開式泵控鍛造油壓機(jī)流量壓力復(fù)合位置控制研究

艾　超　劉艷嬌　宋　豫　孔祥東

1.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004

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開式泵控鍛造油壓機(jī)流量壓力復(fù)合位置控制研究

艾超1,2劉艷嬌2宋豫2孔祥東1,2

1.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))，秦皇島，0660042.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室，秦皇島，066004

摘要：針對開式泵控鍛造油壓機(jī)在壓下過程中管路結(jié)構(gòu)所帶來的快鍛滯后等問題，建立了機(jī)組主泵、主缸以及管路結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了機(jī)組壓下特性傳遞函數(shù)。以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，提出了基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組壓下階段空載位置控制以及帶載壓力補(bǔ)償位置控制，即機(jī)組壓下特性的綜合控制。以0.6 MN鍛造油壓機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)展開仿真與實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：所提出的控制方法對解決開式泵控鍛造油壓機(jī)液壓系統(tǒng)快鍛帶載時(shí)壓力上升慢、壓下量不足等問題具有良好效果。

關(guān)鍵詞：開式泵控系統(tǒng)；液壓管路；流量壓力復(fù)合控制；前饋補(bǔ)償控制

0引言

面對現(xiàn)今制造業(yè)的快速發(fā)展及智能化的推進(jìn)，汽車、船舶、冶金等行業(yè)對各類鍛件的需求增加，對鍛造技術(shù)提出了高速度、高精度、低污染等多重要求[1]。其中，泵控液壓系統(tǒng)較現(xiàn)有液壓機(jī)具有低能耗、低噪聲及小沖擊等優(yōu)勢而備受關(guān)注[2-4]，但其主泵與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的管路結(jié)構(gòu)加重了其控制特性滯后的影響。針對泵控系統(tǒng)高速度、高精度的控制要求，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。

Zahalka[5]為提高大型鍛造液壓機(jī)的快鍛速度，深入研究了末端液壓機(jī)動力學(xué)行為；安高成等[6]以高精度的位置和壓力控制同時(shí)兼顧節(jié)能為目標(biāo)，提出一種雙獨(dú)立閉環(huán)新型液壓流量壓力復(fù)合控制體系；王成賓[7]針對泵控差動缸系統(tǒng)，采用具有負(fù)載力補(bǔ)償?shù)奈恢?速度復(fù)合控制策略，位置反饋與速度前饋無憂切換復(fù)合控制；Zheng等[8]采用自適應(yīng)模糊控制方法來解決直驅(qū)泵控系統(tǒng)的液壓缸位置伺服控制問題，改善系統(tǒng)控制性能；郝雙暉等[9]針對直驅(qū)式電液伺服系統(tǒng)，采用修正的恒壓力限流量控制方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力流量平穩(wěn)切換；Cheng等[10]提出一種集成的模糊控制器來實(shí)現(xiàn)雙缸電液舉升的壓力流量復(fù)合控制方法，可以有效地對雙缸電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行高精度位置同步控制。

以上研究為泵控系統(tǒng)的控制特性分析提供了借鑒，但大多采用流量和壓力切換獨(dú)立控制方式，存在切換不平穩(wěn)現(xiàn)象。為此，需要進(jìn)行平穩(wěn)高精度的流量壓力復(fù)合控制方法的研究，而目前該方法在泵控油壓機(jī)液壓系統(tǒng)的研究鮮見。

本文以開式泵控鍛造油壓機(jī)為研究對象，針對其壓下階段高速度、高精度的控制要求及管路增長帶來的滯后的影響，提出一種基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制方法，空載下行時(shí)施以位置控制，帶載下行時(shí)位置控制輔以壓力補(bǔ)償，由此解決管路系統(tǒng)快鍛帶載時(shí)壓力上升慢、壓下量不足等問題。

1開式泵控鍛造油壓機(jī)主傳動系統(tǒng)

