基于AMEsim的液壓同步復(fù)合控制系統(tǒng)仿真分析

劉 杰，吳 偉，彭立廣

（中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

0 前言

大型板材拉伸機的兩組主拉伸缸的液壓控制系統(tǒng)的同步控制精度直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。中國重型機械研究院股份公司為國內(nèi)某鋁加工廠開發(fā)的大型拉伸機主拉伸缸液壓同步復(fù)合控制系統(tǒng)，采用泵控—閥控并聯(lián)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)拉伸速度范圍大、精度高，既能實現(xiàn)高效率又能保證低故障率工作。

1 同步復(fù)合控制系統(tǒng)組成原理簡圖

圖1所示為兩組主拉伸缸同步復(fù)合控制系統(tǒng)，由泵控速度系統(tǒng)和伺服閥位置補償系統(tǒng)并聯(lián)組成。其中設(shè)有位移傳感器的操作側(cè)拉伸缸、比例變量泵和主油路的電液換向閥組成的操作側(cè)泵控速度控制系統(tǒng)，同時操作側(cè)拉伸缸并聯(lián)依次與單向閥、伺服閥連接組成操作側(cè)伺服閥位置補償系統(tǒng)；其中設(shè)有位移傳感器的非操作側(cè)拉伸缸、比例變量泵和主油路的電液換向閥組成的非操作側(cè)泵控速度控制系統(tǒng)，同時非操作側(cè)拉伸缸并聯(lián)依次與單向閥、伺服閥連接組成非操作側(cè)伺服閥位置補償系統(tǒng)。泵控速度系統(tǒng)采用了泵－油缸容積控制，工作原理是用可控比例變量泵供油，確定進入拉伸缸的流量來調(diào)節(jié)拉伸缸的前進后退速度。伺服閥位置補償系統(tǒng)恒壓源和伺服閥組成的小流量補償系統(tǒng)，動態(tài)響應(yīng)快，控制精度高，快速消除兩組拉伸缸的位置誤差。

圖1 拉伸機同步復(fù)合控制系統(tǒng)原理示意圖

2 主拉伸同步控制系統(tǒng)技術(shù)特點

為了既保證系統(tǒng)動態(tài)性能好，又滿足高工作效率，將泵控和伺服閥結(jié)合起來構(gòu)成泵閥并聯(lián)控制系統(tǒng)，主要利用伺服閥輸出保證動態(tài)性能，在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時利用泵控輸出進行功率調(diào)節(jié)。

主拉伸同步液壓控制系統(tǒng)兩組拉伸缸在拉伸或者返程工作開始時，操作側(cè)和非操作側(cè)拉伸缸根據(jù)工藝?yán)焖俣仍O(shè)定比例變量泵所給定的排量，實現(xiàn)兩組拉伸缸拉伸的初步同步通過比較非操作側(cè)拉伸缸的位移傳感器的速度與操作側(cè)拉伸缸實際速度，當(dāng)速度超出設(shè)定同步精度范圍時，通過調(diào)節(jié)控制非操作側(cè)拉伸缸的比例變量泵的排量，實現(xiàn)兩缸速度保持一致，達到泵控初步同步的目的。在初步同步控制的范圍內(nèi)，實現(xiàn)高精度拉伸缸拉伸同步靠伺服閥補償系統(tǒng)，當(dāng)兩組拉伸缸位移傳感器檢測出兩組拉伸缸的位置差時，伺服閥補償控制回路自動選擇對其中輸出位移少的拉伸缸對應(yīng)的伺服閥進行補油控制，將兩缸位置控制在設(shè)定值之內(nèi)，實現(xiàn)兩缸的精確同步。

3 建模和仿真分析

利用仿真軟件AMESim建立同步復(fù)合控制系統(tǒng)的仿真控制模型如圖2實線部分所示，這是一個泵閥并聯(lián)伺服閥缸系統(tǒng)，此系統(tǒng)由油箱、電機、比例變量泵、液壓缸、安全閥、蓄能器、伺服閥組成。泵控采用等容開環(huán)控制，伺服閥位置補償系統(tǒng)同時通過判斷兩組液壓缸的位置差，對其中輸出位移少的拉伸缸對應(yīng)的伺服閥進行補油控制。

