。

圖1 預壓機油缸位置示意圖

液壓系統調試前的準備工作:

(1)油液清潔度要求

在調試前，必須要確保液壓系統清潔度符合液壓系統所有元件的清潔度標準。在熱壓機生產線中，若不重視清潔度問題，在油液清潔度沒有達標的情況下進行調試，將付出慘重代價。不但不能達到預期進度目標，反而大大拖后了進度，嚴重損壞系統的性能。

除了保證系統清潔度之外，還要對系統進行二次污染的預防，比如可靠的密封性能、合適的油溫控制。

(2)對油缸進行排氣

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，當系統加壓，油液體積彈性模數βe急劇變化，液壓系統的穩定性能變差，動態特性惡化。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生大量氣泡。

總之，油液中的氣體會影響介質的壓縮率，影響液壓系統的動態特性，產生不可控的較大同步誤差。所以，在調試前必須對油缸進行排氣。調試初期，在未對油缸進行排氣的情況下對油缸進行同步控制，位移偏差一度達到8 mm，進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系可依據下列經驗公式得到:

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，屬于經驗值。

溫度升高，油液動力黏度降低，油液變稀，則系統的泄漏量增加，不但影響傳動效率也會影響同步執行器的控制精度。并且在生產過程中，預壓機液壓油溫升速度非常快。基于這些原因，需要嚴格監控油溫，使其控制在55℃以內。

2 比例閥死區的處理

文中選用的比例閥是力士樂帶中位死區的比例換向閥。其特性曲線如圖2所示。當給定值為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系表達式近似為

其中D=27。

經過實際測量，得到每組閥的給定值與位移的變化，其中表1為第一只缸的數據。

圖2 閥的特性曲線

表1 現場測量輸出值－位移變化記錄

可以分析得到此閥死區范圍為－18%～16%，因此在對閥進行閉環控制時要對進行必要的補償。

3 同步控制算法

該液壓同步系統使用西門子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的傳統微分方程如下:

將其離散化后:

將離散后的PID方程代入，經分析與實驗測試，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據處理能力，使用系統掃描時間來作為控制周期。

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

圖5 位移設定值變化趨勢

根據設備特性，速度設定值的處理有以下幾種情況:(1)油缸有桿腔伸出的過程中，預壓機打開，此時屬于出現故障或者停止生產狀態，要求快速打開，速度較大;(2)油缸有桿腔縮回的過程中，預壓機關閉，設備進入工作狀態，需要精確地位置同步控制;(3)油缸行走到設定值附近需要減速，進入精確定位階段，防止振蕩。

4 實際結果分析

圖6是在未進行死區補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，通過數據分析可得同步誤差在3 mm以內。

圖7為在進行死區補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，通過數據分析可得同步控制誤差在0.04 mm以內，定位階段的位置控制誤差在0.01 mm以內。

圖6 未進行死區補償時所得的位移跟蹤趨勢圖

圖7 進行死區補償后的位移跟蹤趨勢圖

這種控制方式使用在某連續熱壓機生產線預壓機上，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，達到預期效果。

【1】張紹九.液壓同步系統[M].北京:化學工業出版社，2010.

【2】胡孝松.自動控制原理[M].北京:科學出版社，2001.

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