快鍛系統壓力位移復合控制節能研究

姚　靜　曹曉明　李　彬　孔祥東　周　芳

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室,秦皇島,066004　2.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學),秦皇島,0660043.燕山大學,秦皇島,066004

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快鍛系統壓力位移復合控制節能研究

姚靜1,2,3曹曉明3李彬3孔祥東1,2,3周芳3

1.河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室,秦皇島,0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室(燕山大學),秦皇島,0660043.燕山大學,秦皇島,066004

摘要：針對鍛造液壓機普通電液比例閥控系統快鍛工作過程中，系統定壓輸出、回程缸背壓腔壓力過大,系統傳動效率低的問題，提出了一種基于壓力位移復合的控制策略，在保證控制精度的前提下，同時進行了回程缸背壓腔壓力控制和泵口壓力負載敏感控制。通過建立液壓機壓力位移復合控制的整體數學模型，對其節能機理進行了研究，并分析了影響其節能效果的兩個重要因素——回程缸背壓腔壓力pb和泵口與工作腔壓力差值Δp。實驗結果表明，基于壓力位移復合控制的液壓機快鍛系統加載時系統位置誤差達到1.5mm，與傳統的電液比例閥控系統相比，裝機功率降低至傳統電液比例閥控系統裝機功率的52.3%，功耗也降低為普通比例閥控系統的49.2%。

關鍵詞：復合控制；快鍛；液壓機；節能

0引言

液壓機廣泛應用于國民經濟各領域,在工業生產中已占據舉足輕重的地位[1-3]。目前,鍛造液壓機液壓系統裝機功率通常高達數千千瓦，但其液壓系統傳動效率只能達到2%～10%[4],所以其節能研究已成為當務之急。

目前,對鍛造液壓機液壓系統的節能研究尚處于起步階段。姚靜等[5]設計出采用蓄能器的快鍛壓機新型節能回路，并對其快鍛控制性能進行了仿真和試驗研究;裴華軍等[6]在HSHP-1000T液壓機上配置了蓄能器,通過對比分析得出蓄能器的引入在一定程度上降低了系統裝機功率的結論;張哲[7]提出了基于變頻調節的泵閥復合控制快鍛液壓系統,該系統能耗僅為電液比例快鍛系統的30%左右;文獻[8-11]應用伺服直驅泵控技術實現了對液壓機和壓鑄機的節能改造,并通過仿真和實驗證明了該液壓機與之前相比可節能20%以上，壓鑄機較改造前節能46.3%;管成[12]提出了液壓機機械-液壓復合式節能控制系統,配合使用飛輪和蓄能器,達到液壓機液壓系統節能的目的;Ali等[13]提出了變壓力的伺服位移控制系統，有效減小了動力源的溢流損失。

另外鍛造液壓機泵控系統回路中沒有溢流和節流環節,相對于閥控系統在節能上有巨大優勢，其傳動效率可達40%～60%。但是該類系統投資和維護成本較高，所以目前國內外絕大部分鍛造液壓機液壓控制系統還是以閥控系統為主。因此，依舊急需尋求有效的途徑解決閥控比例快鍛液壓機能耗低的問題，以提高系統能量利用率。

1快鍛系統原理

1.1普通快鍛系統

普通電液比例閥控系統如圖1所示,快鍛過程中該系統單純采用位移閉環控制，通過傳感器檢測活動橫梁位移，反饋至位移控制器與輸入信號比較，根據位置誤差的大小及正負實時控制4個比例閥的開度和動作。每個比例閥使用單獨的PID控制器，根據鍛壓的工藝要求對閥分別進行控制。液壓源則采用定壓定流量輸出，系統的輸出壓力和流量分別取決于各執行器中工作所需的最高壓力和最大工作流量，由此引發的功率不匹配造成了能量的嚴重浪費。

