均勻軋車微油壓穩(wěn)定性控制

王方元， 池旭帆， 周惠友， 鐘 毅， 陳慧敏

(1. 東華大學(xué) a. 機(jī)械工程學(xué)院， b. 紡織科技創(chuàng)新中心， 上海 201620；2. 上海置道液壓控制技術(shù)有限公司， 上海 201800)

液壓內(nèi)支撐式均勻軋車是紡織品染整加工過(guò)程中的一類關(guān)鍵設(shè)備[1]。傳統(tǒng)軋車在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生撓曲變形，導(dǎo)致織物幅向軋余率出現(xiàn)偏差。文獻(xiàn)[2]研究表明，當(dāng)織物幅向左、中、右任意兩點(diǎn)處軋余率差值大于5%時(shí)，將出現(xiàn)邊中色差弊病，其難以通過(guò)調(diào)整工藝消除。液壓內(nèi)支撐式均勻軋車通過(guò)向輥腔通入一定量的液壓油來(lái)補(bǔ)償軋輥的撓曲變形，以改善輥間線壓力分布狀況，從而使軋壓后織物內(nèi)部軋液均勻分布，還可根據(jù)前后工藝需要調(diào)節(jié)軋輥軸向帶液量，這對(duì)于提高織物的染整效果有著重要意義[3]。目前，大多數(shù)液壓內(nèi)支撐式均勻軋車采用氣控油液調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)輥腔油壓，這種氣壓間接控制油壓的加壓方式存在油壓調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、油壓不夠穩(wěn)定的問(wèn)題。由于軋車依賴手動(dòng)旋鈕調(diào)整油壓，油壓的微量調(diào)整較為困難且重現(xiàn)性差[4]。

為提高均勻軋車輥腔油壓的穩(wěn)定性和微調(diào)性以滿足染整加工要求[5]，本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW虛擬測(cè)控平臺(tái)的微油壓穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

本文所設(shè)計(jì)的均勻軋車微油壓穩(wěn)定性控制系統(tǒng)布局如圖1所示。整個(gè)微油壓穩(wěn)定性控制系統(tǒng)主要由油壓控制元件和上位機(jī)測(cè)控平臺(tái)組成。

1—控制器；2—上位機(jī)測(cè)控平臺(tái)；3—液壓源；4—安全閥；5—油壓表；6—高速開(kāi)關(guān)閥；7—均勻軋輥；8—油壓檢測(cè)器；9—截止閥；10—油箱。圖1 均勻軋車微油壓穩(wěn)定性控制系統(tǒng)布局圖Fig.1 Layout diagram of micro-hydraulic stability control system for evenness padder

1.1 油路

均勻軋車工作時(shí)，首先需要設(shè)定安全閥的壓力值，油壓從液壓源經(jīng)過(guò)安全閥，將輸出油壓值穩(wěn)定在2 MPa以內(nèi)，安全閥的輸出端接到高速開(kāi)關(guān)閥，再接到軋車輥腔。利用高速開(kāi)關(guān)閥控制輥腔內(nèi)油壓大小。

1.2 測(cè)控

上位機(jī)測(cè)控平臺(tái)部分的工作由裝有LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)完成，控制執(zhí)行部分由控制器完成。系統(tǒng)工作時(shí)，在上位機(jī)測(cè)控平臺(tái)上輸入PWM (pulse width modulation)信號(hào)的占空比和頻率，控制器可根據(jù)上位機(jī)指令輸出高速脈沖，驅(qū)動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥工作，調(diào)節(jié)軋輥內(nèi)腔油壓。同時(shí)，油壓檢測(cè)器將輥腔油壓數(shù)據(jù)傳遞給控制器，再反饋至上位機(jī)測(cè)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，使油壓穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值上。均勻軋車油壓穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 均勻軋車油壓穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic stability control for evenness padder

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字液壓閥

作為油壓穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的核心元件，液壓閥在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能[6]。紡織印染廠生產(chǎn)條件惡劣，對(duì)均勻軋車這類使用條件較高的設(shè)備缺乏必要的保護(hù)措施。考慮到液壓系統(tǒng)抗污染、抗干擾、防泄漏的使用需求，本文選擇HSV3023S3型二位三通常閉式高速開(kāi)關(guān)閥作為液壓控制元件，額定壓差為2 MPa，額定流量為3～5 L/min，驅(qū)動(dòng)電壓為24 V，脈寬有效調(diào)節(jié)范圍為20%～80%。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡作為控制系統(tǒng)中的控制執(zhí)行部分，主要用來(lái)完成油壓信號(hào)采集、控制信號(hào)輸出等功能。根據(jù)采樣頻率的要求，本系統(tǒng)采用NI公司的USB-6002型多功能數(shù)據(jù)采集卡[7]。該數(shù)據(jù)采集卡具有4路差分輸入、8路單端輸入、13路數(shù)字線，最大采樣率為50 kS/s，電壓測(cè)量范圍為±10 V，具有數(shù)據(jù)接口類型多、傳輸速率快、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 固態(tài)繼電器與直流電源

在該油壓控制系統(tǒng)中，由于USB-6002型數(shù)據(jù)采集卡輸出電壓與HSV3023S3型高速開(kāi)關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)電壓不匹配，因此需要選擇合適的固態(tài)繼電器進(jìn)行配合使用。本文選擇WA1-05DD型伍格固態(tài)繼電器與24 V直流電源，將數(shù)據(jù)采集卡的輸出脈沖轉(zhuǎn)化為24 V脈沖。