1.1開式泵控鍛造油壓機(jī)工作原理

開式泵控鍛造油壓機(jī)主要由電機(jī)、主泵、管路、主缸、活動橫梁、回程缸及回程泵組成，本文研究對象采用RKP泵作為主控元件。其中，電機(jī)與主泵及回程泵同軸連接，帶動兩泵轉(zhuǎn)動，通過控制兩泵給定電壓信號，實(shí)現(xiàn)兩泵工況及排量的變化?；顒訖M梁下行時(shí)，由主泵向主缸供油，回程泵工作在馬達(dá)工況；活動橫梁上行時(shí)，主泵流量反向進(jìn)入馬達(dá)工況，而回程泵吸排油口切換工作于泵工況，向系統(tǒng)供油以提升活動橫梁實(shí)現(xiàn)壓機(jī)回程。開式泵控鍛造油壓機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1　開式泵控鍛造油壓機(jī)工作原理圖

1.2開式泵控鍛造油壓機(jī)控制原理

開式泵控鍛造油壓機(jī)系統(tǒng)的液壓管路加重滯后效應(yīng)，造成系統(tǒng)的快鍛特性變差，并且當(dāng)進(jìn)入工進(jìn)階段后，主缸的壓力不能很快地上升至需要的壓力值，造成快鍛壓下量不足，不能滿足快鍛工藝要求，降低了系統(tǒng)的效率。因此，需要針對開式泵控鍛造油壓機(jī)壓下特性控制方法進(jìn)行研究。

本文所提出的基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制方法，是在壓機(jī)系統(tǒng)接觸鍛件前，采用位置補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)前饋補(bǔ)償方法進(jìn)行位置控制，系統(tǒng)帶載后將鍛件變形抗力產(chǎn)生的力擾動折算為變量泵偏心量與主通道的位置控制信號共同控制變量泵，實(shí)現(xiàn)位置控制過程中的壓力補(bǔ)償，綜合控制開式泵控鍛造油壓機(jī)壓下特性，改善系統(tǒng)快鍛性能。

2開式泵控鍛造油壓機(jī)壓下階段數(shù)學(xué)模型

開式泵控鍛造油壓機(jī)的壓下階段即活動橫梁下行過程中，主泵為泵工況，向主缸供油。

主缸的流量連續(xù)性方程為

(1)

經(jīng)拉氏變換為

(2)

式中，QVL1為主缸流量，m3/s；A1為主缸的有效面積，m2；Y為活動橫梁位移，m；V1為主缸的容積，m3；βe為油液體積彈性模量，MPa；Cec1為主缸的外泄漏系數(shù)，m3/(Pa·s)；P1為主缸壓力，MPa。

帶載后，液壓缸的輸出力和負(fù)載力的平衡方程為

(3)

經(jīng)拉氏變換為

P1(s)A1-P2(s)A2=

(Mts2+Bpg2s+Kg2)Y(s)+FL1+Fd

(4)

式中，P2為回程缸壓力，MPa；A2為回程缸的有效面積，m2；Mt為負(fù)載等效質(zhì)量(包含活動橫梁質(zhì)量等)，kg；Bpg2為回程缸黏性阻尼系數(shù)，N·m·s/rad；Kg2為回程缸液壓彈簧剛度，N/m；FL1為作用在主缸活塞上的負(fù)載力，包括機(jī)架的彈性力與黏性阻尼力以及立柱摩擦力，N；Fd為負(fù)載變形抗力，N。

油壓機(jī)接觸鍛件后，將鍛件變形過程中的抗力按照近似線性規(guī)律處理[11]，即Fd=Kd(y-y0)，其中Kd為鍛件變形系數(shù)；y0為油壓機(jī)位于上頂點(diǎn)時(shí)上砧表面與鍛件上表面的距離。經(jīng)拉氏變換后，F(xiàn)d(s)=KdY(s)，其中，Y(s)表征活動橫梁位移變化量，即鍛件變形量。油壓機(jī)接觸鍛件前，負(fù)載變形抗力為零，即Kd=0。

活動橫梁下行過程中，由于回程缸采用恒壓力控制，將回程缸壓力視為常數(shù)，只考慮主泵與主缸之間的關(guān)系，則有

(5)

(6)

式中，F(xiàn)2為回程缸壓力，F(xiàn)2=P2(s)A2，N。

管路結(jié)構(gòu)采用分段集中參數(shù)法進(jìn)行建模。管路的等效電回路如圖2所示。

圖2　管路等效電路模型

以流阻R表征管內(nèi)流體流動時(shí)所受阻力：

(7)

式中，μ為油液動力黏度，Pa·s；lg為管路長度，m；d為管路內(nèi)徑，m。

以流容C表征管路變形及流體壓縮性：

(8)

