基于速度預測的鍛造操作機大車定位控制研究

劉晨榮， 魏海濤， 張曉麗， 王宏亮

(蘭州蘭石集團有限公司 能源裝備研究院， 甘肅 蘭州 730314)

引言

鍛造操作機作為快鍛液壓機組的關鍵組成之一，其性能指標直接影響液壓機組的生產效率及產品品質。鍛造操作機行走性能是衡量其性能的關鍵指標之一，行走液壓系統作為典型的閥控馬達系統，其負載慣量大，響應速度慢，平穩精準控制較為困難[1-5]。同時在其停車階段存在較大液壓沖擊[6-8]、停車振蕩等問題，降低了定位精度及停車速度，加速液壓、機械元件損壞。為了改善操作機行走性能，國內外學者針對其液壓系統設計及控制方法策略進行了廣泛研究[9-13]。

本研究針對鍛造操作機停車控制精度及振蕩優化，結合喬志剛等[14]提出的快鍛壓機速度-位置復合控制思想及顧臨怡等[4]研究成果，提出了基于速度預測的鍛造操作機定位控制方法，本研究以某5 t鍛造操作機為例，搭建其機械系統ADAMS模型、液壓系統AMESim模型，基于聯合仿真驗證了基于速度預測的定位控制方法的有效性。

1 虛擬仿真模型搭建及參數校準

鍛造操作機行走機械系統ADAMS仿真模型如圖1，行走液壓系統AMESim仿真模型如圖2所示，表1中列出了液壓系統關鍵元件參數。本研究中，AMESim模型中輸出量為減速機輸出扭矩T， 輸入量為馬達角速度ω、操作機速度v、位移s； 在ADAMS中選擇驅動齒輪的角速度ω、位移s和速度v作為輸出，輸入驅動齒輪的扭矩T。

圖1 行走機械系統ADAMS仿真模型

1.液壓泵 2.電機 3.溢流閥 4.先導換向閥 5.單向閥 6.比例換向閥 7-10.單向閥 11.溢流閥 12、13.馬達 14.減速機 15.轉換接口 16.ADAMS接口 17-20.軟管

表1 行走液壓系統關鍵參數設置

為了仿真模型準確可行，以實測液壓閥控制信號為輸入，對比仿真輸出與實測的馬達進、出油口壓力曲線、鍛造操作機位移曲線，調節機械系統、液壓系統參數設置，最終結果如圖3所示，仿真精度較高，聯合仿真模型能夠較好的反映實際系統。

如圖3所示，在t=4.98 s時，比例閥全開，馬達進油口壓力瞬時升高至10 MPa；t=14 s時，比例閥開始關閉，由于大車慣性，馬達出油口壓力上升，進油口壓力下降，馬達開始反向制動；當出油口壓力達到最大，大車速度降為0 m/s，但此時，由于馬達出油口壓力大于進油口壓力，反向扭矩達到最大且大于操作機機械系統摩擦力，操作機在馬達反向扭矩作用下開始反向加速，馬達進油口壓力上升，出油口壓力下降；當馬達進油口與出油口壓力差達到最大時，大車開始正向加速，如此反復振蕩運行，直至馬達扭矩不足以克服系統摩擦時大車才穩定停車。

圖3 仿真與測試對比曲線

綜上，大車停車振蕩問題主要由于馬達反向驅動扭矩引起，具體表現為大車停車速度為0時，液壓系統沒有及時卸壓。

2 停車振蕩優化

操作機液壓行走系統為典型的閥控馬達系統，在實際控制中，依據經驗提前分段減小比例閥開度，達到停車控制目的；但其停車距離長，停車精度低通常為±(5～10) mm，且容易造成停車振蕩問題。典型的比例換向閥控制操作機停車過程，如圖4所示。停車過程存在明顯的振蕩，約在15.1 s時，大車速度降為0 m/s，而此時馬達出油口壓力達到最大，進油口壓力最低，馬達反向驅動扭矩達到了最大。

