RH頂升閥控液壓缸同步系統(tǒng)分析

張永鋒,丘銘軍,陳國(guó)防，寧 博

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

RH頂升閥控液壓缸同步系統(tǒng)分析

張永鋒,丘銘軍,陳國(guó)防，寧 博

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

針對(duì)RH頂升液壓缸在頂升過(guò)程中的恒速、同步的技術(shù)要求，有針對(duì)性的建立了閥控非對(duì)稱缸的simulink模型，利用速度負(fù)反饋PID和同步誤差正反饋PID控制，實(shí)現(xiàn)了四缸穩(wěn)定的恒速同步運(yùn)動(dòng)。

閥控非對(duì)稱缸；Simulink；同步誤差；PID控制器

0 前言

RH爐外精煉設(shè)備是某鋼廠主要的爐外精煉設(shè)備，其鋼包頂升過(guò)程是由四個(gè)液壓缸同步恒速工作，通過(guò)頂升臺(tái)架將鋼包頂起。其原設(shè)計(jì)同步回路來(lái)源于新日鐵技術(shù)，由泵控同步馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)的(圖1)，由于同步馬達(dá)存在長(zhǎng)行程同步誤差較大(一般都超過(guò)30 mm)和累積誤差不可消除，啟停沖擊大，抗偏載能力差，更換維修費(fèi)用大等弊端。因此現(xiàn)改造成采用比例閥控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)頂升過(guò)程的同步和恒速問(wèn)題，如圖2所示。

圖1 改造前原理圖Fig.1 Schematic diagram before reformation

由原理圖可以看出，在鋼包提升缸的上升和下降運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，比例閥僅僅做單邊節(jié)流控制，上升時(shí)的背壓P2和下降時(shí)的驅(qū)動(dòng)壓P2由其他液壓元件控制，因此，此比例閥控液壓缸模型與傳統(tǒng)對(duì)稱閥控制對(duì)稱液壓缸模型有很大不同，必須建立新的模型進(jìn)行仿真研究。

1 閥控非對(duì)稱缸模型建立

目前，有關(guān)對(duì)稱閥控制對(duì)稱缸的傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)特性分析的研究已經(jīng)很成熟了，但由于對(duì)稱閥和非對(duì)稱缸的不相容性，需要對(duì)對(duì)稱四通閥控制非對(duì)稱缸重新建立傳遞函數(shù)模型。

圖2 改造后原理圖Fig.2 Schematic diagram after reformation

圖3 閥控缸模型簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of valve-controlled cylinder

圖3是閥控非對(duì)稱缸模型簡(jiǎn)圖，Ps和Pt分別表示閥入口壓力和出口壓力，ΔP1和ΔP2表示閥口壓降，P1，P2分別表示液壓缸桿腔和塞腔壓力，PL表示負(fù)載壓力，A1表示桿腔環(huán)面積，A2表示塞腔活塞面積。

設(shè)

根據(jù)能量守恒，NL=Q1(P1-ηP2),其中NL表示系統(tǒng)的功率，忽略泄露等因素，則等于缸的功率

PL=P1-ηP2

藉由傳統(tǒng)閥控對(duì)稱缸的建模過(guò)程，可以得出閥控非對(duì)稱缸的三大方程如下

連續(xù)性方程

負(fù)載方程

由流量方程可得：P2=η2(Ps-P1)

(1)

QL(S)=KqXV(S)-KCPL(S)

(2)

A1PL(S)=(MS2+BS+K)Y(S)+FL(S)

(3)

由公式(1)～( 3)可得出閥控非對(duì)稱缸的傳遞函數(shù)方框圖如圖4所示。

圖4 閥控缸傳遞函數(shù)Fig.3 Transfer function of valve-controlled cylinder

化簡(jiǎn)方框圖后可得輸出Y與輸入XV及外負(fù)載FL力之間的關(guān)系

式中，Kt為總流量-壓力系數(shù)。

2 單缸恒速提升運(yùn)動(dòng)建模仿真

在RH鋼包提升過(guò)程中，要求提升臺(tái)架的四套液壓缸可以根據(jù)工藝流程的不同采用不同的速度勻速上升，同時(shí)必須保證四缸同步，使提升臺(tái)架一直處于水平狀態(tài)。根據(jù)工藝要求可知，在提升過(guò)程中，初始階段采用高速運(yùn)行，速度控制模式，當(dāng)接近工作位時(shí)采用低速運(yùn)行，位置控制模式。初始階段的高速同步控制模式最為困難，因此本文將利用MATLAB和Simulink工具分析四缸勻高速同步運(yùn)行過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，如圖5所示。