式中，E為等效體積彈性模量，近似于油液體積彈性模量，MPa。

以流感L表征流體流動慣性：

(9)

式中，ρ為油液密度，kg/m3。

根據(jù)基爾霍夫定律，可得該電回路動態(tài)方程：

(10)

式中，Pin為一段管路入口壓力，MPa；QVin為管路入口流量，m3/s；Pout為一段管路出口壓力，MPa；QVout為管路出口流量，m3/s。

由式(10)可得該段管路的傳遞矩陣：

(11)

BL=Ls+R

式中，AL、BL、CL及DL為管路參數(shù)。

將系統(tǒng)中的管路分為多段并分別應(yīng)用集中參數(shù)法分析，如圖3所示。

圖3　管路分段模型

所以管路模型為

(12)

式中，Pg1為管路入口壓力，即主泵出口壓力，MPa；QVg1為管路入口流量，即主泵出口流量，m3/s。

管路入口流量方程為

(13)

(14)

由式(13)、式(14)得主泵出口流量與主缸位移的傳遞函數(shù)為

(15)

主泵出口流量與主缸壓力的傳遞函數(shù)為

(16)

開式泵控鍛造油壓機(jī)管路系統(tǒng)主缸位置控制框圖見圖4。

圖4　開式泵控鍛造油壓機(jī)管路系統(tǒng)主缸控制框圖

3基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制方法

3.1前饋補(bǔ)償控制原理

前饋補(bǔ)償控制在控制系統(tǒng)中可用于提高系統(tǒng)的跟蹤性能。由于前饋補(bǔ)償控制是基于不變性原理，即將前饋補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)成待校正的閉環(huán)系統(tǒng)的逆，使校正系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為1。如果過程具有可測擾動，前饋補(bǔ)償控制器就可以在反饋回路產(chǎn)生糾正作用前減少干擾對回路的影響。結(jié)構(gòu)原理圖見圖5。

圖5　前饋補(bǔ)償控制結(jié)構(gòu)原理圖

在開式泵控鍛造油壓機(jī)的液壓系統(tǒng)中，考慮鍛件負(fù)載干擾對快鍛控制特性的影響時(shí)，若單純添加計(jì)算壓力補(bǔ)償值，雖能有效提高系統(tǒng)精度，但由于開環(huán)計(jì)算壓力補(bǔ)償值對系統(tǒng)模型具有很強(qiáng)的依賴性，而鍛件模型很難對此進(jìn)行精確描述，在實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程中無法完全補(bǔ)償。所以，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制方法，以避免模型不精確對控制效果的不利影響。

3.2前饋補(bǔ)償控制模型

基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制方法，應(yīng)用于油壓機(jī)壓下階段控制主缸的運(yùn)動。

在空程快下階段，系統(tǒng)按照位置補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)前饋補(bǔ)償控制方法進(jìn)行運(yùn)動，此時(shí)由于處于空載狀態(tài)，沒有干擾力的作用，壓力前饋補(bǔ)償部分不起作用，而傳統(tǒng)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)管路特性補(bǔ)償；在工進(jìn)階段，上砧接觸鍛件而產(chǎn)生力擾動，通過閉環(huán)運(yùn)算將擾動力產(chǎn)生的變量泵控制信號疊加在位置控制信號中，解決帶載后由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型變化產(chǎn)生的控制性能降低的問題。因?yàn)樵摲椒ㄖ辛_動前饋補(bǔ)償值通過閉環(huán)運(yùn)算得到，避免了傳統(tǒng)開環(huán)前饋補(bǔ)償控制由于鍛件模型不精確造成控制效果不理想的問題。開式泵控鍛造油壓機(jī)基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制框圖見圖6，圖中Gb為RKP泵傳遞函數(shù)，Kf為系統(tǒng)的位置反饋系數(shù)。以鍛件的變形量為判斷依據(jù)，當(dāng)變形量為正值時(shí)，對系統(tǒng)投入復(fù)合控制，否則為空載運(yùn)行，負(fù)載變形抗力為零，只投入位置前饋補(bǔ)償控制。

圖6　開式泵控鍛造油壓機(jī)基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制框圖

4仿真與實(shí)驗(yàn)

