六面顶压机液压系统同步仿真研究.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 l Vo l - 3 9 No ．1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 4 ． 0 2 6 六面顶压机液压系统同步仿真研究 周理 ，杨晓红 ，程利 湖南工业职业技术学院，湖南长沙4 1 0 2 0 8 摘要针对传统六面顶压机液压系统的缺陷，提出新的电液比例控制方案，并采用基于 P I D的位移反馈控制策略以解 决其加压同步问题。应用 A ME S i m与 S i m u l i n k平台进行联合仿真 ，仿真结果表明，应用 P I D反馈控制的新型六面顶液压机 在加载同步方面能取得比较令人满意的效果。 关键词六面顶压机；液压系统；同步；联合仿真 *l t t 类号T P 3 9 1 ． 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 4 0 7 6 4 S i mu l a t i o n Re s e a r c h o n S y nc hr o n i z a t i o n o f Cu bi c Pr e s s Hy d r a ul i c S y s t e m ZHOU Li ． YANG Xi a o h o ng． CHENG Li H u n a n I n d u s t r y P o l y t e c h n i c ，C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 2 0 8 ，C h i n a Ab s t r a c t On d e c t p r o b l e ms o f c u b i c p r e s s h y d r a u l i c s y s t e m． a n o ri g i n a l d e s i g n wi t h e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v 0 c o n t r o l w a s p r o p o s e d ． P o s i t i o n f e e d b a c k c o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n P I D w a s a p p l i e d t o s o l v e a c t u a t o r s ’ s y n c h r o n i z a t i o n wh i l e f o r c i n g ． Co s i mu l a t i o n b e t we e n AME S i m a n d S i mu l i n k p l a t f o r m we r e p r o c e s s e d ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e o u t c o me i s c o r r e s p o n d e d w e l l t o a n t i c i p a t i o n i n r e s p e c t o f a p p l y i n g P I D f e e d b a c k c o n t r o l i n t h e n e w t y p e o f c u b i c p r e s s t o ma k e s y n c h r o n i z a t i o n f o r c i n g ． Ke y wo r d s C u b i c p r e s s ；Hy d r a u l i c s y s t e m ；S y n c h r o n i z a t i o n；C o - s i mu l i a t i o n 六面顶压机是为石墨在触媒作用下合成人造金刚 石提 供高温超高压 的重要生产设 备⋯。我国六 面顶压 机 的发展起 步于 2 0世 纪 6 0 年代 ，1 9 8 4年 以后又得到 了高速的发展 。相比于两面顶压机 ，由于其具有成 本低 、技术成熟和适应压机大型化发展等特点 ，仍 占 据着国内压机行业大部分的市场。