圖5 單缸PI速度控制Simulink模型Fig.5 Simulink model of PI velocity controlling for one cylinder

參數(shù)A1A2MtKf數(shù)值0.10050.1385150000160

未加PI控制器系統(tǒng)速度響應(yīng)。對(duì)于大慣量的速度控制系統(tǒng)而言，微分環(huán)節(jié)會(huì)調(diào)整加速度的大小，從而影響輸出力和輸出速度，因此加入微分環(huán)節(jié)后的速度對(duì)負(fù)載干擾更加敏感，同時(shí)由于大慣量負(fù)載因素，速度調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，因此對(duì)于此速度控制系統(tǒng)利用PI控制器最為妥當(dāng)。

根據(jù)系統(tǒng)要求，高速提升時(shí)速度0.05 m/s，斜坡輸入時(shí)間0.5 s，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 PI校正前系統(tǒng)閉環(huán)速度時(shí)間曲線Fig.6 Velocity-time response curve of the feedback system without PI controller

圖6表示系統(tǒng)未加PI校正時(shí)的速度-時(shí)間曲線，由曲線可知此大慣量系統(tǒng)在閉環(huán)控制時(shí)速度是不可控的，因此必須采取校正手段或者開(kāi)環(huán)控制，但是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量對(duì)外干擾量較敏感。

加入PI控制器后系統(tǒng)速度響應(yīng)。PID控制器是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛和成熟的控制器，只要找到合適的匹配參數(shù)，PID控制器的魯棒性等特性也非常好，經(jīng)濟(jì)高效。圖7是采用PI控制器后的速度-時(shí)間曲線。

圖7 PI校正后系統(tǒng)閉環(huán)速度時(shí)間曲線Fig.7 Velocity-time response curve of the feedback system with PI controller

由圖可得，當(dāng)加入PI控制器后，調(diào)整比例系數(shù)Kp=0.1和積分系數(shù)KI=0.1后，系統(tǒng)能夠平滑加速，加速度小沖擊小，且能夠穩(wěn)定在0.05 m/s的目標(biāo)值。

有外負(fù)載干擾力的情況。在實(shí)際的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，外界干擾負(fù)載很多，因此有必要研究此PI控制器抗干擾負(fù)載的能力。分別設(shè)干擾負(fù)載力FL=10 000 N，F(xiàn)L=50 000 N和FL=100 000 N，保持控制器參數(shù)不變觀察干擾負(fù)載對(duì)速度的影響，速度-時(shí)間仿真曲線如圖9所示。

圖8 不同干擾負(fù)載下的速度時(shí)間曲線Fig.8 Velocity-time response curve under different disturbing force

由圖8可看出，此控制器魯棒性較好，在不同干擾力下均能保持輸出速度穩(wěn)定在0.05 m/s。

系統(tǒng)質(zhì)量變化的情況。在RH精煉過(guò)程中，每次高爐或者電爐來(lái)的鋼水重量都不盡相同，因此將影響模型的等效質(zhì)量Mt，進(jìn)而影響系統(tǒng)固有頻率和阻尼系數(shù)，因此有必要研究不同來(lái)料重量下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)來(lái)料重量分別為12 t、13.5 t、15 t、16 t和18 t四種情況，在相同參數(shù)的PI控制器下，速度時(shí)間曲線如圖9所示。

圖9 不同質(zhì)量下的速度時(shí)間曲線Fig.9 Velocity-time response curve under different mass

由圖9可知，在其他仿真參數(shù)不變的情況下，當(dāng)來(lái)料質(zhì)量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)其對(duì)速度的影響較小。

