基于仿真分析的貝加萊液壓同步控制系統(tǒng)

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化國際貿(mào)易（上海）有限公司西安分公司 趙元，薛紅衛(wèi)，樊萍

基于仿真分析的貝加萊液壓同步控制系統(tǒng)

貝加萊工業(yè)自動(dòng)化國際貿(mào)易（上海）有限公司西安分公司 趙元，薛紅衛(wèi)，樊萍

借助Matlab和B&R Automation Studio Target for Simulink軟件建模，在對液壓伺服同步系統(tǒng)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用貝加萊專業(yè)液壓庫實(shí)現(xiàn)了拉伸矯直機(jī)液壓同步控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果和實(shí)際運(yùn)行效果表明，仿真軟件和專業(yè)控制庫的應(yīng)用簡單可行、節(jié)省時(shí)間，液壓同步能達(dá)到可靠的控制效果。

液壓；同步；建模；仿真

鋁合金板廣泛用于我國的交通運(yùn)輸和航空制造業(yè)。鋁錠經(jīng)過軋制、淬火等工藝處理后，板材表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，而心部則呈拉應(yīng)力狀態(tài)；另外因?yàn)楸砻鎸永鋮s相對稍快，晶粒細(xì)小、屈服極限較高，而芯部則較低，板材內(nèi)部也會產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，板材越厚，殘余應(yīng)力就越高。殘存的內(nèi)應(yīng)力如果不及時(shí)消除，經(jīng)過一定時(shí)間后板材會發(fā)生嚴(yán)重的翹曲，因此有效地消除板材內(nèi)部的殘余應(yīng)力是航空用鋁合金板生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

單純使用矯直機(jī)對板材進(jìn)行矯直，可以消除部分內(nèi)應(yīng)力，外表看來平直度也較好，但是在機(jī)加過程中，由于板材內(nèi)部的殘余應(yīng)力會出現(xiàn)板材變形現(xiàn)象。目前最好的辦法是使用拉伸矯直機(jī)對板材殘余應(yīng)力進(jìn)行消除并達(dá)到矯直的目的。拉伸矯直機(jī)在板材上施加均勻的外拉力，根據(jù)設(shè)定的板材數(shù)據(jù)模型，使板材首先發(fā)生彈性變形然后進(jìn)入塑性變形區(qū)，從而完全消除了板材內(nèi)部應(yīng)力。

拉伸矯直機(jī)主拉伸系統(tǒng)采用液壓伺服控制系統(tǒng)及多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，用于控制兩側(cè)主拉伸缸高精度同步運(yùn)行，保證了活動(dòng)夾頭在拉伸過程中平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了板材的均勻拉伸。

拉伸矯直機(jī)液壓系統(tǒng)中的同步控制要求是兩個(gè)液壓缸在運(yùn)動(dòng)中保持相對位置不變，衡量同步運(yùn)動(dòng)的指標(biāo)是同步精度，以位置誤差來表示。在拉伸矯直機(jī)這種重型設(shè)備中，負(fù)載不均衡、液壓缸泄漏量的不同、伺服泵的流量偏差、制造誤差等因素都會影響同步精度，因此提高液壓系統(tǒng)的同步精度具有重要意義。

拉伸矯直機(jī)矯直過程中，由于板材水平尺寸較大，而且各部位都是軋制成形，其尺寸公差和加工裕量較小，拉伸頭兩側(cè)拉伸缸的位置偏差對拉伸件精度的影響就相當(dāng)明顯，嚴(yán)重時(shí)會造成廢品,甚至還會造成拉伸頭過度傾斜導(dǎo)致卡死甚至損壞。

通過建立系統(tǒng)的數(shù)值模型，利用計(jì)算機(jī)仿真使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷在物理成型之前就得到了處理，從而可以使工程師在整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試、交付使用的過程中都能夠得到預(yù)期的控制效果，為了縮短現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間、提高系統(tǒng)控制質(zhì)量、確保項(xiàng)目成功，借助先進(jìn)的專業(yè)仿真軟件和控制庫無疑是一種行之有效的方法。