六面顶压机的工作 原理高压油从6个方向通人，对主机中心加压，推 动活塞前进 ，使活塞前端面产生超高压力，在主机中 心硬质合金钉锤的作用下使生产原料形成一个密封的 正方体超高压容腔，该腔体提供了人造金刚石合成的 高压条件。此加压过程 中压机的 “ 3个中心” E 3 ] 对生 产性能有决定性的影响，所以液压系统中加压缸应具 备高的同步精度，对提升六面顶压机的整机性能和产 品质量有着重大意义。传统的六面顶压机液压系统 图 1 靠精确调整来达到 6个油缸的速度匹配和对 油缸的同步精度要求 ，其位置由行程开关来检测 限 定 。6个固定 调 速 阀的匹 配完全 是靠 经验 手动 调节 ， 调节 过程 没有统一 的标准 ，固定 调速阀的调节灵敏度 和稳定性对油缸的同步精度有很大的局限；而行程开 关对位置 的调节精度低 ，一旦损坏 ，再次安装时将其 调整到所要求的位置也非常麻烦。因此传统的六面顶 压机 液压 系统 同步精 度 低 ，对 中性 差 ，同步调 整 困 难。作者针对传统的六面顶压机液压系统提出了新的 电液比例控制的设计方案。 1 新型六面顶压机液压 系统简介 图 2为新型六面顶压机 的液压系统 ，整个系统包 括快速顶升 回路 、同步加压回路 、超高压回路、快回 回路。现就同步加压回路进行简要说明。 当电机 M启动，主油泵 1 供油通过单向阀 2进 入 系统。此 时 ，如果 Y V 4 、Y V 6处 于 得 电状 态 ，则 Y V 8处于失 电状态 ；电磁换 向阀 6处 于右位 ，7处 于 左位 ，1 5处 于左位 。这样 ，油液将通 向 6个调 速阀 ， 其流量可以被控制系统调节。在同步加压的过程 中， 电磁铁 Y V 1应失 电、Y V 2得电，这样高压油路即会 顶开液控单向阀 l 7 ，使调速后油流顺利通过；而增 压缸 1 8处 于封 闭状 态 ，不影 响加压 油路 。最 后 ，液 压油进入前后左右上下 6个缸无杆腔 ，有杆腔油流通 过电磁换向阀7左位回到油箱 ，完成整个 回路循环。 对每个加压缸安装位移传感器 ，检测到的传感信号反 馈到控制系统与目标函数 比较 ，进而输出信号调节比 例调速阀的通过流量，构成位移的闭环控制。 收稿 日期 2 0 1 0 0 71 2 基金项目湖南省教育厅基金资助项 目 作者简介周理 1 9 6 5 一，男，副教授 ，主要从事机械设计与制造教学与研究工作。电话 1 3 5 4 8 5 9 5 9 9 2，Ema i l y a n g x i a o h o ng 88 1 26 ．c o n。 第 l 4期 周理 等六面顶压机液压系统同步仿真研究 7 7 图 1 传统的六面顶压机液压系统 1 3 l 主 油泵 2 一单 向阀 3 一 比例 溢流阀 4 二位 电磁换向阀 5 一二位 电磁换向阀 6 一三位 电磁换向阀 7 一三位 电磁换向阀 8 _二位 电磁换向阀 液控 单向阀 l O 一截止 阀 1 1 液控单向阀 1 2 一 比例调速 阀 1 3 一增压油缸 1 4 一单 向阀 1 5 一调速 阀 l 6 二位 电磁换 向阀 1 7 一液控单 向阀 1 8 一二位七通 阀 1 9 一加压油缸 图2 新型六面顶压机液压系统 阀 7 8 机床与液压 第 3 9卷 2 仿真环境介绍 文 中的同步研 究 是 基 于 M A T L A B与 A M E S i m平 台的联合仿真。M A T L A B问世发展到现在 ，依然是国 际控制界公认的标准计算软件。其强大的计算能力 ， 给理工科的研究提供了重要 的工具。S i m u l i n k是一种 图形化的仿真工具包。作为 MA T L A B众多工具包 中 的一员 ，利用其能够进行动态系统建模、仿真和控制 分析 。依托 MA T L A B强 大 功能 ，其 已经成 为仿 真领 域 的主流工具 。 A ME S i m意为系统仿真高级建模环境，是法 国 I MA G I N E开发的基于图形接 口的强大仿真软件 。 它内嵌丰富的模型库，几乎囊括了所有机械、电气、 液压领域的基本元件模型。这把广大的工程研究人员 从繁杂 的数学模型推导工作 中解放 出来 ，将更多精力 投入 到实际物理模 型研究 ，使工程领域 的仿真工作更 加高效、快捷。如果应用A M E S i m与 S i m u l i n k的联合 仿真，借助前者完备的模型库和后者强大的计算处理 能力，这种优势互补的结合必将推动液压系统仿真研 究迈上一个新台阶。 