在上述理論分析的基礎(chǔ)上，以0.6 MN鍛造油壓機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺為基礎(chǔ)展開仿真與實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證控制方法的有效性。Simulink仿真參數(shù)如表1所示。帶載正弦運(yùn)動時(shí)，給定主缸位置正弦幅值10 mm，頻率1 Hz，回程缸壓力15 MPa，分別采用傳統(tǒng)前饋補(bǔ)償控制與基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制方法，系統(tǒng)響應(yīng)特性仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，如圖7與圖8所示。

由圖7可看出，帶載運(yùn)動時(shí)，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，采用前饋補(bǔ)償控制，位置誤差為0.788 mm。由圖8可看出，帶載運(yùn)動時(shí)，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，采用流量壓力復(fù)合控制，位置誤差為0.407 mm。對比圖7與圖8可知，帶載運(yùn)動時(shí)，采用傳統(tǒng)前饋補(bǔ)償控制方法可以消除管路帶來的系統(tǒng)滯后，但無法改善系統(tǒng)帶載過程壓下量不足的問題。采用基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制方法，進(jìn)一步降低了位置誤差，實(shí)現(xiàn)了帶載高精度位置控制。同時(shí)，由于控制中引入負(fù)載特性，實(shí)現(xiàn)了帶載過程主缸的流量補(bǔ)償，大大改善了帶載特性。

表1　0.6 MN鍛造油壓機(jī)仿真參數(shù)

(a)主缸位置響應(yīng)

(b)主缸位置響應(yīng)局部放大圖(A處)

(c)主缸壓力實(shí)驗(yàn)響應(yīng)圖7　傳統(tǒng)前饋補(bǔ)償控制時(shí)系統(tǒng)快鍛帶載響應(yīng)

(a)主缸位置響應(yīng)

(b)主缸位置響應(yīng)局部放大圖(B處)

(c)主缸壓力實(shí)驗(yàn)響應(yīng)圖8　基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制時(shí)系統(tǒng)快鍛帶載響應(yīng)

5結(jié)論

(1)建立了具有液壓管路結(jié)構(gòu)的開式泵控鍛造油壓機(jī)壓下階段數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了壓下過程中相應(yīng)的傳遞函數(shù)。

(2)在傳統(tǒng)前饋補(bǔ)償控制方法的基礎(chǔ)上，提出一種基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制方法，實(shí)現(xiàn)了壓力補(bǔ)償位置控制，閉環(huán)運(yùn)算補(bǔ)償值提

高控制精度。

(3)仿真與實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果表明，基于流量壓力復(fù)合控制的前饋補(bǔ)償控制方法改善了快鍛過程帶載時(shí)壓力上升慢導(dǎo)致壓下量不足的問題，提升了快鍛系統(tǒng)鍛造位置控制精度，控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)前饋補(bǔ)償控制方法。

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(編輯王旻玥)

收稿日期：2016-03-10

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51405423)；河北省自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(E2016203264)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金資助項(xiàng)目(QN20132017)；燕山大學(xué)青年教師自主研究計(jì)劃課題(13LGB005)

中圖分類號：TH137

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.13.001

作者簡介：艾超，男，1982年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)橐簤盒惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組。發(fā)表論文18篇。劉艷嬌，女，1991年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。宋豫，男，1986年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。孔祥東(通信作者)，男，1959年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。

Research on Flow Pressure Compound Position Control of Open Circuit Hydraulic Pump-controlled Forging Press System

Ai Chao1,2Liu Yanjiao2Song Yu2Kong Xiangdong1,2

1.Key Laboratory of advanced forging technology and Science (Yanshan University),Ministry of Education,Qinhuangdao,Hebei,066004 2.Yanshan University Hebei Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control Laboratory,Qinhuangdao,Hebei,066004

Abstract:Aiming at the problems such as fast forging lag by the pipe lines of open circuit hydraulic pump-controlled forging press system, the mathematical models of main pump, master cylinder and pipe line were developed for the response lag under the forging processes, and the corresponding transfer functions were derived. On the basis of mathematical models, the feed-forward compensation control was proposed based on flow and pressure compound control. The system could achieve position control at no load and pressure compensation position control at on load, therefore the system controlled the pressure characteristics comprehensively. Based on 0.6 MN hydraulic forging press experimental platform, the simulation and experiments show that the method brings a good effect on the problems such as slow rise of pressure and insufficient degree of forging of the open circuit hydraulic pump-controlled forging press system at on load.

Key words:open circuit pump-controlled system; hydraulic pipeline; flow pressure compound control; feed-forward compensation control