1 模型構(gòu)建工具與方法

MATLAB作為當(dāng)前國際控制界最流行的面向工程與科學(xué)計(jì)算的軟件，在控制系統(tǒng)的分析、仿真和設(shè)計(jì)方面得到了非常廣泛的應(yīng)用，另外隨著專業(yè)函數(shù)庫和專業(yè)工具箱的成熟，MATLAB/ Simulink可按系統(tǒng)內(nèi)在的物理關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)完整的復(fù)雜系統(tǒng)，可使傳感器、控制器、機(jī)械單元、操作機(jī)構(gòu)等構(gòu)成一個(gè)整體。系統(tǒng)的各個(gè)組成部分在MATLAB/Simulink中是以模塊化的方式來構(gòu)建的，可調(diào)用各種標(biāo)準(zhǔn)控制模型或自定義控制模型。各模型間相互關(guān)聯(lián)成為一個(gè)整體，并通過仿真過程得到優(yōu)化的系統(tǒng)參數(shù)。通過自動(dòng)代碼生成的功能，MATLAB/Simulink的仿真模型可生成工程實(shí)例的代碼，這種代碼的效率可與人工代碼相媲美，這就是為什么MATLAB/Simulink被廣泛使用的原因。

1.2 建模方法

由Mathworks公司提供的MATLAB/Simulink是最為廣泛使用的建模與軟件測試工具。B&R系統(tǒng)同樣也支持MATLAB/Simulink仿真模型的導(dǎo)入，它將仿真模型導(dǎo)入到Automation Studio這個(gè)開發(fā)工具中，使仿真系統(tǒng)可以在B&R控制器上進(jìn)行硬件的仿真及系統(tǒng)控制功能的測試。

通過在Automation Studio環(huán)境下提供的通用接口，可使用Real-Time Workshop和Simulink PLC 代碼編輯器自動(dòng)生成代碼。（圖1為自動(dòng)代碼生成流程圖）貝加萊為用戶提供生成ANSI-C或結(jié)構(gòu)性文本代碼的選擇并可自動(dòng)集成到自動(dòng)化項(xiàng)目中，完成調(diào)試和再次編輯功能，使開發(fā)過程更加完美。

圖1 自動(dòng)代碼生成流程圖

在MATAB/Simulink中添加了貝加萊的Automation Studio工具箱，詳見圖2，其中包含:

圖2 B&R Automation Studio Toolbox

通過以上的模塊，可以快速地將Simulink中創(chuàng)建的模型轉(zhuǎn)換為Automation Studio中可以使用的C代碼或結(jié)構(gòu)文本的任務(wù)，并下載到貝加萊的目標(biāo)硬件PCC中，進(jìn)行調(diào)試和監(jiān)測，并不斷重復(fù)這個(gè)過程，使得在Simulink中建立的模塊能更完美地控制受控對象，以達(dá)到最佳的控制效果。

2 液壓同步系統(tǒng)建模

圖3 并聯(lián)同步系統(tǒng)模型

圖3 為兩液壓缸的并聯(lián)同步系統(tǒng)模型，每側(cè)油缸由兩臺伺服泵和一個(gè)伺服閥推動(dòng)，根據(jù)兩側(cè)的油缸位置偏差進(jìn)行補(bǔ)償控制。使用閉環(huán)液壓同步控制系統(tǒng)，對執(zhí)行元件的輸出進(jìn)行檢測與反饋，能很大程度地消除或抑制不利因素對同步精度的影響，可獲得高精度同步控制，其控制精度主要取決于位置傳感器的檢測精度與伺服閥及伺服泵的響應(yīng)特性。

護(hù)坡工程混凝土理論配合比為水泥及粉煤灰︰細(xì)骨料︰粗骨料︰外加劑︰水=1︰2.19︰2.78︰0.022︰0.43，每立方米混凝土中水泥、粉煤灰、細(xì)骨料、粗骨料、外加劑、水的用量分別為 298 kg、74 kg、813 kg、1 034 kg、8.18 kg、161 kg，坍落度為 205 mm。

本系統(tǒng)采用被動(dòng)式位置檢測流量控制。根據(jù)兩個(gè)油缸MTS位移傳感器提供的位置反饋信號的差值，通過補(bǔ)償控制系統(tǒng)，對進(jìn)入油缸壓力腔的工作油液的流量進(jìn)行控制，改變兩液壓缸的進(jìn)油流量，直至消除同步誤差。

圖4為MATLAB中建立的單側(cè)油缸系統(tǒng)模型，B&R Automation Studio Target for Simulink已經(jīng)提供了單閥單缸的系統(tǒng)模型模板，在此基礎(chǔ)上加以修改，使之符合實(shí)際系統(tǒng)的工藝配置要求。通過MATLAB/Simulink，系統(tǒng)建模的液壓系統(tǒng)模型代碼被生成并導(dǎo)入在B&R的仿真系統(tǒng)和PCC控制器中運(yùn)行。

3 B&R軟硬件平臺

本系統(tǒng)采用貝加萊（B&R）最新一代X20硬件系統(tǒng)平臺配合開發(fā)軟件Automation Studio，實(shí)現(xiàn)了0.4ms的液壓控制掃描周期，10ms的外部TCPIP數(shù)據(jù)交換時(shí)間，確保系統(tǒng)控制的最佳性能。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