0.6MN普通電液比例閥控快鍛系統加載的壓力、位移實驗曲線如圖2所示,圖中,p1為主缸壓力曲線,p2為回程缸壓力曲線,ps為泵口壓力曲線。從圖2可知,系統的跟隨性良好,系統位置誤差約1mm,時間滯后約0.1s。但工作腔與泵口始終存在巨大壓差,尤其是主缸壓力，大部分時間處于低壓狀態，僅在壓下接觸鍛件的極短時間內需要高壓，故泵源定壓定流量輸出將勢必需要通過節流閥轉換為低壓油以供工作腔使用，由此產生巨大的節流損失；另外，系統單純采用位移閉環控制，回程缸背壓腔壓力較大，直接導致排液閥節流損失增大，系統壓力隨之升高，溢流損失增大，繼續降低了系統的傳動效率。因此針對上述問題，基于液壓機本身負載口獨立控制的結構特點，擬從壓力位移復合控制策略入手，通過理論分析和實驗驗證，研究其節能效果。

1.2基于壓力位移復合控制的快鍛系統原理

基于壓力位移復合控制的快鍛液壓系統組成如圖3所示，該系統主要由定量泵2、電液比例溢流閥3、比例換向閥6、位移傳感器10、壓力傳感器11、液壓缸主缸7、回程缸8、活動橫梁9、NI采集系統5和計算機12等組成。液壓缸進出油口分別連接單獨的電液比例換向閥，打破傳統液壓缸進出油口單個比例換向閥節流面積耦合的束縛，增加了系統控制的自由度，為提出新的控制策略提供了可能。

2快鍛液壓系統建模

忽略液壓閥和管道的泄漏和阻尼,建立快鍛液壓系統各元件的數學模型如下。

定量泵模型為

qs=nV-kps

(1)

式中,qs為液壓泵的輸出流量;n為電機轉速;V為液壓泵的排量;k為液壓泵的泄漏系數;ps為泵口壓力。

比例溢流閥簡化模型如下。

(1)比例放大器及電磁線圈作為一個比例環節來處理,不考慮它的電滯后，電磁力可表示為

(2)

式中,Ku為電壓放大系數;Ki為電磁鐵電流增益;R為電阻環節等效阻值;Δui為電磁鐵輸入電流增量；Δy為電磁鐵位移增量;Kuy為位移反饋系數。

(2)比例電磁鐵銜鐵部分與先導閥芯可以表示為一個二階環節,力平衡方程可表示為

(3)

式中,A0為先導閥芯受力面積;Δpy為先導閥芯前后壓差;Ksy為包括彈簧剛度和穩態液動力剛度的等效彈簧剛度;ζm為摩擦力和電磁鐵線圈反電動勢的等效阻尼;wm為先導銜鐵部分固有頻率。

(3)主閥的運動方程可簡化為

(4)

式中，Δx為主閥芯位移增量;A′為主閥芯等效作用面積;Ksx為主閥彈簧剛度;Kfx為主閥口液動力位移系數;wxA為控制腔等效轉折頻率;Δp1為主閥進油口壓力增量;Kqy為先導閥流量位移系數;wv為主閥運動的主導轉折頻率;Ax為主閥上腔作用面積。

主閥進口的流量平衡方程簡化為

ΔqVp-ΔqVL=KqVxΔx+KqVpΔp1+

(5)

式中，ΔqVp為泵源輸出流量;ΔqVL為系統工作所需流量;KqVx為主閥位移流量系數;KqVp為主閥壓力流量系數;A為主閥芯下工作面積;V1為泵源至溢流閥油液體積;E為油液彈性模量。

根據式(2)～式(5)得到比例溢流閥總傳遞函數框圖(圖4)。圖4中,Ky為主閥芯等效位移增益,Kpy為先導閥口壓力增益,wy為先導閥等效固定頻率,ζy為先導閥等效阻尼,K0為主閥等效流量增益,w0為主閥等效固定頻率,ζ0為主閥等效阻尼。

