電液比例技術(shù)在快速鍛造液壓機(jī)中的應(yīng)用

郭志偉

太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西太原 030024

1 比例技術(shù)概述

隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)對(duì)各個(gè)行業(yè)不同的生產(chǎn)工藝過程有了較為深入的研究，并且能夠建立出這些工藝過程的數(shù)學(xué)模型，因而對(duì)其工藝過程的控制提出了比較高的要求。現(xiàn)代微電子技術(shù)在20 世紀(jì)末得到了非常迅猛地發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜工藝過程的最佳控制提供了非常強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)。因而，工程控制理論已經(jīng)逐步從軍事和航空領(lǐng)域，大量地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。電液比例技術(shù)作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和工程控制設(shè)備之間的橋梁和紐帶，已經(jīng)成為現(xiàn)代工程控制技術(shù)的基本構(gòu)成之一[1]。

從廣義上來(lái)說(shuō)，在應(yīng)用液壓和氣壓的傳動(dòng)與控制的工程系統(tǒng)中，凡是系統(tǒng)的輸出物理量，如壓力、流量、位移、速度等，都能隨輸入?yún)?shù)的變化連續(xù)成比例地進(jìn)行控制，因此，這種控制方式稱之為比例控制系統(tǒng)[1]。在工程實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)輸入信號(hào)類型的不同，將控制對(duì)象分為模擬式電液比例元件和數(shù)字式電液比例元件；而根據(jù)控制系統(tǒng)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)區(qū)分，又可分為電液伺服控制系統(tǒng)和電液比例控制系統(tǒng)；而類似于傳統(tǒng)的液壓控制系統(tǒng)，按功率單元的不同，又可將比例控制系統(tǒng)分為節(jié)流控制系統(tǒng)和容積控制系統(tǒng)，后者又可分為液壓泵調(diào)節(jié)和液壓馬達(dá)調(diào)節(jié)。

2 電液比例控制的技術(shù)特征

在快速鍛造液壓機(jī)中，電液伺服控制系統(tǒng)和電液比例控制系統(tǒng)都有應(yīng)用，這兩種系統(tǒng)配置是根據(jù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所執(zhí)行不同的工藝過程而制定的，其控制元件的性能特點(diǎn)在很多方面有較大區(qū)別。在表1 中列出了兩種控制元件主要性能參數(shù)的對(duì)比。

表1 電液伺服閥與電液比例閥參數(shù)對(duì)比

在表1 中可以看出，電液伺服閥和電液比例閥除了中位死區(qū)這一參數(shù)相差較大外，在滯環(huán)、響應(yīng)靈敏度等主要穩(wěn)態(tài)特性上基本相當(dāng)，而工作頻率范圍則需要根據(jù)其性能特點(diǎn)滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖 1 電液比例控制系統(tǒng)原理

在快速鍛造液壓機(jī)中，負(fù)責(zé)換砧和承載的工作臺(tái)和砧子橫移裝置都是水平運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，其負(fù)載在運(yùn)行過程中基本保持不變，具有動(dòng)作頻率低、響應(yīng)速度快、定位精確等特點(diǎn)，因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用的是節(jié)流調(diào)速的電液比例控制系統(tǒng)，其原理見圖1。

如圖1 所示，電液比例使能閥（普通邏輯閥）接通后，控制油就從比例先導(dǎo)閥流入主閥，激活了主閥芯方向與開口度的控制，從P 口來(lái)的公共油源保持流量不變，通過給定電壓信號(hào)的正負(fù)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)和砧子橫移裝置的移動(dòng)方向，通過調(diào)節(jié)電壓信號(hào)的大小實(shí)現(xiàn)兩套執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)速度。因?yàn)樵谡ｅ懺爝^程中工作臺(tái)與砧子橫移裝置要盡量保持在靜止?fàn)顟B(tài)，保證活動(dòng)橫梁在加載過程中不出現(xiàn)突然釋載或偏載的情況，因此在這種場(chǎng)合應(yīng)用中位死區(qū)較大的電液比例閥是非常合適的，其有效的避免了由于系統(tǒng)內(nèi)部泄露所導(dǎo)致的執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)命令偏置的情況，減少了故障發(fā)生的次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。

快鍛壓機(jī)中的核心機(jī)構(gòu)是活動(dòng)橫梁，其較之工作臺(tái)和砧子橫移裝置有運(yùn)動(dòng)慣量大，負(fù)載變化范圍寬，動(dòng)作頻率高等特點(diǎn)，且因?yàn)樗窃诖怪狈较蜃鐾鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，因此控制難度較大。在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)特性采用的是節(jié)流調(diào)速的電液伺服控制系統(tǒng)，其原理見圖2。

圖 2 電液伺服控制系統(tǒng)原理

電液伺服使能閥的功能和電液比例使能閥是相同的，都是起到激活主閥芯控制的作用。從圖2 中可以看出，活動(dòng)橫梁的控制其實(shí)是旁路節(jié)流調(diào)速的控制系統(tǒng)，其在快速鍛造中的運(yùn)動(dòng)過程是：加載→卸壓→大量排油→回程→加載，這樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻次對(duì)于一臺(tái)中等噸位的壓機(jī)來(lái)說(shuō)要求達(dá)到每分鐘60～70次，因此電液伺服閥的開關(guān)頻率要求小于1Hz；而且如果要在活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)過程中找出其快速性與穩(wěn)定性的最佳平衡點(diǎn)的話，則卸壓→大量排油這一過程的時(shí)間通常要在500ms 左右，這是經(jīng)過大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作得出的經(jīng)驗(yàn)值。所以綜合考慮活動(dòng)橫梁的工藝過程，選用中位死區(qū)較小的電液伺服閥是比較合適的，在提高了伺服閥開口度分辨率的同時(shí)，增強(qiáng)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可調(diào)節(jié)性。