圖2 同步復(fù)合控制系統(tǒng)的仿真控制模型

在AMESim／Parameter參數(shù)模式下按照系統(tǒng)選定的元件設(shè)定具體參數(shù)，液壓控制系統(tǒng)仿真模型的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)設(shè)置

設(shè)定仿真時間為3 s，采樣周期為0.01 s，運行仿真分析，給定每個拉伸缸500 t拉伸力，1＃拉伸缸對應(yīng)比例泵給定輸入斜坡輸入8 mm／s，2＃拉伸缸比例泵對應(yīng)給定斜坡輸入7.8 mm／s，兩組拉伸缸固定速度偏差為0.2 mm／s，比較兩組拉伸缸壓力上升曲線、實際運行速度曲線、位移控制精度和伺服閥補油量。達到設(shè)定負(fù)載工況時的兩組拉伸缸壓力加載曲線、拉伸缸速度曲線和伺服閥流量動態(tài)特性曲線如圖3、圖4和圖5所示。

從圖3中可以看出，兩組拉伸缸壓力加載曲線趨勢基本一致，穩(wěn)態(tài)上升至額定工況。從圖4中可以看出，在兩組拉伸缸速度設(shè)定偏差時，即1＃拉伸缸給定大于2＃拉伸缸，兩組拉伸缸在行走過程中位移出現(xiàn)偏差，伺服閥位置補償系統(tǒng)迅速投入工作，可以看偏差補償系統(tǒng)投入工作后2＃拉伸缸速度波動較大，從圖5中可以看出伺服閥流量動態(tài)特性曲線波動較大，車體在工作過程中會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象。

圖3 拉伸缸壓力加載曲線

圖4 拉伸缸速度曲線

圖5 伺服閥流量動態(tài)曲線

為消除伺服閥補償系統(tǒng)投入后引起的速度波動，比例泵和拉伸缸采用閉環(huán)控制，加入偏差信號比較和判斷，當(dāng)偏差較大時采用泵控閉環(huán)控制，偏差較小時伺服閥補償系統(tǒng)投入，引入PID控制器調(diào)節(jié)處理，在比例泵控制閥前信號處加一個限幅環(huán)節(jié)，低通濾波環(huán)節(jié)，提高控制同步精度。在AMEsim中建立修正后液壓控制模型如圖6所示

圖6 修正后控制模型

設(shè)定仿真時間為3 s，采樣周期為0.01 s，運行仿真分析，給定每個拉伸缸500 t拉伸力，1＃拉伸缸對應(yīng)比例泵給定輸入斜坡輸入8 mm／s，2＃拉伸缸比例泵對應(yīng)給定斜坡輸入7.8 mm／s，兩組拉伸缸固定速度偏差為0.2 mm／s，在觀察達到設(shè)定負(fù)載工況時的兩組拉伸缸拉伸缸速度曲線和伺服閥流量動態(tài)特性曲線如圖7和圖8所示。

圖7 拉伸缸速度曲線

圖8 伺服閥流量動態(tài)曲線

從圖7中可以看出，兩組拉伸缸出現(xiàn)位移差時調(diào)整過程中速度波動較小，伺服閥流量動態(tài)曲線快速調(diào)整后達到穩(wěn)定恒流量補油工況。

4 結(jié)術(shù)語

本文以拉伸機同步復(fù)合控制系統(tǒng)為研究對象，分析了兩組拉伸缸實現(xiàn)同步工作原理和技術(shù)特點?；贏MEsim軟件建立了控制系統(tǒng)仿真模型，分析了液壓同步復(fù)合控制系統(tǒng)動態(tài)特性曲線。通過AMEsim建模仿真，方便設(shè)計人員在今后設(shè)計中改善系統(tǒng)，大大的降低系統(tǒng)的出錯率，有效地提高效率，對系統(tǒng)的設(shè)計和改進具有較大的指導(dǎo)意義。

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