電液比例方向閥模型如下：

(6)

式中,xvn為閥芯位移;in為輸入電液比例換向閥的控制信號;Kv為比例環節放大系數;wvn為二階環節固有頻率;ξv為二階環節阻尼系數。

通過主缸、回程缸油路電液比例方向閥的流量可表示為

(7)

式中,v為活動橫梁速度,向下為正;q1為主缸油路通過閥的流量;q2為回程缸油路通過閥的流量;Cd為流量系數;Wi為第i個閥的閥口面積梯度;xvi為第i個閥的閥芯位移;ρ為油液密度;Δp1、Δp2為主缸油路閥兩端壓差;Δp3、Δp4為回程缸油路閥兩端壓差。

液壓缸流量連續性方程:

(8)

(9)

式中,A1為主缸工作面積;A2為回程缸工作面積;Cip為內部泄漏系數;Cep為外部泄漏系數;ps為泵口壓力;p1為主缸壓力;p2為回程缸壓力;βe為油液壓縮系數;V1為主缸油液體積;V2為回程缸油液體積。

活動橫梁力平衡方程如下：

(10)

式中,M為運動部分等效質量;y為活動橫梁位移;Bp為黏性阻尼系數；K為負載彈性剛度；Ff為摩擦力；FL為任意外負載力。

3壓力位移復合控制策略

本文充分利用快鍛液壓機負載口獨立可控自由度高的優勢，從降低排液腔背壓和泵口工作壓力的角度出發，在位置控制基礎之上增加了回程缸背壓腔的壓力控制和泵口壓力的負載敏感控制，降低了系統因回程缸背壓腔壓力過大和泵口定壓輸出造成的節流損失和溢流損失，從而有效降低了系統的裝機功率，具體控制原理見圖5。

圖5中,壓力位移復合控制主要由位移控制器、回程缸背壓腔壓力控制器和泵口壓力控制器三大部分組成。為了滿足快鍛工藝和系統節能兩方面的要求，不同的工作狀態下，控制量也發生變化。

壓下時，位移反饋信號y與輸入信號sinput比較,經位移控制器處理后輸出作為閥1的控制信號,以保證活動橫梁的控制精度。壓力反饋信號p2與輸入信號pb比較,經背壓腔壓力控制器處理后輸出作為閥4的控制信號，控制背壓腔壓力保持低壓pb。泵口壓力控制器則首先根據位移偏差信號e判斷液壓機的工作狀態,確定工作腔。在工作腔反饋壓力基礎上增加Δp后與泵口壓力比較,調節比例溢流閥負載敏感控制。回程時，位移誤差經位移控制器處理后輸出信號，同時控制閥2和閥3,確保鍛造的精度。泵口壓力調節則同壓下過程相同，僅工作腔發生變化，由主缸變為回程缸，實現泵口壓力的負載敏感控制。

3壓力位移復合控制節能機理分析

普通比例閥控快鍛液壓系統為定壓定流量系統，依靠常規位置閉環進行快鍛，工作中產生大量的節流損失和溢流損失。

壓下時,根據式(7)主缸進液閥和回程缸排液閥流量q1、q2分別為

(11)

(12)

式中,p1、p2分別為主缸和回程缸的壓力。

(13)

將式(10)代入式(13)中得泵口壓力

Ff+FL-Mg)

(14)

同理，回程時泵口壓力為

(15)

將式(10)代入式(15)后得回程階段泵口壓力為

(16)

普通比例閥控快鍛液壓系統為定壓系統,系統的壓力取決于最大工作壓力,則泵口壓力ps為ps=max(ps1,ps2)。

系統的輸入功率為

P=psqs

(17)

相比于普通比例閥控快鍛液壓系統,采用壓力位移復合控制的快鍛液壓系統，泵口壓力恒大于工作腔壓力定值Δp。由式(10) 、式(13) 、式(15)得系統壓力為

(18)

系統的輸入功率為

(19)

