大型模锻压机多液压缸同步控制系统的研究.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 4 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 4 ． 0 2 8 大型模锻压机多液压缸同步控制系统的研究 杨继东 ，车海伟 ，刘昆 ，乔正明1 ,2 ，何赕 ， 1 ． 重庆大学机械工程学院，重庆 4 0 0 0 4 4 ； 2 ． 重庆江东机械有限责任公司，重庆 4 0 0 0 0 0 摘要大型模锻液压机是生产航空、舰船大型模锻件，发展大型军事装备和其他大型装备必须的基础设备。为了解决 大型模锻压机实验平台的多液压缸同步控制问题 ，研制了一套以 P L C和力士乐 H N C为控制核心的多液压缸同步控制系统。 该同步控制系统是基于电液伺服同步控制原理。通过对液压实验台同步控制实验结果的分析，验证了该系统的性能。 关键词模锻压机；多液压缸；同步控制系统 中图分类号 T P 2 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 4 0 8 5 3 Re s e a r c h o n La r g e Fo r g i n g Pr e s s e s M u l t i - c y l i n de r S y nc h r o no u s Co n t r o l S y s t e m Y A N G J i d o n g ， C H E Ha i w e i ，L I U K u n ，Q I A O Z h e n g m i n g ，HE Y i ’ 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 ，C h i n a ； 2 ． C h o n g q i n g J i a n g d o n g Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t L a r g e d i e f o r g i n g h y d r a u l i c ma c h i n e i s t h e b a s i c e q u i p me n t t o p r o d u c e l a r g e d i e f o r g i n g s f o r a v i a t i o n a n d s h i p，t o d e - v e l o p l a r g e mi l i t a r y e q u i p me n t s a n d o t h e r l arg e e q u i p me n t s ．I n o r d e r t o s o l v e t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r s y n c h r o n i z a t i o n o f t h e l a r g e f o r g i n g p r e s s e x p e r i me n t p l a tf o r m ，a s e t o f mu h i p l e h y d r a u l i c c y l i n d e r s y n c h ron i z a t i o n c o n t r o l s y s t e m w a s d e v e l o p e d i n w h i c h P L C a n d Re x r o t h HNC we r e t a k e n a s c o n t rol c o r e ．T h e s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m w a s b a s e d o n t h e p ri n c i p l e o f e l e c t ri c s e r v o s y n c h r o n o u s c o n t ro1 ．T h e t e s t r e s u l t s o f s y n c h r o n o u s c o n t r o l o f h y d r a u l i c t e s t b e n c h v e ri f y t h e p e r f o rm a n c e o f t h e s y s t e m． Ke y wo r Di e for s i n g p r e s s ；Mu l t i p l e h y d r a u l i c c y l i n d e r ；S y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e m 模锻压机是典型的多缸系统。由于模锻件水平尺 寸较大，而且各部位是同时加压成型，其尺寸公差和 加工裕量较小。活动横梁的倾斜对模锻件尺寸精度的 影响就相当明显，严重时会使金属不能充满模膛而造 成废品。对于要求得到尺寸精确、加工裕量小的精密 模锻件。就更不容许活动横梁倾斜。因此精确的同步 控制系统是模锻液压机不可缺少的组成，也是其区别 于自由锻液压机的重要标志之一。