基于畸變信號(hào)下塞棒液壓伺服系統(tǒng)的研究與測(cè)試

王亞強(qiáng)，丘銘軍，趙春麗，寧 博，陳國(guó)防

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司 西安市重型機(jī)械高端液壓技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心, 陜西 西安 710032)

0 前言

連鑄機(jī)中間包塞棒用于調(diào)節(jié)中間包的水口開(kāi)度，控制進(jìn)入結(jié)晶器鋼水的流量，進(jìn)而調(diào)控結(jié)晶器中鋼水液位高度，塞棒控制精度直接影響鑄坯質(zhì)量[1]。因此，連鑄工藝要求塞棒控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性及定位精度[2]。由于變頻器位置過(guò)近、大功率電器設(shè)備密集、功率大、電纜布置集中且鋪設(shè)長(zhǎng)度較大等多種因素的影響[3-6]，某鋼廠連鑄現(xiàn)場(chǎng)伺服閥控制信號(hào)畸變明顯，即從上位機(jī)傳遞至伺服閥前端的控制信號(hào)變化較大，嚴(yán)重影響塞棒控制系統(tǒng)的控制性能。對(duì)此，本文提出并介紹了一種用于塞棒機(jī)構(gòu)精確定位控制的液壓伺服控制系統(tǒng)[7-9]，并通過(guò)仿真研究該控制系統(tǒng)的跟蹤及定位性能。

1 塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)組成及功能

塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)主要由伺服閥、伺服液壓缸(帶位移傳感器)、電磁換向閥、溢流閥、蓄能器和過(guò)濾器等組成，液壓原理圖如圖1所示。塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)與電控設(shè)備相結(jié)合構(gòu)成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)伺服液壓缸的驅(qū)動(dòng)與控制，可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)中間包水口開(kāi)口度的控制。塞棒液壓控制系統(tǒng)包含高精度位置控制、人工壓棒控制、事故狀態(tài)下的快速自動(dòng)關(guān)閉這三種功能[10]，通過(guò)三個(gè)電磁換向閥的通斷來(lái)啟動(dòng)或關(guān)閉部分回路，實(shí)現(xiàn)各功能之間的切換，具體控制邏輯見(jiàn)表1。

圖1 塞棒液壓控制系統(tǒng)液壓原理圖

表1 塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)功能切換邏輯表

位置伺服控制時(shí)，系統(tǒng)處于位置控制回路狀態(tài)，上位機(jī)給定位置指令，與伺服液壓缸內(nèi)置式位移傳感器反饋的位移信號(hào)作比較后，經(jīng)PID控制器處理再輸入至伺服放大器，控制伺服閥閥芯位移，進(jìn)而控制伺服液壓缸帶動(dòng)塞棒動(dòng)作，最終達(dá)到實(shí)時(shí)控制中間包水口的目的，其工作原理如圖2所示。

圖2 位置伺服控制原理方塊圖

人工壓棒控制時(shí)，系統(tǒng)處于泄壓回路狀態(tài)，伺服液壓缸上下兩腔連通，在外力的作用下自由竄動(dòng)，操作手可通過(guò)塞棒機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)塞棒的人工控制。

事故快速關(guān)閉時(shí)，塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)斷電情況下，快速關(guān)閉中間包水口，防止鋼水溢流造成事故。此時(shí)，系統(tǒng)處于快速關(guān)閉回路狀態(tài)，系統(tǒng)油液或蓄能器儲(chǔ)油直接通過(guò)電磁閥6.2、單向閥9.1快速進(jìn)入伺服液壓缸下腔，缸體下移，帶動(dòng)塞棒快速關(guān)閉水口。

2 塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

塞棒位置控制性能直接影響連鑄的鑄坯質(zhì)量，重點(diǎn)考慮塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)的位置控制回路模型，忽略泄壓回路和快速關(guān)閉回路等與位置控制無(wú)關(guān)的液壓回路。

伺服閥是零開(kāi)口四邊滑閥，假設(shè)四個(gè)節(jié)流窗口是匹配對(duì)稱(chēng)的，且供油壓力恒定，回油壓力為零，則伺服閥的線性化流量方程為[11]

qL=Kqxv-KcpL

(1)

式中,qL、Kq、xv、Kc和pL分別為伺服閥的負(fù)載流量、流量增益、閥芯位移、流量-壓力系數(shù)和負(fù)載壓力。

伺服閥選用帶位移傳感器的位置閉環(huán)伺服閥，伺服閥頻寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此液壓系統(tǒng)頻寬，忽略伺服放大器及力馬達(dá)的非線性，則伺服閥輸入電流與伺服閥閥芯的函數(shù)關(guān)系為

xv=Kii

(2)

式中,i為伺服閥輸入電流，Ki為伺服閥從輸入電流至輸出流量的放大系數(shù)。

所以伺服閥輸入電流與輸出流量的關(guān)系為

qL=KqKii-KcpL

(3)

假定：伺服閥與伺服液壓缸連接管道對(duì)稱(chēng)且忽略管道內(nèi)的摩擦損失；伺服液壓缸每個(gè)工作內(nèi)壓力相同，油溫和體積彈性模量為常數(shù)；伺服液壓缸內(nèi)為層流流動(dòng)；活塞處于伺服液壓缸中間位置。

則伺服液壓缸的流量連續(xù)性方程為[12]

(4)

伺服液壓缸的輸出力與負(fù)載力的平衡方程[13]

(5)