X20CP1485控制器通過編制控制程序，對現(xiàn)場控制站I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析、運(yùn)算并得到相應(yīng)的輸出結(jié)果。將控制器自帶的Ethernet POWERLINK接口配置為以太網(wǎng)接口，實(shí)現(xiàn)與主控S7-400的TCPIP數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)交換時(shí)間縮短至10ms。采用易于擴(kuò)展的X20 I/O單元，采集遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)信號，結(jié)構(gòu)緊湊，功能齊全，性價(jià)比高，安裝方便。

X20DC1198編碼器模塊配置為1 MBits/s的SSI接口，接收來自MTS位置編碼器采集的液壓油缸位置信號。

X20AO4632模擬量輸出模塊為16位精度，作為精確流量給定輸出來驅(qū)動(dòng)伺服泵和伺服閥。

圖4 單側(cè)油缸系統(tǒng)模型

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)針對不同的功能控制要求設(shè)計(jì)了液壓控制、數(shù)據(jù)通訊交換和頁面顯示控制三個(gè)功能，并各自采用不同的任務(wù)循環(huán)時(shí)間，其中實(shí)時(shí)性要求最高的“液壓控制任務(wù)”設(shè)置為0.4ms的任務(wù)循環(huán)周期，確保最高性能的響應(yīng)時(shí)間，這樣系統(tǒng)控制就可以分時(shí)實(shí)現(xiàn)各自的控制目標(biāo)，最優(yōu)分配CPU的資源。Automation Studio軟件開發(fā)平臺是確保透明性的研發(fā)過程和機(jī)器高效運(yùn)行的安全性保障。

Automation Studio軟件開發(fā)平臺不僅僅是一款編程工具，同時(shí)它與MATLAB/Simulink相連能夠完美地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型的正確仿真，隨后的自動(dòng)代碼生成功能確保了控制器也能夠按照真實(shí)過程中的要求一樣運(yùn)行。

3.3 B&R液壓庫的使用

B&R AsHydCon液壓庫不僅能夠覆蓋大多數(shù)線形液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還能提供附加的信號處理（如濾波等）功能。由于B&R專業(yè)的液壓庫提供了可靠完善的控制算法，所以大大縮短了控制器的開發(fā)和調(diào)試時(shí)間，再配合MATLAB/Simulink液壓系統(tǒng)模型自動(dòng)生成的代碼，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)驗(yàn)室中不搭建真正的液壓機(jī)械系統(tǒng)就能完成全系統(tǒng)的仿真測試?？刂瓶驁D如圖5所示。

B&R AsHydCon液壓庫中提供了簡化位置控制功能塊HCRP2P_Cont、位置控制功能塊HCRs_Cont、帶兩腔壓力的位置控制功能塊HCRs_Cont_p、伺服閥線性轉(zhuǎn)換功能塊HCRLinValve和軌跡生成器功能塊HCRSPF。

圖5 AsHydCon液壓庫控制框圖

簡化位置控制功能塊HCRP2P_Cont采用了PID控制功能，可以自整定PID參數(shù)，有前饋功能，同時(shí)配置詳細(xì)的液壓系統(tǒng)參數(shù)組。使用這個(gè)功能塊可以預(yù)先配置液壓系統(tǒng)參數(shù)，并使用簡化接口參數(shù)的PID功能，簡化和縮短系統(tǒng)調(diào)試過程，甚至不使用伺服閥校正和軌跡生成器功能就可以完成位置控制功能。

位置控制功能塊HCRs_Cont則提供了更詳細(xì)的參數(shù)接口，設(shè)定與液壓系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)油壓、油缸特性、伺服閥特性和外部負(fù)載等詳盡的系統(tǒng)參數(shù)。如圖5所示，在AsHydCon液壓庫控制框圖中，只有影響系統(tǒng)工作狀態(tài)的輸入輸出物理工程量才會顯示出來，如力、速度、流量等。PID控制器完成位置控制并且輸出相關(guān)的速度（使用相對最大速度的百分比來表示）。伺服校正模塊接收PID控制器輸出的速度值，與給定的速度輸入值進(jìn)行比較，并基于負(fù)載力、摩擦力和泄漏量計(jì)算生成一個(gè)流量給定值，這個(gè)流量給定值的輸出作為下一級伺服閥線性化的信號輸入。

伺服閥線性轉(zhuǎn)換功能塊HCRLinValve能夠根據(jù)閥的特性曲線對非線性伺服閥作出線性化的處理，從而消除死區(qū)和非線性的影響。常見的閥開度-流量特性曲線類似[(-10.0,-180.0), (-8.0,-152.0), (-0.5,0.0), (0.5,0.0), (-8.0,152.0), (10.0,180.0)]。