3系统模型 六面顶压机 系统可分为两大部分 ，即液压系统部 分和控制系统部分 。利用 A M E S i m选择合适 的元件模 型搭 建的液压 系统模 型如 图 3所示 。M A T L A B ／ S i m u l i n k中的 S函数 和 A ME S i m 中的 I n t e r f a c e 是联 合仿真 的沟通模块。值得注意的是 ，图 3中 A ME S i m S i m u l i n k 必须与 S i m u l i n k中的 s函数匹配 ，即 S i m u l i n k中 s函数名称为 A M E S i m S i m u l i n k 一 。这是 因为在联合仿 真 时 ，A M E S i m 会 产 生 名 为 A M E S i mS i m u l i n k 一的 C ． ME X 文件 ，s函数 的执行文件就是这个文件 。 图3 系统 A ME S i m模型 控制系统部分可利用 M A T L A B ／ S i m u l i n k构建合 适的控制算法及控制策略，系统模型如图 4所示。 此次仿真研究采用 的 M A T L A B版本是 R 2 0 0 9 b ，相 对之前 的软 件 ，该 版本 在 S i m u l i n k中添 加 了 P I D T u n e r 功能 ，可在仿真试运行后 自动调整 P I D参数 已达到优化效果 ，有效解决了 P I D控制参数难以确 定到最 优 的问题 。 根据要求建立好前述系统模型之后，即可进行仿 真研究。为使研究结果更加清晰明了，表 1 展示了仿 真模型上的标识与实际物理量的对应情况。 图4 系统 S i m u l i n k 模型 第 1 4期 周理 等六面顶压机液压系统同步仿真研究 7 9 表1 标识与实际物理量对应情况 令人满意的效果。 4仿真结果及分析 由于 A ME S i m的图形化环境 ，液压缸 的同步控 制 机制在前文 中已有描 述 。A ME S i m 中很 多元件 有多种 子模型可供选择 ，不同的子模型代表了复杂程度不一 样的数学模型。在选择这些元件的子模型时，既要注 意使关键的特性涵盖在仿真模型中，也要注意保持系 统的简洁性。这样既保证了系统不至于因为太过复杂 而使仿真计算难以进行，又避免了不相关的干扰因素 导致仿真与实际有较大偏差。在此次仿真研究过称 中，没有考虑液压系统热力学相关问题，比例调速阀 以外的元件也大多选用了理想化子模型。 对建立好的系统进行联合仿真，输 出结果如图5 所示。由于液压元件的黏滞性和液压油的可压缩性 ， 会造成液压缸运行时受力条件的差异 ，这也进一步会 影响到其同步性能。从图5可以看出，6个方向的缸 的位移 曲线与 目标 函数差 异较小 ，说 明这种应用 P I D 反馈控制的六面顶液压机在加载同步方面能取得比较 Z 4 O lU 时 间／ s 图5 联合仿真结果 5结束语 在介绍 了新 型六面顶压机液压系统 的同步加压原 理之后 ，提出了基于 P I D算法的位移反馈控制方案。 并据此分别在 A ME S i m以及 S i m u l i n k环境下建立了系 统模型 ，且进行了联合仿真。通过 P I D T u n e r 工具进 行参数优化 ，得到了较理想的仿真结果。整个研究过 程表 明分别利用 A ME S i m和 M A T L A B各 自的优势 进行联合仿真能取得更好的效果 ，联合仿真很有可能 将仿真研究推上一个更高台阶。同样，这种新型的六 面顶压机的同步加压方案也被验证是可行且有效的。 参考文献 【 1 】 孙世荣， 袁启昌， 薄翠梅． 六面顶金刚石压机液压系统压 力及超高压优化控制[ J ] ． 南京工业大学学报， 2 0 0 9 ， 2 9 6 6 8 7 1 ． 【 2 】 李志宏， 赵清国， 赵博 ， 等． 发展中的中国六面顶压机和 人造金刚石[ C] ／ ／ 中国超硬材料行业技术发展论坛， 20 0 6 16． 【 3 】郑日 升 ， 王大伟， 余佐军， 等． 六面顶压机的对中性能对超 高压系统的影响[ J ] ． 矿冶工程， 2 0 0 4 ， 2 4 5 6 7 6 9 ． 【 4 】付永领． A M E S i m系统建模和仿真 从入门到精通 [ M] ． 北京 北京航空航天出版社大学， 2 0 0 6 9 1 5 ． ∞ 如 。 目 Ⅲ ／