連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)的設(shè)計1)

陳光偉 陳相宇 曲發(fā)義 花軍 朱良寬

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

王丙軍

(金隅天壇(唐山)木業(yè)有限公司)

近年來，連續(xù)式平壓熱壓機(以下簡稱連續(xù)壓機)已經(jīng)成為纖刨類人造板生產(chǎn)的主流熱壓設(shè)備[1-2]。連續(xù)壓機的生產(chǎn)工藝與間歇式壓機有較大的差異，其工藝參數(shù)不是隨著時間的變化而改變，而是隨著壓機的縱向長度變化，由此產(chǎn)生了不同的工藝特征[3-6]。其中，對連續(xù)壓機入口段的工藝要求最為繁復(fù)，該段不僅要完成對板坯的升壓與升溫等基本要求，還需兼顧板坯排氣速度及其發(fā)生形變的速率。因此，連續(xù)壓機的入口段不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其對各項參數(shù)的控制要求也最為嚴(yán)格。

國內(nèi)外關(guān)于連續(xù)壓機入口段的相關(guān)研究，主要由各大連續(xù)壓機生產(chǎn)商進行[7-11]，并且對連續(xù)壓機控制系統(tǒng)的研究主要集中在定厚段[12]，對入口段的控制系統(tǒng)研究較少。為此，本研究結(jié)合連續(xù)壓機入口段的結(jié)構(gòu)及其壓制板坯時熱壓板的變形要求、板坯的排氣需求、入口段加壓油缸的各項控制要求，應(yīng)用液壓比例控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，設(shè)計了連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立了系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)、單元控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。利用Matlab、AMESim軟件對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性及加壓油缸的位移同步性能等進行了仿真分析，驗證了設(shè)計的液壓比例控制系統(tǒng)各項性能指標(biāo)能夠滿足連續(xù)壓機入口段的生產(chǎn)需求。本研究結(jié)果，可為提高連續(xù)壓機生產(chǎn)人造板的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率提供參考。

1 連續(xù)壓機入口段的結(jié)構(gòu)與功能要求

連續(xù)壓機入口段的結(jié)構(gòu)見圖1。板坯經(jīng)預(yù)壓后，通過輸送帶送入由鋼帶和進料頭(圖1中1、2、3、4)形成的開口，并在鋼帶的夾持下快速進入入口段；經(jīng)過熱壓板(圖1中的5和6)的加熱與加壓，板坯快速升溫并被逐步壓縮、同時排出其中的空氣。至入口段結(jié)束時，板坯的溫度基本達到膠液的固化溫度，其厚度也基本達到毛板的厚度[13]。

采用連續(xù)壓機生產(chǎn)纖維板或刨花板時，因板坯的壓縮比較大(壓縮比一般指人造板板坯厚度與熱壓所得毛板厚度的比值；纖維板熱壓時的壓縮比為4～6；刨花板的壓縮比為2.5)，在入口段由板坯變形產(chǎn)生的反彈力(負載)也很大。此外，鋪裝成型后的板坯結(jié)構(gòu)比較松散，內(nèi)部包含大量的空氣；在入口段若其壓縮速度過快，容易造成板坯被吹散，或者出現(xiàn)塌邊，這都會直接影響人造板產(chǎn)品的質(zhì)量。

1為上鋼帶；2為下鋼帶；3為上進料頭；4為下進料頭；5為上熱壓板；6為下熱壓板；7為加壓油缸；α為熱壓板入口角度；h1～h5為熱壓板開度。

當(dāng)前，為了保證板坯既能被快速壓縮，同時又能保證其鋪裝結(jié)構(gòu)的完好，連續(xù)壓機均采用多組縱向排列的加壓油缸(如圖1中7所示的5組油缸)作為其動作的執(zhí)行裝置。這些油缸不僅起到壓制板坯的作用，同時還需控制其伸縮量，以使入口段熱壓板形成合理的彎曲和變形，保證上、下熱壓板之間具有適當(dāng)?shù)娜肟诮嵌群烷_度(見圖1中α及h1～h5)，使板坯能夠以適宜的速率被壓縮并順暢排氣[14]。