3 控制軟件的設(shè)計(jì)

與模擬控制系統(tǒng)不同，數(shù)字控制系統(tǒng)的基本控制方法是依靠專業(yè)軟件作為平臺(tái)，通過編程實(shí)現(xiàn)的，這種方式使得控制方法的改變與相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的修正變得十分快捷；而隨著計(jì)算機(jī)硬件配置的不斷提升，其運(yùn)行速度有了較大幅度的提高，所以能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)用復(fù)雜及運(yùn)算量較大的數(shù)學(xué)算法對(duì)各種不同地工藝過程進(jìn)行控制[2]。

目前，快速鍛造液壓機(jī)中應(yīng)用最多的控制器是PLC（可編程控制器），其具有可靠性高、編程語(yǔ)言類型豐富、與外設(shè)接口簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。PLC 經(jīng)過幾十年的發(fā)展，由最初只能進(jìn)行邏輯運(yùn)算到現(xiàn)在可進(jìn)行各種復(fù)雜的控制算法，其運(yùn)算速度有了大幅提升，循環(huán)掃描時(shí)間極短，能夠充分適應(yīng)電液比例控制系統(tǒng)和電液伺服控制系統(tǒng)的高頻響應(yīng)、計(jì)算精確的要求。PID 控制算法是在工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的，該算法不僅快速有效，而且控制程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)間短，通常能夠滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

PID 控制算法的基本思路就是將輸出量與輸入量的偏差信號(hào)經(jīng)過比例（P）、積分（I）、微分（D）運(yùn)算后作為新的輸出量（在電液控制系統(tǒng)中是對(duì)比例閥或伺服閥的輸出量），即

式中：E(t) — PID 算法的輸出量；

e(t) — PID 算法的輸入量；

Kp — 比例系數(shù)；

TI — 積分時(shí)間常數(shù)；

TD — 微分時(shí)間常數(shù)；

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，可采用離散的數(shù)值差分方程代替連續(xù)的微分方程，用求和的方法代替積分，則方程式表示為：

在PID 控制算法的編程中要注意以下幾個(gè)問題：

1）在系統(tǒng)控制的起步階段，由于輸出量與輸入量的偏差信號(hào)較大，因此系統(tǒng)的超調(diào)量就會(huì)比較大，所以如果積分運(yùn)算在控制系統(tǒng)中的作用很明顯的話，其超調(diào)和振蕩過程就會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，這時(shí)就應(yīng)該將積分運(yùn)算的作用減小到最弱的程度或暫停其控制功能，在控制系統(tǒng)穩(wěn)定后再啟動(dòng)其控制功能，并且根據(jù)系統(tǒng)控制過程的要求實(shí)時(shí)地增強(qiáng)或減弱積分運(yùn)算的作用[2]；

2）液壓控制系統(tǒng)雖然固有頻率比較高，但其阻尼比較小，在PID 算法的參數(shù)整定過程中，通常要選較小的KI 值和較大的KD 值，以此來(lái)避免控制系統(tǒng)不穩(wěn)定所造成的不良后果[2]。在快速鍛造液壓機(jī)中，主機(jī)構(gòu)和其余的輔助機(jī)構(gòu)都屬于液壓定位控制系統(tǒng)，由于油缸位置對(duì)輸入的控制流量本身具有積分作用，因而KI 對(duì)改善系統(tǒng)的精度效果并不明顯，所以在實(shí)際應(yīng)用中，只對(duì)比例環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不引用積分和微分環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

電液比例控制技術(shù)的發(fā)展，使工業(yè)領(lǐng)域的控制技術(shù)進(jìn)入了現(xiàn)代工程控制的新行列，在各個(gè)行業(yè)不同程度地確立了電液一體化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而構(gòu)成電液比例系統(tǒng)的液壓元件，卻是將新的加工與制造技術(shù)融入到傳統(tǒng)的邏輯型和伺服型元件中發(fā)展起來(lái)的。它們所依據(jù)的基礎(chǔ)理論和基本結(jié)構(gòu)形式是完全相同的，基本控制物理量通常就是流量和壓力。電液比例技術(shù)具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，它的應(yīng)用能夠?qū)⒁簤杭夹g(shù)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)融為一體，其發(fā)展前景無(wú)限廣闊。從液壓元件的控制輸入信號(hào)角度來(lái)看，電液比例控制是多種控制信號(hào)中的一種，除了電液控制以外，還包括電動(dòng)控制、機(jī)動(dòng)控制、手動(dòng)控制等。因此，控制元件發(fā)展至今的顯著特征，就是適用于多種控制輸入方式，使元件能夠滿足不同生產(chǎn)工藝過程、不同技術(shù)層次的需求[1]。

[1]吳根茂，等.新編實(shí)用電液比例技術(shù).杭州：浙江大學(xué)出版社，2006，9：1-2，5.

[2]阮健.電液(氣)直接數(shù)字控制技術(shù).杭州：浙江大學(xué)出版社，1999，6：269-270.