3 四缸同步提升運(yùn)動(dòng)過(guò)程建模仿真

通過(guò)對(duì)單缸勻速運(yùn)動(dòng)的建模仿真可知，通過(guò)PI控制器能夠?qū)ζ渌俣冗M(jìn)行精確控制，理論上四缸在相同PI控制器的參與下可以達(dá)到系統(tǒng)的同步要求。然而實(shí)際過(guò)程中由于每個(gè)油缸的泄露量摩擦力不同、每個(gè)閥參數(shù)的不同、機(jī)械結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的四個(gè)缸的穩(wěn)態(tài)負(fù)載不均勻等干擾因素使得四個(gè)油缸可能會(huì)出現(xiàn)同速但不同步的情況，因此必須對(duì)其在進(jìn)行速度控制外還要設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行同步控制。

本次設(shè)計(jì)中擬定一個(gè)油缸作為基準(zhǔn)，其他油缸位置與其比較，利用比較后的位置偏差反饋給控制器來(lái)控制閥芯位移，實(shí)現(xiàn)四缸同步運(yùn)動(dòng)。利用Simulink搭建誤差正反饋PID模型如圖10所示。

圖10 四缸PID同步控制Simulink模型Fig.10 Simulink model of PID asymmetric controlling of four cylinder

此四缸同步控制模型是基于上文單缸速度控制模型發(fā)展而來(lái)的，因此各種閥參數(shù)不變。設(shè)定第一個(gè)油缸為參考，其他油缸的位置都以第一個(gè)油缸為基準(zhǔn)，將誤差值通過(guò)PID控制器傳輸給比例閥來(lái)控制油缸運(yùn)動(dòng)。為了體現(xiàn)更一般的現(xiàn)場(chǎng)情況，為四個(gè)油缸分別加載一定的穩(wěn)態(tài)干擾力，F(xiàn)L={-10000,0, 10000,20000}N。

(1)未加PID校正的情況。首先研究系統(tǒng)在為加入PID校正時(shí)的同步回路動(dòng)靜態(tài)特性。圖11是系統(tǒng)未加PID校正前的同步閉環(huán)回路速度-時(shí)間曲線圖。圖12是系統(tǒng)未加PID校正器時(shí)系統(tǒng)同步誤差曲線圖。由圖可以看出在投入同步閉環(huán)后，各油缸的位置同步誤差會(huì)對(duì)速度產(chǎn)生干擾，速度的變化進(jìn)而又引起同步誤差的變化，在FL=-10 000 N時(shí)同步誤差甚至超過(guò)5 mm，系統(tǒng)表現(xiàn)出抗干擾能力變差，同步性能變壞，因此必須加入PID控制器或其他控制器加以校正。

圖11 四缸未加PID時(shí)的速度時(shí)間曲線Fig.11 Velocity-time curve of the system without PID controller

圖12 系統(tǒng)未加PID時(shí)的同步誤差-時(shí)間曲線Fig.12 Asymmetric errors-time curve of the system without PID controller

(2)加入PID校正后的情況。PID控制器具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，因此RH四缸同步控制也將采用PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。同步誤差控制其實(shí)質(zhì)也是位置控制，而對(duì)于本系統(tǒng)而言，由于負(fù)載慣量特別大，位置糾偏就會(huì)存在滯后，因此PID控制器里應(yīng)主要有比例和微分環(huán)節(jié)參與控制。對(duì)于本系統(tǒng)，三個(gè)PID控制器參數(shù)優(yōu)化后為：比例系數(shù)KP=500，積分系數(shù)KI=1，微分系數(shù)KD=500，在此參數(shù)下系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度最好，如圖13和圖14分別是速度-時(shí)間曲線和同步誤差-時(shí)間曲線。

圖13 四缸加入PID時(shí)的速度-時(shí)間曲線Fig.13 Velocity-time curve of the system with PID controller

圖14 系統(tǒng)加入PID時(shí)的同步誤差-時(shí)間曲線Fig.14 Asymmetric errors-time curve of the system with PID controller