板坯排氣時，入口段熱壓板除了在縱向需要有一定的彎曲和變形之外，上熱壓板橫向也要有弧形的下凹彎曲(見圖2)。上熱壓板橫向彎曲的作用，是使板坯被壓縮時其中的空氣沿兩側(cè)排出，這樣排氣路徑最短。但需注意的是，熱壓板的橫向彎曲要適當(dāng)，曲率過大或過小均會影響人造板材的橫向厚度均勻性。

1為上熱壓板；2為板坯；3為加壓油缸；4為下熱壓板；Xp1為中間油缸活塞位移；Xp2為兩側(cè)油缸活塞位移。

上熱壓板的橫向彎曲是由入口段橫向排列的多個加壓油缸實現(xiàn)的，其數(shù)量一般為奇數(shù)，幅寬1 220 mm(4英尺)的壓機油缸數(shù)量為3個、幅寬1 830～2 750 mm(6～9英尺)的數(shù)量通常為5個；油缸呈對稱布置，以中間油缸為基準(zhǔn)，兩側(cè)對應(yīng)油缸活塞桿的伸出量等值遞減(可通過比較圖2中Xp1和Xp2的大小得出)；若兩側(cè)活塞桿的伸出量不一致，會使熱壓板的某一端上翹，從而造成鋼帶跑偏等問題。

2 連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)連續(xù)壓機入口段的功能要求，說明入口段的加壓油缸，既需要輸出足夠大的壓力壓制板坯，同時其動作也要協(xié)調(diào)一致；則對于連續(xù)壓機入口段的液壓系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)既要控制輸入加壓油缸的油壓力，同時又要同步控制油缸活塞桿的伸出量，由此構(gòu)成了一個由壓力控制和同步位移控制組合而成的復(fù)合控制系統(tǒng)。

根據(jù)連續(xù)壓機的工作需求，人造板生產(chǎn)中，連續(xù)壓機需要根據(jù)壓制人造板材的厚度和尺寸規(guī)格變化，迅速改變熱壓板的外形輪廓，即其液壓系統(tǒng)還要具有較快的(信號)響應(yīng)速度。綜合上述控制要求，采用液壓比例控制方式是較為適宜的，這一控制方式，不僅可以實現(xiàn)以上控制功能，而且在響應(yīng)速度及控制精度方面也是滿足需求的。

2.1 控制方法

以圖1、圖2連續(xù)壓機入口段結(jié)構(gòu)為參考(該結(jié)構(gòu)實際對應(yīng)最大工作寬度為1 220 mm(4英尺)的連續(xù)壓機，壓機入口段縱向排列了5組加壓油缸、橫向排列了3個加壓油缸，即共有15個油缸需加以控制)，說明采用的液壓比例系統(tǒng)的控制方法(見圖3)。

圖3 連續(xù)壓機入口段液壓比例系統(tǒng)的控制方法

因壓制板坯時縱向的5組加壓油缸所受板坯變形產(chǎn)生的反彈力差異較大，液壓系統(tǒng)需向各組油缸提供不同的油壓，因此可以將其劃分成5個控制單元(圖3中只繪制了其中的前2個單元)，每個單元的液壓系統(tǒng)中設(shè)置一個比例溢流閥控制輸入油壓(pi)，實現(xiàn)對縱向5組加壓油缸的多缸壓力控制。在橫向3個加壓油缸的同步位移控制上，為每個油缸各設(shè)置一個比例閥(圖3中未畫出)，通過向三個比例閥輸入控制信號(Ui)實現(xiàn)3個缸的同步動作。因壓制板坯時需要上熱壓板適當(dāng)彎曲(參見圖2)，即各單元中中間油缸的位移量(Xp1)需大于兩側(cè)油缸的位移量(Xp2)，所以輸入信號(Ui)是以中間油缸為基準(zhǔn)的，輸入兩側(cè)油缸的控制信號，是將Ui減弱后再行輸入的(圖3中用“?”表示控制信號Ui的減弱)，從而使兩側(cè)油缸的同步位移量稍小于中間油缸。