圖4 比例換向閥控制制動過程

操作機停車控制核心問題為馬達出口壓力控制，文獻[4]中提出基于可控節流閥來控制馬達出口壓力，大慣量負載可平穩停車，在此不再贅述。

2.1 比例溢流閥制動控制

為了消除或減小停車振蕩，在制動過程中大車速度降為0時，馬達進、出油口壓力差要盡可能的小，從而使馬達驅動力遠小于機械系統阻力，進而實現穩定快速停車。為達到這一目的，需要在速度低于某個速度時，控制馬達出油口壓力隨著操作機速度的下降，讓其接近于馬達進油口壓力。因此，可采用速度反饋比例控制電磁溢流閥，來達到平穩無振蕩停車。

采用速度反饋比例控制溢流閥控制停車制動過程，如圖5所示。為了分析比例溢流閥控制效果，仿真中比例換向閥在第4秒瞬時關閉，馬達出油口壓力達到上升至最大，進油口壓力降低，馬達開始反向制動，經0.5 s操作機速度降為0.092 m/s，開始主動控制馬達出油口壓力，經0.1 s后馬達進、出油口壓力分別為1 MPa，1.09 MPa(系統初始壓力1 MPa)，速度平穩降為0，由此可見，采用速度反比例控制可以實現快速平穩無振蕩停車。

圖5 比例溢流閥制動過程

2.2 速度反饋比例增益確定

綜上論述，在制動階段比例溢流閥控制信號可表示為：

Sf=|v|×g

(1)

式中，v—— 操作機行走速度

g—— 反饋控制比例增益

Sf—— 比例溢流閥控制信號

為了避免輸入信號過大而損壞比例溢流閥電器元件，需要對Sf幅值進行限制：當Sf>Smax時，Sf=Smax，Smax為比例溢流閥電器元件允許最大值輸入。

增益g越小，制動距離越大，隨著g值增大，制動距離減小，當g值大于臨界值glim時系統開始出現停車振蕩。臨界值glim可以通過試驗測試或仿真等得到估計值。

圖6為不同g值時停車點附近局部曲線。當g>0.6時，出現停車振蕩；當0.4

圖6 不同增益g值停車位移局部曲線

經仿真分析，當g大于Smax/(vmax/10)時， 停車距離隨g值的變化較小，本研究中g的最大值?。?/p>

gmax=Smax/(vmax/10)

(2)

為了避免停車距離過長，反饋控制比例系數g不易過小，本研究中g的最小值?。?/p>

gmin=Smax/(3×vmax/10)

(3)

3 速度預測+補償定位控制

鍛造操作機行走速度越大，其系統動能越大，制動距離越長。系統制動過程中動能主要由液壓馬達反向制動消耗。不考慮油液溫度和系統泄漏影響，根據鍛造操作機液壓系統設計，制動過程中主要由溢流閥控制馬達制動壓力，當溢流閥溢流壓力不變時，操作機制動距離僅與開始制動瞬時速度有關。

3.1 制動距離預測

為了避免停車振蕩，本研究在引入停車振蕩優化基礎上(g≈(gmax+gmin)/3)，根據速度預測制動距離。由于操作機制動過程涉及機械系統、液壓系統，直接采用數學描述較為困難，利用聯合仿真手段可以有效簡化分析過程。利用建立的仿真模型，得到不同制動瞬時速度下制動距離。經大量仿真分析驗證，制動瞬時速度與制動距離滿足二次函數關系，如式(4)所示。

(4)

式中，ss—— 制動距離

vc—— 開始制動瞬時(比例閥完全關閉瞬時)操作機行走速度

a，b，c—— 由系統特性確定的常數

3.2 速度預測+比例系數補償定位控制

由于控制周期不可能無限小，開始制動瞬時，操作機當前位移距離目標位移值與預測制動距離值存在差值，差值在[-vmaxT，vmaxT]范圍內波動，此差值最終表現為系統定位誤差。