從圖中可以看出，加入PID控制器后，四套液壓缸速度穩(wěn)定，同步誤差只在油缸初始加速運(yùn)動(dòng)時(shí)比較大，最大誤差不超過(guò)1 mm，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果

通過(guò)理論分析和仿真模擬，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試起到了非常大的指導(dǎo)作用，同時(shí)印證了仿真的可靠性和可行性。由于鋼包噸位達(dá)到300 t，同步調(diào)節(jié)非常困難，需要不斷增大比例系數(shù)Kp值，但由于鋼包工作過(guò)程中需要頻繁點(diǎn)動(dòng)，過(guò)大的Kp值雖然可以減小同步誤差但不利系統(tǒng)點(diǎn)動(dòng)工作，因此將Kp限制為100左右并解除微分環(huán)節(jié)，同步誤差可縮小至2 mm，同時(shí)滿足點(diǎn)動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)定性。下圖為改造后油缸實(shí)際位移曲線圖。

圖15 改造后油缸位移曲線圖Fig.15 Position curve of four cylinders after reformation

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)針對(duì)RH閥控缸頂升系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并通過(guò)Simulink模塊搭建單缸速度PI控制模型和四缸同步PID控制模型。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，模擬各種條件下系統(tǒng)恒速特性和同步性能的動(dòng)靜態(tài)特性，并得出優(yōu)化后的最佳參數(shù)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試起到了非常大的促進(jìn)作用，使得RH鋼包頂升閥控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用獲得成功。

[1] 孔祥東,王益群. 控制工程基礎(chǔ)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 2011.

[2] 王傳禮. 對(duì)稱四通閥控非對(duì)稱液壓缸伺服動(dòng)態(tài)特性研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程. 2004(6): 471-473.

[3] 李志峰. 電液位置伺服系統(tǒng)的多缸同步控制方法研究[D]. 山西：太原科技大學(xué)，2010.

[4] 凌云,陳剛. 液壓同步模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 機(jī)床與液壓. 2009(7): 161-163.

[5] 王金利. 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)升降同步控制系統(tǒng)的研究[D].上海，煤炭科學(xué)研究總院上海分院，2009.

[6] 蘇東海. 比例流量閥控制非對(duì)稱液壓缸同步的仿真分析[J].機(jī)床與液壓，2003(4):164-166.

[7] 強(qiáng)保民. 電液比例閥控液壓缸系統(tǒng)建模與仿真[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2011(6)：35-38.

[8] 黃鎮(zhèn)海. 多通道液壓伺服系統(tǒng)的同步設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2012(11)：29-31.

[9] 李東君. 基于MATLAB SIMULINK非對(duì)稱閥控液壓缸非對(duì)稱液壓缸控制系統(tǒng)的仿真分析[J].機(jī)床與液壓，2008(7)：143-145.

[10]江桂云. 液壓伺服閥控缸動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)建模與仿真分析[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(9)：195-200.

[11]陶永華. 新型PID控制及其應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 1998.

[12]張紹九. 液壓同步系統(tǒng)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社. 2010.

[13]王春行. 液壓伺服控制系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 1987.

[14]馬曉宏. 電液比例閥控缸位置控制系統(tǒng)的建模與仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008(4)：43-45.

[15]朱平. 液壓矯直機(jī)閥控缸伺服系統(tǒng)的研究[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(6)：45-50.

Analysis of the synchronization lifting process by RH lift-up cylinders

ZHANG Yong-feng, QIU Ming-jun, CHEN Guo-fang, NING Bo

(China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd.，Xi’an 710032，China)

For the technical requirements of the constant speed and the synchronization of movement during the lifting process by RH lift - up cylinders, and for which the valve-asymmetric cylinder model is established by matlab simulink, using speed negative feedback PID and synchronization errors positive feedback PID controllers to achieve stability constant and synchronous movement of the four lift-up cylinders.

valve-asymmetric cylinder model; simulink; synchronization errors; PID

2015-11-12；

2015-12-16

張永鋒(1985-)，男，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司工程師，研究方向流體傳動(dòng)與控制。

TH137

A

1001-196X(2016)03-0097-06