電液比例雙閉環控制系統在摩擦焊機上的研究

張 慧

（陜西電子科技職業學院，陜西 西安 710125）

摩擦焊機是典型的機電一體化產品，其中控制系統是摩擦焊機整個系統的核心，直接關系到焊接質量及系統工藝參數的控制，包括液壓系統提供的頂鍛壓力、主軸轉速等工藝參數。

頂鍛壓力和主軸電機轉速是決定摩擦焊接質量的兩個關鍵參數，直接影響摩擦焊機的綜合性能是摩擦焊技術研究的重要環節。頂鍛壓力和主軸電機轉速對焊接過程控制及焊接質量的好壞起關鍵性的作用。

電液控制技術，具有節能、可靠性等優點，是連接現代微電子技術和大功率工程控制設備間的橋梁，適用于大功率控制，具有一定控制精度的電液控制系統。電液控制技術已成為現代控制工程的最基本和最關鍵的技術構成。

比例控制是系統的控制量（輸入或指令）成比例的反應系統的被控制量（輸出）的技術手段，比例控制確保輸出量的大小能夠按照確定的比例隨著輸入量的變化發生線性變化。

1 焊接系統

摩擦焊接過程主要是通過主機（機床）、液壓系統及控制系統三部分一起來完成。摩擦焊接的主機系統包含床身、主軸箱、滑臺、移動夾具、旋轉夾具、施力油缸等，其工作過程是通過旋轉夾具與移動夾具夾緊工件，根據零件工藝要求調整合適的轉速、扭矩、摩擦壓力及頂鍛壓力，確保達到焊接的精度。液壓系統的作用是提供焊機各動作機構和施力系統的液壓動力源、并控制執行元件有序的按所需動作完成指令。

圖1 摩擦焊接主機過程主

2 電液比例控制技術

圖2 電液比例單閉環控制系統

圖3 電液比例雙閉環控制系統

圖4 單閉環比例施力控制系統建模

圖5 雙閉環比例施力系統建模

電液控制系統的類型和應用場合相當廣泛，然而一個實際的電液控制系統都是有基本原件組成。電液控制系統是由輸入元件、執行器、檢測反饋元件、比較元件放大裝置等組成。比例控制是實現元件或系統的被控制量（輸出）與控制，并易于實現無級調速。

2.1 電液比例單閉環控制

電液比例單閉環控制系統是由計算機輸出電壓信號，通過比例放大器，調節比例溢流閥開口；通過壓力傳感器，將采集的軸向壓力（摩擦壓力，頂鍛壓力）與參考值對比，控制計算機輸出新的信號，以獲得穩定的軸向壓力。

2.2 電液比例雙閉環控制

本研究中采用電液比例雙閉環控制，其工作原理為：是在單閉環的基礎上，將位移傳感器檢測到的閥芯位移信號反饋到計算機系統，形成第二個閉環控制系統，嵌入原系統內。

將位移傳感器檢測到的信號與壓力傳感器檢測的信號進行對比分析，配合壓力閉環控制回路調節計算機輸出電壓信號，從而形成雙閉環控制系統。雙閉環控制系統對摩擦焊機軸向施力精度實現了更好的控制，從而提升了整個系統的控制特性。

3 摩擦焊機控制系統建模分析

3.1 單閉環比例施力控制系統的建模

根據電液比例單閉環控制原理將液壓系統簡化為：一個比例方向閥用于轉換油路方向及比例調，控制油缸方向及速度；一個比例溢流閥用于調節軸向壓力、軸向壓力施力油缸。

根據系統框圖建立系統閉環傳遞函數：

式中G1(S)為比例放大環節Kμ比例溢流閥壓力增益；

G2(S)為比例溢流閥的傳遞函數；

G3(S)為比例換向閥的液阻傳遞函數；

H1(S)為壓力傳感器的增益。

3.2 雙閉環比例施力系統的建模

根據系統框圖建立系統閉環傳遞函數：

式中H2(S)為位置傳感器的增益。

4 結論

通過單閉環控制系統和雙閉環控制系統的仿真數據分析，系統調節到穩定狀態的時間縮短了，控制的精度提高了。

由此我們可以看出雙閉環控制系統在摩擦焊機液壓控制系統中使用的必要性，雙閉環控制系統具有更快捷穩定的特性。