在制動距離預測分析中，引入停車振蕩優化，比例控制系數g為定值，難以消除或減小定位誤差。由于制動瞬時目標距離差無法改變，只能通過調整比例控制系數g在制動距離ss補償一個變化量Δs，以減小制動瞬時目標距離差與預測制動距離差值，減小定位誤差。在此引入比例控制系數g修正系數λ來調整制動距離變化量Δs。

經大量仿真測試分析，比例控制增益g一定時，修正系數λ與Δs的滿足：

(5)

經修正，反饋控制增益G為：

G=g*λ

(6)

3.3 控制流程

速度預測+補償定位控制流程如下：

(1) 給定位移值s；

(2) 根據位移反饋sb，計算距離差sd=s-sb；

(3) 根據速度反饋vb，由式(4)，計算預測制動距離sp；

(4) 判斷|sd-sp|是否小于vb×T，若|sd-sp|大于vb×T，則返回步驟(2)，若|sd-sp|小于vb×T，跳轉至步驟(5)；

(5) 計算比例增益修正系數λ，由式(5)給出；

(6) 制動狀態完全關閉比例換向閥，并主動控制比例溢流閥，比例閥控制信號由式(6)計算；

(7) 檢測速度反饋vb是否為0，若vb=0，則本次定位控制過程結束，若vb≠0，則返回步驟(5)。

4 仿真驗證

以經校準的機械ADAMS模型、AMESim模型為控制對象，編寫控制程序，進行仿真驗證。

反饋控制比例增益g=0.2，根據測試，停車距離速度預測函數為：

ss=0.000496v2+0.05787v+14.05

(7)

修正系數λ計算公式為：

(8)

目標位移為0.1 m時，操作機速度與馬達進、出油口壓力對比曲線，如圖7所示。

從圖7a中可以看出，當行程為0.1 m小行程時，在速度為0.2 m/s時(未達到最大速度)，操作機開始制動。從圖7b中可以看出，最終停車位移為0.09983 m，停車定位誤差為0.17×10-3m，制動過程無振蕩。

圖7 行程1 m的制動過程

目標位移為1.497 m時，操作機速度與馬達進、出油口壓力對比曲線，如圖8所示。

從圖8a中可以看出，當行程為1.497 m大行程時，經過1.9 s，操作機速度達到最大，此時操作機位移(sb=0.6 m)距離目標位移(s=1.479 m)為sd=0.69884 m， 預測制動距離sp=0.19589 m， Δs=|Ds-ps|= 0.6831 m，大于0.55 m/s×0.01 s= 5.5×10-3m，操作機以最大速度繼續前行。在3.18 s時， 操作機位移(sb=1.30535 m)距離目標位移(s=1.497 m)為sd=0.1917 m。Δs=4.2×10-3m小于5.5×10-3m，操作機開始制動。若比例控制增益修正系數λ=1即未修正，則最終定位誤差為4.2 mm。如圖8b，根據式(8)增益修正系數λ=0.1511，最終停車位移為1.49724 m，停車定位誤差為0.24×10-3m，表明比例增益修正系統對于減速系統定位誤差是有效的。

圖8 行程1.497 m的制動過程

5 結論

本研究以校準后的虛擬模型為基礎，對鍛造操作機行走制動過程和定位控制進行仿真分析研究，提出了基于速度預測的鍛造操作機行走定位控制方法，并得到如下結論：

(1) 操作機停車制動振蕩，可通過控制馬達出油口壓力有效解決，具體可通過速度反饋比例控制電比例溢流閥，達到操作機平穩停車，速度反饋比例控制系數，可根據操作機最大運行速度及比例溢流閥電氣特性確定；

(2) 當速度反饋比例控制系數一定時，操作機制動距離與開始制動瞬時操作機速度滿足二次函數關系；

(3) 引入速度反饋比例控制修正系數，在充分發揮系統性能的同時，進一步提高了操作機定位精度，仿真中定位精度達到±0.5 mm。