2.4 安全閥

由于高速開(kāi)關(guān)閥供油口的油壓上限為2 MPa，為保證高速開(kāi)關(guān)閥正常工作，需在油路中添加安全閥[8]。本文選擇RV10-20型直動(dòng)式溢流閥作為安全閥，該溢流閥的最大工作壓力為5.517 MPa，工廠額定壓力為0.335～4.140 MPa，具有結(jié)構(gòu)緊湊且能對(duì)負(fù)載變化進(jìn)行快速響應(yīng)的特點(diǎn)。

2.5 壓力變送器

為實(shí)現(xiàn)軋輥內(nèi)腔油壓值的實(shí)時(shí)檢測(cè)，在輥腔油壓輸出端安裝油壓檢測(cè)器。油壓檢測(cè)速度與精度將影響微油壓控制系統(tǒng)的精度。本文選擇CYZZ11型擴(kuò)散硅式壓力變送器作為油壓檢測(cè)器。該壓力變送器的模擬量輸出為1～5 V(直流電)，量程為0～0.4 MPa，穩(wěn)定性為±0.1% FS (full-scale)/年，溫度漂移為±0.01% FS/ ℃。壓力變送器的標(biāo)定曲線如圖3所示。

圖3 壓力變送器標(biāo)定曲線Fig.3 Calibration curve of pressure transmitter

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 脈沖輸出與數(shù)據(jù)采集

本文選用的HSV 3023S3型高速開(kāi)關(guān)閥由脈寬調(diào)制信號(hào)控制，驅(qū)動(dòng)電壓為24 V，而USB-6002型數(shù)據(jù)采集卡不具備高速脈沖輸出功能，電壓輸出范圍為±10 V。故本節(jié)采用數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出功能與固態(tài)繼電器、直流電源配合使用，可輸出電壓值為24 V的可變占空比/頻率的高速脈沖以驅(qū)動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥工作，調(diào)節(jié)軋輥內(nèi)腔油壓。脈沖輸出源程序[9]如圖4所示。

此外，對(duì)采樣頻率、輸入電壓范圍、電壓/油壓換算關(guān)系(圖3中的標(biāo)定曲線)等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行定義，數(shù)據(jù)采集源程序如圖5所示。

3.2 模糊PID算法控制

本文設(shè)計(jì)的均勻軋車微油壓穩(wěn)定控制系統(tǒng)以模糊PID算法為控制策略。從PID控制器、模糊控制器兩個(gè)方面進(jìn)行模糊PID算法設(shè)計(jì)[10]。模糊控制器采用模糊邏輯工具箱(fuzzy logic toolkit)，該工具箱包含模糊控制器設(shè)計(jì)及模糊控制器載入兩個(gè)主要vi(virtual instrument)[11]。完成模糊控制器的搭建后，將其命名為.fs文件，存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。然后在程序后面板中將設(shè)計(jì)的模糊控制器文件與模糊控制器載入.vi相連，模糊控制器的輸出端與PID.vi輸入端相連，即可完成LabVIEW環(huán)境下模糊PID控制器的設(shè)計(jì)，其源程序如圖6所示。LabVIEW中的均勻軋車微油壓測(cè)控平臺(tái)如圖7所示。

圖4 脈沖輸出源程序框圖Fig.4 Block diagram of pulse output source

圖5 數(shù)據(jù)采集源程序框圖Fig.5 Block diagram of data acquisition source program

圖6 模糊PID源程序框圖Fig.6 Block diagram of fuzzy PID source program

圖7 均勻軋車微油壓測(cè)控平臺(tái)Fig.7 Micro-hydraulic measurement and control platform for evenness padder

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 油壓穩(wěn)定性測(cè)試

在MH552CF-180型均勻軋車上對(duì)本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行油壓穩(wěn)定性驗(yàn)證。根據(jù)該軋車的工作范圍，設(shè)定氣壓為0.200 MPa、輥腔油壓為0.140 MPa。采集5 min內(nèi)油壓數(shù)據(jù)，均勻軋車改造前油壓控制方案與本文油壓控制方案的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示。當(dāng)預(yù)設(shè)油壓為0.140 MPa時(shí)，改造前與改造后系統(tǒng)的油壓：平均值分別為0.138和0.141 MPa，表明改造后系統(tǒng)油壓更接近預(yù)設(shè)值；極差分別為0.002 3和0.001 2 MPa，表明改造后系統(tǒng)油壓波動(dòng)范圍更小；方差分別為1.13×10-6和3.01×10-7，表明改造后系統(tǒng)油壓整體更穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，改造后系統(tǒng)控制方案的油壓穩(wěn)定性更好。

(a) 改造前

(b) 改造后

4.2 油壓微調(diào)性測(cè)試

在均勻軋車上進(jìn)行油壓微量調(diào)節(jié)試驗(yàn)。在氣壓固定條件下，每隔1 min油壓改變0.010 MPa，記錄油壓數(shù)據(jù)。氣壓為0.200 MPa時(shí)，油壓遞增和遞減時(shí)的時(shí)間響應(yīng)曲線如圖9所示。由圖9可知，在油壓允許的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，超調(diào)量均小于0.002 MPa，且油壓的調(diào)整量達(dá)到均勻軋車壓力指示牌上的最小分辨率，可滿足工藝研究與實(shí)際生產(chǎn)的要求。

(a) 油壓遞增

(b) 油壓遞減

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)均勻軋車輥腔的油壓微量調(diào)整和穩(wěn)定控制的生產(chǎn)需求，結(jié)合高速開(kāi)關(guān)閥和上位機(jī)測(cè)控平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，搭建均勻軋車微油壓控制系統(tǒng)軟、硬件試驗(yàn)平臺(tái)。相比以往的油壓控制方案，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好，且控制精度出現(xiàn)顯著提升，能夠通過(guò)模糊PID控制器實(shí)現(xiàn)最小分辨率為0.010 MPa的微量調(diào)節(jié)。