一種液壓比例閥的零位偏移自動校正算法在陶瓷壓磚機中的應用

霍志恒，黃蓉，曾允茹

(佛山市恒力泰機械有限公司，佛山 528031)

1 前言

隨著我國陶瓷行業的迅速發展與液壓控制元器件技術的不斷更新，人們對陶瓷壓磚機的控制工藝要求越來越精細。而液壓比例閥可以對液壓系統的流量實現連續和比較精確的控制和調節，對陶瓷壓磚機的控制有很大的促進作用。相比普通插裝閥，液壓比例閥響應速度更快，控制更加精確；相對伺服閥，液壓比例閥性價比高、抗污染能力強。因此，液壓比例閥在陶瓷液壓壓磚機領域的應用越來越廣泛。當前大部分的陶瓷壓磚機把液壓比例閥用于控制動梁的運動，但是由于陶瓷壓磚機的生產環境相對復雜，電磁干擾大，而且連續運行時間長，液壓比例閥使用的故障率會比普通電磁閥和插裝閥高，其中，比例閥閥芯零位偏移是常見的一個故障現象。當發生閥芯零位偏移后，會對陶瓷壓磚機動梁的控制穩定性產生影響，不但降低生產的效率，影響設備壽命，甚至還會威脅人身安全。本文介紹的液壓比例閥零位偏移自動校正算法就是針對這種情況而設計的，目的就是在動梁比例閥發生零位偏移后，通過算法得出補償值來抵消零位偏移值，從而提高動梁的可控性，并以陶瓷液壓壓磚機的動梁的控制為例介紹此算法。

2 傳統的比例閥校正方法

傳統的液壓比例閥偏移校正方法是人為去修正：正常生產運作中，通過人為去觀察動梁在運行時是否發生了偏移，若動梁發生了向上偏移，人為通過人機界面HMI給比例閥設定一個正補償值；若動梁發生向下偏移，人為通過人機界面HMI給比例閥設定一個負補償值，通過設定補償值來抵消零位偏差帶來的不良影響，可使動梁穩定在一個合理區間內，從而滿足對動梁的工作需求，其工藝流程如圖1所示。

傳統的比例閥校正方法雖然簡單實用，但需要操作員的參與，這要求操作員有一定的技術與故障判斷能力；而且陶瓷壓磚機通常是不間斷生產，操作員一般很難及時發現，往往是出現了問題才發現故障，這就給正常生產帶來很大的影響。另外，傳統的方法也是通過觀察→調整→再觀察的程序進行多次調整，直到找到準確的補償量。在調整時又需要操作員有相關的經驗，從而增加了校正難度。

圖1 傳統的比例閥校正方法

3 比例閥零位偏移自動校正的原理

液壓比例閥零位偏移自動校正的流程是：當動梁在陶瓷壓磚機自動循環的空程位置時 （即等待推磚布料階段，由于此階段時間相對較長，有利于算法的執行），利用動梁位移傳感器，檢測動梁是否發生了滑動，如果發生了滑動并且偏移量大于允許值，利用算法計算比例閥零位補償量，然后將補償量輸出到比例閥執行，反復掃描偏移量并計算補償量，直到找出最合適比例閥的零位補償量。程序如圖2所示。其中，｜S｜是傳感器檢測的動梁偏移值，A為偏移量的允許值。

比例閥零位偏差自動校正算法的核心是運用了進退法與黃金分割點法來組合運算。

進退法是用來確定搜索比例閥零位偏移區間的算法，其理論依據為：f(X)為單谷函數（只有一個極小值），且[a,b]為其極小點的一個搜索區間，對于任意X1，X2∈[a,b]且 X1＜X2，如果 f(X1)＜f(X2)，則[a,X2]為極小點的搜索區間，如果f(X1)＞f(X2)，則[X1,b]為極小點的搜索區間。

黃金分割法是在進退法確定了搜索區間后用來縮小搜索區間，直到找到比例閥的零位偏移量的算法。其理論依據為：把一個區間分割為兩部分，使較大部分與全長的比值等于較小部分與較大的比值，則這個比值即為黃金分割。其比值是近似值為 0.618。

其原理是：設定初始開度a0，初始步長t0?？刂破饕猿跏急壤y開度a0控制動梁運動（a0為正值，如果比例閥閥芯零位未偏移，則理論上動梁應該會向下運動），然后根據傳感器檢測動梁的實際運動情況進行判斷：①動梁的實際運動距離 S0小于動梁運動允差 A（即｜S0｜＜A），則說明比例閥閥芯零位偏移量就是 a0（即補償量 a*=a0）；②｜S0｜＞A并且動梁向下運動，則說明比例閥閥芯零位發生了正偏移，控制器將初始步長t0取反（即t0=-t0）再加上a0后將值賦予 a1（即 a1=a0+t0）；③｜S0｜＞A 并且動梁向上運動，則說明比例閥閥芯零位發生了負偏移，因此控制器將a0加上初始步長t0后將值賦予a1（即a1=a0+t0）。

然后動梁比例閥以a1控制動梁，根據傳感器檢測動梁的實際運動情況再次進行判斷：①｜S0｜＜A，則說明比例閥閥芯零位偏移量就是 a1（即補償量 a*=a1）；②｜S0｜＞A 并且動梁運動方向與前一次運動方向相同，則說明比例閥閥芯零位偏移量不在此兩次比例閥開度區間范圍內，需繼續減小或加大比例閥開度，以便確定比例閥閥芯零位偏移量的區間范圍；③｜S0｜＞A并且動梁運動方向與前一次運動方向相反，則說明比例閥閥芯零位偏移量就在此兩次比例閥開度區間的范圍內，從而確定了零位偏移的區間。

確定了零位偏移的區間后，再利用分割法來反復計算調整比例閥的開度，直到確定比例閥的補償量a*，然后在比例閥的開度指令上增加補償量a*，即可讓動梁正常工作，實現比例閥閥芯零位的自動調整功能。其流程大致如圖3所示，其中，a*是得出的比例閥零位偏差值。

4 比例閥零位自動校正算法的技術要點

（1）由于動梁的重量很大，屬于大慣性的物體，在計算時要排除動梁慣性對算法的影響，所以需要先對動梁運動進行濾波，增加算法的準確性。

圖3 算法流程圖

（2）由于算法是根據動梁的實際位移來計算的，所以要設定一個安全區域，保證動梁在安全區域內移動，不能與其他設備發生干涉，否則會發生危險。

（3）如果比例閥零位偏差較大時，可能在一個壓制循環內不能找到補償值，需設置斷點，讓算法在下個壓制循環從斷點繼續計算，否則算法將不能找到準確值。

（4）本算法運用在Beckhoff的CX控制器。該算法要求在小區域快速尋找零位偏置值，所以要求控制器有一定的計算能力。

5 比例閥零位自動校正算法的實際使用的效果

本算法已經在恒力泰YP系列陶瓷液壓自動壓磚機上實驗，經過實驗得出：當比例閥的零位偏差在3%時，該算法可在600 ms內準確找到偏移值；當比例閥零位偏差在5%時，該算法可在1100 ms內準確找到偏移值；當比例閥零位偏差在10%時，該算法可在2000～2500 ms內準確找到偏移值，可以滿足大部分陶瓷生產的要求。

6 結束語

比例閥閥芯零位偏移是比例閥的常見故障，本文所介紹的零位自動校正算法可以很好地解決此類故障，不僅節省了人力成本，而且減少了由于陶瓷壓磚機動梁控制定位不準帶來的不利影響，在提高比例閥的可控性方面，陶瓷壓磚機穩定性和設備安全與智能化都取得了明顯的成效。

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