薄板成形液壓機電液伺服控制系統的研究及應用

李 琦，劉 宇

（甘肅酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關 735100）

0 引言

薄板成形液壓機是裝備制造業尤其是金屬薄板成形制造企業的必備裝備，可在一次沖壓成形制成不同截面形狀和幾何造型的零部件。隨著液壓技術、計算機技術和控制技術的不斷發展，對于薄板成形液壓機的尺寸精度及生產效率的要求也隨之提高，要求薄板成形液壓機控制系統具有控制精度高、智能化水平高、集成化程度高、節能效果好等技術特點。

本文介紹一種薄板成形液壓機電液伺服控制系統技術方案，利用伺服控制器、驅動系統及軟件平臺，以低速精細流量電液伺服控制系統為研究對象，進行軟硬件體系架構研究與規劃，確定滿足功能要求的液壓系統、驅動單元、檢測裝置等系統部件。

1 主要技術參數

液壓機主要技術參數如表1 所示。

表1 主要技術參數

2 技術方案

電液伺服系統是一種由液壓動力機構和電信號處理裝置組成的反饋控制系統。為改善系統性能，電液伺服系統綜合了液壓和電氣兩方面的優點，具有控制精度高、響應速度快、輸出功率大、信號處理靈活、易于實現各種參量的反饋等優點。因此，多應用于負載質量大、響應速度快的場合。

2.1 液壓控制系統

低速精細流量液壓伺服系統采用油泵直接傳動，由主泵系統、主控制系統、循環冷卻系統、供液系統、充液卸載系統、控制系統等組成。

（1）主泵系統：選用兩個泵組：泵組Ⅰ和泵組Ⅱ均選用A4VSO 軸向變量柱塞泵，系統工作壓力31.5MPa，傳動介質為ISO VG68 抗磨液壓油。通過控制泵頭閥組實現泵組加載和卸載，為系統提供穩定、可靠的動力源。

（2）主控制系統：慢速加壓分配器（圖1）主要由主缸進液閥、主缸卸壓閥、回程缸進液閥、回程缸排液閥、回程缸支撐安全閥等組成，且均選用插裝閥組控制。微速加壓分配器（圖2）選用數字型比例伺服閥，比例溢流閥和壓力補償器實現低速精細控制。主缸選用CF 型充液閥，具有開啟壓力低，自吸性能好，流道設計通暢，流阻小，控制壓力低，復位可靠等特點。主缸卸壓和系統卸壓均采用比例插裝閥控制，確保卸壓過程平穩，減少液壓沖擊的發生。

圖1 慢速加壓分配器

圖2 微速加壓分配器

慢速加壓主要由泵組Ⅰ、慢速加壓分配器、先導控制系統控制。加壓速度調節范圍為1～20mm/s，通過泵組Ⅰ中EO2 型軸向變量柱塞泵帶有斜盤角度電氣反饋的比例閥實現無級排量調整。EO2-帶比例閥的控制系統線性度偏差≤±2.5%Vgmax。

微速加壓主要由泵組Ⅱ、微速加壓分配器、先導控制系統等控制。加壓速度調節范圍為0.02-1mm/s，為保證實際速度同目標速度相吻合，選用DLKZOR數字型比例伺服閥進行閉環控制，該閥響應時間≤15ms，控制精度≤±0.1%。通過壓力補償器保證DLKZOR 數字型比例伺服閥油口P 和A 或P 和B之間的恒定壓差，當方向閥的開口保持穩定時，在負載波動情況下能夠提供恒定的工作流量，一定壓差范圍內避免了負載效應，通過與比例換向閥組合可以提高液壓系統控制精度。

（3）循環冷卻系統：由螺桿泵、板式換熱器和過濾器等組成，對主油箱中的油液進行循環冷卻與過濾，盡可能減小高溫對油液的損壞，避免油液溫度過高對系統和液壓元件帶來的危害。