式中,mt為活塞及負(fù)載折算到活塞上的總質(zhì)量；Bp為活塞及負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)；K為負(fù)載彈簧剛度；FL作用在活塞上的任意外負(fù)載力。

某鋼廠前期現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，多個(gè)塞棒控制系統(tǒng)中，上位機(jī)輸出的伺服閥控制信號(hào)ix(輸出信號(hào))與伺服放大器前端接收信號(hào)iy(接收信號(hào))之間存在不同程度的差距，這種差距相對(duì)穩(wěn)定，且不隨時(shí)間變化?，F(xiàn)場(chǎng)采集輸出信號(hào)和接收信號(hào)，并利用Origin數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)其進(jìn)行擬合[14]，可得到伺服閥控制信號(hào)的畸變函數(shù)

iy=f(ix)

(6)

將畸變函數(shù)加入至PID控制器和伺服放大器之間，構(gòu)成伺服閥控制信號(hào)畸變下的位置伺服控制系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 伺服閥控制信號(hào)畸變下的位置伺服控制系統(tǒng)

本文列舉某伺服閥控制信號(hào)畸變前后的信號(hào)值，即輸出信號(hào)和接收信號(hào)的數(shù)值，如表2所示。利用Origin軟件對(duì)輸出信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行擬合，得到此伺服閥控制信號(hào)的畸變曲線，如圖4所示，同時(shí)得到對(duì)應(yīng)的畸變函數(shù)，如式(7)所示。

表2 伺服閥控制信號(hào)對(duì)比表

圖4 伺服閥控制信號(hào)畸變曲線

(7)

式中，a=7.549×10-4,b=-0.041,c=0.780,d=-5.050,e=15.030。

3 塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)仿真

自動(dòng)開(kāi)澆時(shí)，塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)按照開(kāi)口度模型控制塞棒開(kāi)口[15,16]，整個(gè)澆鋼過(guò)程中，開(kāi)口度模型前期所包含的多個(gè)階躍信號(hào)[17]對(duì)塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)最為苛刻。所以本文以該系統(tǒng)對(duì)階躍響應(yīng)的能力作為控制性能強(qiáng)弱的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

為對(duì)有信號(hào)畸變和沒(méi)有信號(hào)畸變時(shí)的塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究，利用AMESim建模仿真平臺(tái)[18,19]，搭建包含這兩種模式的液壓模型，具體如圖5所示。圖5中，“模式選擇”可選擇伺服閥控制信號(hào)是否畸變。

圖5 塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)仿真模型

主要參數(shù)設(shè)置為伺服液壓缸φ50/φ25-100 mm，質(zhì)量負(fù)載為430 kg, 壓力源為5 MPa, 伺服閥頻寬取30 Hz，開(kāi)關(guān)閥信號(hào)取常開(kāi)。通過(guò)對(duì)兩種模式下的PID參數(shù)進(jìn)行整定，得到有無(wú)信號(hào)畸變條件下，塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)對(duì)開(kāi)口度模型曲線的跟蹤性能，如圖6所示。

圖6 塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)跟蹤曲線

本次仿真中，開(kāi)口度模型曲線給定了兩次階躍信號(hào)，分別是11 s時(shí)從15 mm階躍至11 mm、16 s時(shí)從11 mm階躍至13 mm。

仿真結(jié)果顯示，無(wú)信號(hào)畸變時(shí)，塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定為P=6,I=0.05,D=0[20]。跟蹤全程中，定位精度優(yōu)于0.02 mm，階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間小于1 s。有信號(hào)畸變時(shí)，塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定為P=9,I=0.3,D=0。跟蹤全程中，定位精度優(yōu)于0.04 mm，階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間小于0.5 s，能夠滿(mǎn)足工藝要求。

4 塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)建模理論及模型仿真的正確性，在實(shí)驗(yàn)室組建塞棒伺服控制系統(tǒng)測(cè)試裝置如圖7所示，分別由液壓動(dòng)力源、伺服控制閥裝置、伺服液壓缸、塞棒執(zhí)行機(jī)構(gòu)及鋼液模擬裝置組成。圖8為控制信號(hào)畸變條件下的伺服液壓缸位置控制實(shí)測(cè)曲線。

圖7 伺服控制系統(tǒng)測(cè)試裝置

圖8 伺服控制系統(tǒng)位置控制特性曲線

實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，伺服液壓缸位置在控制信號(hào)畸變條件下，通過(guò)合理選型設(shè)計(jì)并自適應(yīng)整定PID參數(shù)[21]，伺服系統(tǒng)能快速跟隨工藝設(shè)定參數(shù)，且被模擬鋼液的液面控制平穩(wěn)，位置控制滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工藝使用要求。

5 結(jié)論

(1)在仿真條件下，伺服閥控制信號(hào)畸變時(shí)，塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)仍然滿(mǎn)足工藝要求。

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了模型及仿真的正確性，為后續(xù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐提供了理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo)。

(3)伺服閥控制信號(hào)畸變會(huì)導(dǎo)致滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的最佳PID參數(shù)發(fā)生改變，且各個(gè)塞棒控制伺服閥控制信號(hào)的畸變程度有所不同，因此，若要實(shí)現(xiàn)每個(gè)塞棒液壓伺服控制系統(tǒng)控制性能的最佳化，同時(shí)減少多個(gè)系統(tǒng)控制性能的差異，需逐個(gè)整定各自最佳PID參數(shù)，或者采用模糊PID等自適應(yīng)控制策略亦能較好地解決工程實(shí)際問(wèn)題。