作为大型模锻压机 的技术验证样机，同步控制是其控制的重要部分，所 以该研究具有很强的实用价值。 1 多液压缸同步控制数学模型建立及分析 为了实现对液压缸运动的数字化控制，必须实现 电控和对液压运动位置进行采样和反馈。这样的控制 方式必须引入比例电磁铁和磁置传感器。由于比例电 磁铁和磁置传感器引入，控制模型传递函数也发生了 一 些变化．同时由于液压系统是大惯性系统，电气元 件系统惯性相对很小 ，所 以系统刚性强 ，有必要对系 统的快速响应进行校正。 通过建立机 电液混合控制系统 ，利用该控制系统 模型为主控的虚拟轴模型，对实际运动轴进行随动控 制。通过牛顿定律和流体力学建立控制系统框图，利 用模拟软件对系统仿真．引人 P I D串联校正对刚性 系统进行优化。最后，仿真结果和实际生产加工验证 了控制模 型的正确性 _ 1 ] 。 1 ． 1 控制 系统模型的建立 1 ． 1 ． 1 高频响比例阀控制模型设计 根据经验 。电控比例阀的传递函数一般以三阶或 者二 阶振荡环节表示 。在此系统 中 ，取 比例 阀为二 阶 振荡环节 k G s _ 1 1 ∞ ∞ 式中 为 比例 阀放大 系数，根据计算 ，取值为 9 ． 9 9 3 x 1 0 一；O 9 为比例阀固有频率 ，取值为 1 0 0 H z ； 为比例阀阻尼比，取值为 0 ． 6 ；比例阀由电流信号 控制，电流放大 比例 k ； 为 1 0 0 。 可得 G 2 1 ． 1 ． 2 阀控缸模型设 计 1 比例阀的负载流量方程 结合流体力学和牛顿力学对系统响应进行分析。 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 5 - 2 3 作者简介杨继东 1 9 6 5 一 ，硕士，副教授，研究方 向为机电一体化技术 、智能制造及装备。E ma i l y j d 3 1 1 9 1 0 1 26 ．c o m。 8 6 机床与液压 第 4 3卷 假设 ，阀室为零开 口四边滑 阀，4个 节流 口是 匹配且 对称的 ；由于阀腔容积很小 ，不考虑油液在阀腔 内的 压缩 ；阀的响应速度快 ，即阀芯位移及外 负载变化立 即会引起负载流量的变化 。 零开 口四边滑 阀增量形式 的线性化流量方程为 A Q A x 一 △ p 3 由于 阀在稳态工作点附近进行微量运动 ，为 了书 写简便 ，用变量本身表示从某平衡点初始状态开始 的 变化量 。则上式可简写成 k qx 一 kcP 4 式 中k 为 阀位移 系数 ；k 为 阀压 力 系数 ；P 为 阀 进 出口压力差 ； 为阀芯位 移。 2 液压缸流量连续性方 程 假设所有液压管道短而粗；管道 内的摩擦损失、 流体质量等忽略不计液压缸内油温和体积弹性模量 是常数 液压缸的 内、外泄漏为层流流动 。考虑液体 的可压缩性 ．密闭容腔有流量进 出、容积变化 以及有 压力作用 。得 出四边滑 阀控制双 出杆等面积液压缸 的 流量连续性方程 d d p Q “ t 5 式 中A 为液压 缸受力 面积 ；C 为液压 缸 总泄漏 系 数 ；P 为 阀进 出 口压力差 ； 为液压缸 油腔 总容积 ； 为系统综合 弹性模量 。 3 液压缸负载力平衡方程 忽略库仑摩擦 等非线性 负 载 ，忽略 油液 的质量 ， 根据牛顿第二定律 ，可推导得活塞推力与惯性力、阻 尼力 、弹簧力 以及任意外负载力作用情况下 的力平衡 方程为 d d F s 一 - i,P 一 mt Bp K x 十 F ． 6 式 中 m 为活塞杆 、压 头 、滑块 质量 ；B 为负 载阻 尼系数 ；K为系统弹性系数 ；F ． 为外界 负载 。 式 4 一 6 是 电磁 阀控 液 压缸 的 3个基 本 方程 ，式 中有关物理量都是指从各 自初始条件下 的变 化量 。3 个方程 的拉普拉斯 变换 为 Q s k q 一k P s 7 Q s 一 s s c t 去 P L s 8 1 1 P s m s B sK X s F L s 9 P P 此 阀控缸 系统可视作惯 性系统 ，弹性系数 0 ， 忽略液压缸的泄漏 ，根据以上几个方程可以推导出阀 控缸 的无外界 干扰传递 函数 为 G s 蕊 A A ／l 式 中 A 。 0 ． 0 1 1 3 m ； 6 ． 2 1 2 x 1 0 ～m ； 7 1 0 N／ m ；m 2 8 7 9 k g； 2 ． 5 1 8；k 6． 1 51 0 一 “； B 2 x1 0 。 1 ． 1 ． 3 控制系统的模型设 计 整 个系统 的控制模 型 由比例 阀控 制模 型 和 阀控 缸控制模 型组成 ，其开 环传 递 函数 方框 图如 图 1所 图 1 开环传递 函数方块图 其 中 G S 、 G ， S 为 上 面所推 导 的两个 传递 函 数 ，， 为 比例阀的电流输入 信号 ，k ， 为电流位移 转化 系数 。 系统开环传递函数为 G s G ． S G S 。 1 ． 1 ． 4 结合 H N C内部控制算法的传递函数分析 根 据 H N C的同步控制内部算法描述 ，P D T 1 计算 器是其基本计算环节 。结合积分控制环节达到很高 的 控制精度 ，而 比例 阀的控 制信号 由 H N C发 出 ，也就 是说 。基于 H N C的同步控制传 递 函数 需要在上 节所 得出的传递 函数基础之 上 ，再 前置 一个 P I D控 制器 。 由于在项 目调试 过程 中。