比較上述兩種控制系統,壓下時兩系統的輸入功率之差為

(20)

式中,pb、Δp為輸入變量；α、p2為系統的狀態變量；qs為定量泵輸入流量,取45 L/min。

由式(20)得出,壓下階段系統的節能功率ΔP1與輸入變量(Δp、pb)和狀態變量(α、p2)有關。輸入變量越大,ΔP1越小,因此輸入變量(Δp、pb)越小,系統的節能效果越好。但為了保證快鍛液壓機能夠按照輸入信號正常工作,輸入變量還需滿足大于閥口全開流經閥口最大流量所形成的壓降，查閱Moog伺服閥樣本,輸入變量(Δp、pb)最小設為2 MPa。以α、p2為橫坐標軸，在0.6 MN快鍛液壓機工作范圍內,壓下時節能功率ΔP的曲面圖如圖6所示。ΔP曲面在零平面之上,恒為正,即壓下階段普通比例閥控系統的輸入功率高于基于壓力位移控制的快鍛液壓系統的輸入功率。

(21)

由式(21)可以得出,系統回程階段的節能功率恒大于零,ΔP2也與輸入變量Δp有關,隨著輸入變量Δp的增大而減小。

由上述分析可得,壓下、回程階段普通比例閥控系統的輸入功率均大于基于壓力位移復合控制的快鍛系統的輸入功率。采用壓力位移復合控制策略后有效降低了系統的裝機功率，且節能效果與輸入變量(Δp、pb)密切相關。在保證控制精度的前提下，輸入變量越小，節能效果越好。

5實驗研究

5.1實驗采集系統介紹

為了進一步檢驗該控制策略的節能效果，依托現有的0.6MN中試快鍛液壓機實驗平臺進行了位移壓力復合控制策略的節能研究。液壓機實驗平臺最大設計鍛造能力為0.6MN,總共分為三級鍛造壓力。其本體為三梁四柱預應力結構，液壓系統為上傳動,實驗平臺如圖7所示，液壓機及液壓傳動系統基本參數如表1所示。

電氣控制部分采用了NI公司的CompactPIO控制采集平臺，控制采集系統使用LabVIEW圖形化開發工具，為快速開發硬件測量電路和控制操作界面，提供了實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑，提高了工作效率。CompactPIO控制器與上位機連接，相互通信完成位移、壓力信號的可視化監視。活動橫梁兩側安裝位移傳感器，反饋電信號至位移控制器，聯合位移輸入信號完成活動橫梁的位置控制；主缸、回程缸、泵口處分別接有壓力傳感器，檢測各點的工作壓力，實時反饋壓力電信號至各壓力控制器，完成回程缸背壓腔的壓力控制和泵口壓力的負載敏感控制。同時壓力傳感器反饋信號記錄各部分的壓力變化情況，結合液壓機速度變化計算各部分的功率損耗。實驗臺的具體原理及控制采集系統如圖8所示。

5.2壓力位移復合控制的節能實驗研究

在快鍛液壓機液壓系統中，位移控制用來保證快鍛精度要求,是系統工作的基本前提。因此，在此率先驗證了復合控制策略在控制特性方面的可行性，之后再展開相關的節能研究。首先，為滿足系統的最大流量需求,根據式(7),實驗中泵口與工作腔的壓差Δp設為2MPa,回程缸背壓腔壓力pb設為2MPa,泵口安全閥壓力設為10MPa。給定位移信號為正弦曲線,頻率為1Hz,幅值為30mm。

圖9所示分別為加載時快鍛液壓機壓力位移復合控制系統的位移和壓力曲線。圖9a中sinput為給定位移曲線,y為跟隨位移曲線。液壓機的系統位置誤差約1.5mm,壓下階段滯后較小,約0.1s,回程階段滯后增大,約0.25s。這是由于壓下階段切換至回程階段,回程加速度最大,所需的回程壓力最大。而此時回程缸壓力因壓下階段背壓腔的壓力控制，壓力處于較低狀態，建壓需要一定的時間。同時，泵口壓力也因壓下階段泵口壓力負載敏感調節,處于低壓狀態，建壓時間較長，導致回程位移的滯后嚴重。實驗過程中,通過改變PID控制器比例系數,能夠一定程度上改善上述狀況，但滯后始終存在。