（4）供液系統：液壓泵采用自吸方式供液，設備所使用閘閥均設有接近開關，可實現自動連鎖控制，保證主泵供液的安全性與可靠性。

（5）先導控制系統：如圖3 所示，先導控制系統由控制泵、過濾器、閥組、蓄能器、管路等組成；為系統中充液閥和EO2 型軸向變量柱塞泵提供潔凈的壓力控制油液，保證啟閉快速性和可靠性。

圖3 先導控制系統

液壓系統關鍵元件選型表如表2 所示。

表2 液壓系統關鍵元件選型表

2.2 電氣控制系統

目前，工業上通常采用傳統PID 控制實現閉環控制，然而電液伺服系統在實際工作環境中往往會受到如油液溫度、粘度、工況變化等多種參量影響，導致其控制過程表現出高階、時變、非線性等特點，這就使得傳統PID 控制難以達到理想的控制效果。對于具有時變、強干擾、不確定特點的系統，模糊PID 控制可以很好地滿足控制要求。

電液伺服控制系統硬件主要由控制器，位置信息采集元件、輸出元件和工控機組成。由低速精細控制液壓伺服系統控制要求可知，所選擇主控制器需要滿足能夠快速采集滑塊的位置信息并計算出實時速度，并且對模糊PID 的計算輸出及時的特點。針對以上特點，在設計上使用 RMC150 控制器和CPU1515-2 PN PLC 協同工作方案，兩控制器通過PROFINET 交換信息。RMC150 控制器作為核心控制元件，在此系統中主要用于采集位移傳感器的位置信息。如圖4 所示。

圖4 電氣控制系統結構圖

3 控制策略研究

3.1 模糊PID控制系統構成

傳統伺服控制的主要特征是基于模型的控制，但是隨著社會的發展和科技的進步，被控對象變的越來越復雜，設計的因素越來越多，這些復雜性都難以用精確的數學模型來描述。除了復雜性之外，往往還存在著某些不確定性，不確定性也難以用精確的數學方法加以描述。而模糊控制則能很好地處理這方面的問題。

模糊控制是以模糊數學為基礎，由模糊集合論、模糊語言以及模糊邏輯組成的控制技術。它屬于一種非線性的智能控制，能夠轉化人的思維和模糊化控制語言，實現對無法建立精確模型的被控對象的有效控制。

研究低速精細流量液壓伺服控制核心就是控制器對滑塊的實時精細控制，通過控制器輸出信號對比例閥開口大小進行改變從而得到期望速度。在控制過程中，這個期望速度可以為恒定值、階躍變化值或連續變化值。精細控制時，控制器全程追蹤工藝要求的速度參數，薄板成形液壓機的油液系統不斷運動，壓力和流量信息相互耦合，由比例泵和比例閥兩種元件輸出，難以對其PID 參數進行整定實現自動控制，因此需要用模糊控制模擬決策，自動實施整定PID 參數控制系統。如圖5 所示。

圖5 模糊PID 控制閉環系統

3.2 伺服系統建模

獲得電液伺服系統的精確數學模型是進行系統分析與控制設計的基礎，其建模方法主要有機理建模、實驗建模以及兩者的結合。機理建模是根據人們在生產實踐中總結出來的科學原理，如質量守恒、能量守恒、運動學定理、熱力學定理、化學反應方程式等基本規律，通過嚴格的數學推導得出的模型,這需要對系統有一個充分的認識；實驗建模即系統辨識，是通過觀測系統輸入、輸出以及過程狀態，運用某種數學歸納或統計方法，抽象出系統的模型，這些模型又包括參數化模型和非參數化模型。通過機理建模得到含未知參數的系統模型，再通過辨識實驗估計模型參數是前兩種方法的有機結合。

通過合理假設，設計時一般利用局部線性化方法建立電液伺服系統的線性傳遞函數或線性狀態子空間模型，線性模型有利于應用經典控制理論進行系統分析與控制設計。但是，電液伺服系統是本質非線性系統，存在死區、飽和、間隙、壓力-流量增益等非線性特征，針對液壓缸非線性動態特征復雜多變的特性，非線性因素對電液伺服系統動態特性的影響不容忽視，因此應引入非線性動力學理論和方法分析電液伺服系統的特性。