軌跡生成器功能塊HCRSPF可以自動(dòng)生成運(yùn)動(dòng)軌跡，并提供當(dāng)前時(shí)刻的設(shè)定位置、設(shè)定速度和設(shè)定加速度。

使用B&R Automation Studio開發(fā)軟件的仿真器功能和示波器高速記錄功能，記錄了兩個(gè)油缸的運(yùn)行狀態(tài)，如圖6所示。其中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)依次為兩液壓缸位置偏差（mm）、非操作側(cè)液壓缸位置（mm）、操作側(cè)液壓缸位置（mm）。仿真空載測試結(jié)果表明，兩個(gè)液壓缸在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的位置偏差被有效控制在±0.1mm以內(nèi)。

圖6 仿真空載測試效果

4 應(yīng)用測試結(jié)果

圖7 空載同步控制精度測試

該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于冶金行業(yè)的重型設(shè)備。仿真測試的程序經(jīng)過接口變量調(diào)整，進(jìn)行實(shí)際液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的空載試驗(yàn)，測試結(jié)果記錄如圖7所示，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)依次為同步控制器的實(shí)際偏差（mm）、操作側(cè)液壓缸位置（mm）?？蛰d同步控制精度測試結(jié)果表明，兩個(gè)液壓缸在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的位置偏差被有效控制在±0.5mm以內(nèi)。

空載測試成功且控制精度達(dá)到要求之后，進(jìn)行實(shí)際液壓機(jī)械控制系統(tǒng)的帶載試驗(yàn)，運(yùn)行測試結(jié)果如圖8所示，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)依次為同步控制器的實(shí)際偏差（mm）、操作側(cè)液壓缸位置（mm）。帶載同步控制精度測試結(jié)果表明，兩個(gè)液壓缸在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的位置偏差控制精度提高到±0.05mm，已經(jīng)達(dá)到了位置傳感器的檢測精度。圖7、圖8中的偏差尖峰表示在拉伸開始時(shí)刻就產(chǎn)生了一個(gè)大的偏差，此時(shí)糾偏系統(tǒng)馬上開始工作進(jìn)行調(diào)整，在整個(gè)調(diào)整過程中，偏差一直在合理的范圍內(nèi)。這說明在兩個(gè)液壓缸開始拉伸負(fù)載時(shí)，瞬間加載的流量對整個(gè)液壓系統(tǒng)形成了沖擊，如果使用斜坡加載方式應(yīng)能改善柔性，消除偏差尖峰?？紤]到帶載時(shí)拉伸板的應(yīng)力會加載到兩側(cè)油缸上，所形成的負(fù)載會隨著位移的變化而變化，即負(fù)反饋?zhàn)饔?，使得帶載拉伸的同步精度比空載拉伸的同步精度有明顯提高。

圖8 帶載同步控制精度測試

5 結(jié)語

實(shí)踐證明，MATLAB/Simulink軟件將多個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)知識統(tǒng)一到了一個(gè)模型中，使整個(gè)系統(tǒng)的仿真過程變得強(qiáng)大而且簡便，再借助B&R的自動(dòng)代碼生成功能和B&R的專業(yè)液壓控制功能庫，快速有效地保證了整個(gè)液壓系統(tǒng)控制的可靠實(shí)施。這個(gè)液壓控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)過程中，仿真模型的準(zhǔn)確搭建、軟件控制方案的最優(yōu)選擇，以及對各個(gè)液壓元件參數(shù)的專業(yè)性設(shè)置和成熟液壓功能庫的使用是項(xiàng)目成功實(shí)施的決定性因素。

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[4] 張德豐等編著. MATLAB/Simulink建模與仿真實(shí)例精講 [M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.1.

A hydraulic synchronization control system has been designed and its application for stretch machine was discussed on the basis of simulation and B&R hydraulic function library. Taking advantage of MATLAB and B&R Automation Studio Target for Simulink, a model of hydraulic synchronization system was built. The result shows that the model built by this method corresponds to the real condition of hydraulic control and is more convenient and effective.

Hydraulic; Synchronization control; Modeling; Simulation

趙元（1974-），男，現(xiàn)就職于貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司，主要從事運(yùn)動(dòng)控制和過程控制。

薛紅衛(wèi)（1967-），男，現(xiàn)就職于中國重型機(jī)械研究院股份公司，主要從事工業(yè)自動(dòng)化控制。

樊萍（1968-），女，現(xiàn)就職于中國重型機(jī)械研究院股份公司，主要從事工業(yè)自動(dòng)化控制。