實驗中各壓力曲線如圖9b所示,從圖9b可以看出,在壓下和回程過程中,泵口壓力分別與主缸壓力和回程缸壓力基本保持恒定壓差,實際差基本與設定的壓差2MPa一致。壓下階段,回程缸壓力基本保持2MPa左右不變，與普通比例閥控系統相比,回程缸背壓有所降低，在1s時主缸壓力升高,回程缸壓力降低，壓力波動明顯，泵口壓力緊隨主缸壓力變化。回程時,泵口壓力因建壓時間長,未能時刻保持高于回程缸2MPa的壓力,但壓力峰值高于回程缸壓力2MPa,基本完成了回程缸背壓腔的壓力控制和泵口壓力的負載敏感控制。

經統計計算采用了壓力位移復合控制系統各部分能量消耗情況如表2所示。其中溢流損失為59.13%,主缸油路節流損失為17.45%,回程缸油路節流損失為11.67%,有用功所占比重為10.92%,其他為0.85%。

與普通電液比例閥控系統相比，兩種回路的功耗對比如圖11所示。受回程缸背壓腔的壓力控制和泵口壓力負載敏感控制的影響，在相同的輸入和負載工況下，系統的輸入功率大大降低，僅為普通比例閥控系統的52.3%,功耗也降低為普通比例閥控系統的49.2%。采用壓力位移復合控制的快鍛液壓系統節能效果顯著。

5.3系統節能特性影響因素研究

由式(20)、式(21)可知,壓力位移復合控制快鍛系統的能耗特性與輸入變量(Δp、pb)有關。下面分別針對以上兩個參數對系統能耗展開變參研究。

5.3.1泵口壓力與工作腔壓力差Δp對能耗的影響

壓機工作時,通過調節泵口電液比例溢流閥實現泵口壓力的負載敏感控制,使得系統在壓下和回程過程中,泵口壓力分別與主缸壓力和回程缸壓力保持恒定的壓差Δp。圖12即為Δp不同時,系統的輸入功率和損失功率曲線。由圖12可以看出,隨著Δp的增大,進液閥的節流損失增大,排液閥的節流損失幾乎不發生變化,如圖12a、圖12b所示,即壓下階段的主缸進液閥節流損失和回程階段的回程缸進液閥節流損失增大,回程階段的主缸排液閥節流損失和壓下階段的回程缸排液閥節流損失幾乎不變。其主要原因為Δp為進液閥兩端的壓降,直接影響進液閥的節流損失,而與排液閥無關。同時,Δp增大導致系統的壓力升高,系統流量不變,溢流損失增大，造成多余的能量浪費，如圖12c、圖12d所示,與上述理論分析一致。圖12c中Δp為1.5MPa時,輸入功率雖然最小,但從其位移曲線(圖13)中可以看出壓降Δp為1.5MPa時,其控制特性急劇變差，未能滿足式(7)中最大的流量需求。因此,Δp需在滿足位移控制特性的前提下,越小越好。

5.3.2回程缸的背壓pb對系統的影響

系統壓下過程中,通過對回程缸排液閥的調節,實現背壓腔壓力的閉環控制,使其始終處于低壓狀態,減小排液閥節流損失。同時受回程缸背壓腔壓力pb的影響,主缸工作壓力隨之降低,減小了系統的輸入壓力,進而降低了輸入功率。圖14即為不同pb值時,系統的輸入功率和損失功率曲線。從圖14可以看出,pb越小，回程缸油路排液閥的節流消耗越低，同時輸入功率和溢流消耗也減小,提高了系統的傳動效率,回程缸背壓控制節能效果明顯。