3.3 模糊PID 控制器設計

伺服系統建模完成后進行模糊控制器的設計、修改和仿真分析。首先，用模糊推理系統編輯器設定輸入（出）的變量個數及名稱，并確定各種邏輯關系的計算方法。變量通常從誤差、誤差的變化以及誤差變化的速率中選擇兩個，本系統的輸入變量分別為速度偏差E 和偏差變化率EC，輸出變量為模糊PID控制器的三個整定變量KP、KI、KD，最后可確定各種邏輯關系的計算方法。之后，使用隸屬度函數編輯器確定輸入（出）的隸屬度函數自己集合、論域。然后編寫模糊控制規則，選擇不同變量件的連接關系以及輸入權重后添加輸入變量。最后，使用模糊控制規則觀察器和曲面觀察器觀察模糊推理器的輸入相應的變量參數和每個輸出變量與輸入變量之間的推理關系，生成曲面圖觀察變化趨勢和連續程度。完成模糊控制推理系統編輯后，可以開始搭建PID 控制模塊，并加入輸出限幅環節。

3.4 系統控制流程

低速精細流量電液伺服系統的控制程序需要實現三部分功能，一是采集滑塊的位置和壓力信息，根據計算速度給出計算偏差E 和計算偏差率Ec 兩個變量；二是根據控制系統模型給出的模糊PID 控制器規則建立模糊PID 控制器；三是控制比例伺服泵閥輸出流量驅動滑塊運動。

4 技術特點

（1）液壓控制系統采用數字比例伺服技術，具有閥集成閉環軸控制功能，與數字式軸控制器配合使用實現閉環軸控制功能。

（2）液壓控制系統采用壓差補償技術，通過壓力補償器保證數字型液壓伺服閥油口P 和A 或P 和B之間的恒定壓差，當液壓伺服閥的開口保持穩定時，在負載波動情況下能夠提供恒定的工作流量，一定壓差范圍內避免了負載效應。

（3）電氣控制系統采用伺服高精度技術，通過DELTA 運動控制器采集到的磁致伸縮位移傳感器位置反饋數據，實時調整比例閥開度，從而達到實時控制沖壓成形速度的目的；通過速度、位置、壓力調整，實現液壓缸柔性控制，能更好的控制設備的成形效果，提高產品品質。

（4）電氣控制系統采用冗余和可擴展設計，控制器預留富余的通信接口及I/O 點數，可滿足后期設備各項系統功能擴展的需求；數據傳輸方式采用PROFINET 環形冗余工業以太網結構，傳輸速率高且故障率低、維護簡單，可充分保障各項功能的實現。

（5）電氣控制系統采用智能故障診斷技術，系統采用的故障診斷法基于故障樹分析法，從一個可能的故障開始，自上而下、層層尋找頂層故障的直接原因和間接原因，直至最基本原因。并將各狀態節點故障條件轉化為對應程序流程，來實時判斷現場設備故障。結合設備報警功能，故障發生后及時觸發診斷流程程序，進行故障定位，通過故障編號進行故障庫檢索，實現設備維護及現場故障處理。

5 結語

本文介紹了一種薄板成形壓機低速精細流量電液伺服控制系統技術方案，包括液壓伺服系統、電氣控制系統及模糊PID 控制系統構成、伺服系統建模、模糊PID 控制器設計及統控制流程等。通過技術路徑選擇、控制策略及控制算法研究、伺服系統軟硬件體系架構規劃、系統軟件功能實現等方面的研究，開發的低速精細流量電液伺服系統具有動態響應快、精度高、抗過載能力強，且平穩可靠等技術優點，適應薄板成形壓機板片壓制成形工藝要求，其相關技術亦可推廣應用于其他智能產線及裝備控制。