要 输入 相关 的 P I D参数 来 实现高精度的调整．故现在使用经典 P I D模型进行 控制模 型传递 函数 的推导 ，以确定 P I D的参数 ，调节 控制器 获得更好 的同步效果 。 考虑到开环传递函数输入为电流、输出为位移 ， 闭环反馈系统需要统一量纲 ，根据所选择的位移传感 器 ，确定转化 系数 k 为 0 ． 0 2 4 6 。 可得结合 H N C的闭环传递函数如图 2 所示 。 厶 - _ ． 压 二 卜 _ 怔匝 卜 ’ t ． J 图 2 闭环传递 函数方块 图 ， ， 1 、 其中 G 。 s k I 1 7 1 d s I ， 是P I D 控制器 ＼、 1 i s ／ 的传递函数。 1 ． 2 稳定性分析与参数确定 根据相关 参数取值 ，得 出仿 真模 型如 图 3所示 ， 单位阶跃 函数 作 为激 励 函数 ，运用 M A T L A B绘 制此 系统闭环传递函数的单位阶跃响应如图 4所示，可以 看出 系统模型能够 获得较好 的跟 随效果 ，同时系统 稳定 但是从响应时间的角度来看 ，响应时间较慢，内 第 1 4期 杨继东 等 大型模锻压机多液压缸同步控制系统的研究 8 7 在的因素是液压系统是大惯性系统，本身的频响很低 。 运用齐格勒一 尼柯 尔斯调节 律对 P I D参数 进行整 定。通 过实验 由经验公式得 到控 制器 的近似最优 整定 参数，用来确定被控对象动态特性的两个参数 临界 增益 k 和I 临界振荡周期 P 。此时的比例增益被称为 临界增益，相邻两个波峰间的时间间隔为临界振荡周 期 P 。当控制对象 的数学模 型未知 时 ，采用齐 格勒 一 尼柯 尔斯整定 法则是很方便 的。采用齐 格勒 一 尼柯尔 斯整定法则只是 给 出 了调整 P I D控 制器 参数 的基本 数据 ，具体还 要根据现场情 况详细 调整 。 按 照 “ 先 P后 I 最后 D ” 的操作程序将控制器整 定参数调到计算值上。若还不够满意，则可再进一步 调整。 选用齐格勒一 尼柯 尔斯整 定法则 整定 的系数求得 k 1 ． 9 3 、P 1 0 ，按 照表 格 则 可推 导 出 k 1 ． 1 5 8 ， T i 5 ，T d 1 ． 2 5 。整定后 ，单位阶跃响应仿真曲线如 图 5所示 图3 仿真模型 图 4 阶跃 响应 1． 4 1 ． 2 l 0． 8 O． 6 0． 4 0 ． 2 0 如响应 曲线 所 示 ，加 入 P I D反 馈 之后 ，响应 时 间显著加快，但超调量有所增加 ，在可接受范围内， 取得 了较为理想 的响应效果 。验证 了系统模型的可行 性 。 2 该控制方式下的实验数据及分析 WI N ． P E D内置示波器 可 以在设 置 界面 上选 择 要 观察 的参 数 ，记 录生 成 曲线 ，曲线 用 Wi n V i e w打 开 查看 ，可 以全程监控压机运行状况。 选取监视压机状 态参数 为 液压 缸位 移实 际值 、 液压缸位移命令值、液压缸实际速度值、高频响比例 阀的输人电压值。记录其 中一次实验曲线如 图 6 7 所示 。 4 O 2O 妻 j03 、． 60 ．80 目 一 1 0 0 一 1 20 ．1 40 ． -1 l8 6 O 0 图6 位移曲线图 1 图 7 速度曲线图 此次实 验 为 多段 速 实 验 ，全程 分 为 3段 第 1 段 ，缸 同时从 6 0 0 m m处上行至 5 1 0 m m，穿越速度设 置 2 0 m m ／ s 第 2 段 ，缸 同时从 5 1 0 m m处上行 至 4 4 0 m m，穿越速度设置 1 0 m m ／ s ；第 3段 ，缸 同时从 4 4 0 m m处上行 至 4 0 0 m m，穿越速度设置 2 m m ／ s 。 根据上节推导得出的 P I D参数，结合实际情况 ， 设置 H N C比例增益为 1 ，积分参数为 8 0 0 0 m s ，微分 参数设置为 2 0 0 0 m s 。缸 同步控制 的增益参数 为 0 ． 5 。 从 图 6来看 ，同步精度很高 ，反映在图上就是相 同类型 曲线 都几 乎 重叠 在一 起 。根 据 曲线 分 析 ，在 1 0 0 0 0 、1 5 0 0 0 、3 0 0 0 0 m s 3个位 置取值 ，速度 分别 图5 P I D整定后阶跃响应 为 2 0 、1 0 、2 m m ／ s 。具体位移参数见表 1 。 表 1 位移一 时间关系 1 根据表 1 分析 同步位移误差为 0 ． 0 1 ～ 0 ． 0 5 m m； 在 2 0 m m ／ s 运行 时 ，位移实际值滞后 命令值 3 m m左 右 与频响有关 ；1 0 m m ／ s 运行时，位移实际值滞 后命令值 1 m m左右；2 m m ／ s 运行时，位移实际值滞 后命令值 0 ． 0 3 m m左右，缸速度变化与电磁阀得电 变化趋势一致 。 综上所述 ．在无滑块无负载 条件下 ，4缸 同步响 应快且 同步性 能 达 到设 计 要求 的 0 ． 0 5 m m，甚 至 更 高 J 。 3结论 作 为大型模 锻压机的技术验证样机 ，同步控制是 其控制的重要部分。多液压缸的同步控制是一项复杂 且有难度的系统 ，研究 了一套以 P L C和 H N C为控制 核 心的同步控制 系统 ，且 在模 锻压机工作 时可以对 液 压 缸的位 置 、位 移 、速度 和压力进行 实时监 控 ，确 保 下转第9 0页