6結論

(1)給出了普通電液比例快鍛液壓機能耗高的原因：一是主缸和回程缸負載特性差異大，且恒壓源不能匹配負載壓力變化；二是由于沒有利用負載口獨立控制,從而使主缸和回程缸兩控制閥偶聯，造成回程背壓很高。

(2)提出了壓力位移復合控制快鍛原理,建立了其數學模型，給出了壓力位移復合控制策略，即在位移控制基礎之上加入系統回程缸背壓控制和泵口壓力的負載敏感控制，降低了節流和溢流損失。

(3)基于0.6MN快鍛液壓機實驗平臺,對采用壓力位移復合控制的快鍛系統展開了實驗研究，結果表明，壓力位移復合控制的快鍛系統有用功僅占10%,溢流損失高達59%,但與普通電液比例快鍛系統相比，在相同的輸入和負載工況下,系統的輸入功率大大降低，僅為普通比例閥控系統的52.3%,功耗也降低,為普通比例閥控系統的49.2%。并對系統的節能機理進行了理論分析和實驗研究，得到Δp和pb對系統能耗的影響規律,即在滿足系統控制特性的前提下，Δp、pb越小,系統的節能效果越明顯，相反，節能效果越差。

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(編輯王艷麗)

ResearchonEnergySavingofPressureandDisplacementCompoundControlStrategyforFastForgingSystem

YaoJing1,2,3CaoXiaoming3LiBin3KongXiangdong1,2,3ZhouFang3

1.HebeiProvinceKeyLaboratoryofHeavyMachineryFluidPowerTransmissionandControl,Qinhuangdao,Hebei,0660042.KeyLaboratoryofAdvancedForging&StampingTechnologyandScience,MinistryofEducationofChina,Qinhuangdao,Hebei,0660043.YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei,066004

Keywords:compoundcontrolstrategy;fastforging;hydraulicpress;energy-saving

Abstract:Accordingtotheproblemsofconstantpressureoutput,returncylinder’slargepressureandlowtransmissionefficiencyinfastforgingprocessofforginghydraulicpress’sordinaryelectro-hydraulicproportionalvalvesystem,thispaperproposedapressureanddisplacementcompoundcontrolstrategy,andtookpressurecontrolforthereturncylinder’sback-pressurecavityandloadsensitivecontrolforthepump’sinletpressureunderthepremiseofensuringthecontrolprecision.Theenergy-savingmechanismwasstudiedandthetwoimportantfactors-thereturncylinder’sback-pressurecavitypressurepbandthepressuredifferenceΔpbetweenpumpoutletandtheworkingcavity-thatinfluencedtheeffectinvenessofenergysavingwereanalyzedthroughestablishingthecompletemathematicalmodelforhydraulicpress’spressureanddisplacementcompoundcontrol.Experimentalresultsshowthatthepositionerrorforloadingcanlimit1.5mmbasedonthefastforginghydraulicpress’spressureanddisplacementcompoundcontrolsystem,andinstalledpowerreducedto52.3%comparedtothetraditionalelectro-hydraulicproportionalvalvecontrolsystem,meanwhilepowerconsumptionisreducedto49.2%comparedtoordinaryproportionalvalvesystem.

收稿日期：2015-02-10

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51575471)；河北省青年自然科學基金資助項目(E2014203247)；高檔數控機床與基礎制造裝備科技重大專項(2011ZX04001-51-04)

作者簡介:姚靜(通信作者),女,1978年生。燕山大學機械工程學院副教授。主要研究方向為重型機械流體傳動與控制系統和新型液壓元件。發表論文20余篇。曹曉明,男,1990年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。李彬,男,1991年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。孔祥東，男，1959年生。燕山大學機械工程學院教授、博士研究生導師。周芳,女,1990年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。

中圖分類號：TH137.5

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.02.020