2.2 連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)劃分為5個單元后，各單元的控制原理是相同的，因而僅需針對其中的一個控制系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計即可。為提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，設(shè)計中采用單桿活塞缸作為加壓油缸，其與四通比例伺服閥構(gòu)成閥控缸系統(tǒng)，實現(xiàn)對橫向排列3個加壓油缸的位移同步控制。

1為液壓泵；2為電機；3為進油濾油器；4為比例溢流閥；5為溢流閥；6為回油濾油器；7為油箱；8、22為四通比例伺服閥；9、21為背壓閥；10、20為單向閥；11為中間加壓油缸；12、18為位移傳感器；13、17為位移信號轉(zhuǎn)換器；14、15、16為加法器；19為兩側(cè)油缸。

圖4中，油缸11為中間加壓油缸、油缸19為兩側(cè)加壓油缸，因兩側(cè)2個油缸的控制鏈路相同，圖4中僅繪制了其中的一側(cè)。該系統(tǒng)的控制原理及工作過程為：當(dāng)壓機入口段需要調(diào)整熱壓板開度(h)時，以上熱壓板下移為例，此時輸入信號(Ui)經(jīng)加法器14驅(qū)動比例閥8的閥芯左移，由液壓泵1輸出的壓力油經(jīng)進油濾油器3、比例閥8進入中間油缸11的上腔，推動其活塞桿下移；因活塞桿下端與上熱壓板連接，所以上熱壓板也隨之下移。同時，位移傳感器12檢測中間油缸11活塞桿的位移量(Xp1)，并經(jīng)過位移信號轉(zhuǎn)換器13將其轉(zhuǎn)化為位移反饋信號(Uzf1)；Uzf1輸入加法器14后，與輸入信號(Ui)進行比較，兩者的差值為誤差信號(Ue1)，即Ue1=Ui-Uzf1，且當(dāng)Ue1=0時說明上熱壓板下移到了指定位置。

兩側(cè)油缸19的下移控制與上述中間油缸的控制過程相同，只是輸入兩側(cè)油缸的控制信號，是來自于中間油缸的位移反饋信號(Uzf1)；Uzf1經(jīng)過加法器15時，與衰減信號(Uis)比較后得到輸入信號(Uzf2)。因Uzf2=Uzf1-Uis，說明信號Uzf2的幅值是小于Uzf1的，當(dāng)其通過比例閥22控制油缸19的活塞桿下移時，所得的位移量(Xp2)也就一定小于中間油缸活塞桿的位移量(Xp1)；由此，上熱壓板即可形成如圖2所示的下凹狀彎曲。

當(dāng)需要上熱壓板上移，增大熱壓板開度(h)時，輸入信號Ui和Uzf2將分別驅(qū)動比例閥8和22的閥芯右移(信號Ui和Uzf2的方向與控制上熱壓板下移時的方向相反)，此時油缸11和19的上腔通過回油濾油器6與油箱7相連，油缸的活塞桿則會在板坯反彈力的作用下產(chǎn)生向上的位移量Xp1和Xp2，并由位移傳感器12和18、位移信號轉(zhuǎn)換器13和17加以檢測和轉(zhuǎn)化，形成位移反饋信號Uzf1與Ulf2。之后，信號Ui與Uzf1、U1f2與Uzf2分別在加法器14和16中進行比較，得到誤差信號Ue1和Ue2，即Ue1=Ui-Uzf1，Ue2=Uzf2-U1f2；當(dāng)Ue1=Ue2=0時說明上熱壓板上移調(diào)整到位。

圖4中，液壓系統(tǒng)的工作壓力由比例溢流閥4限定，該壓力可通過壓力控制信號(Up)加以調(diào)整；溢流閥5用于限定系統(tǒng)的最大壓力，起到安全保護的作用。背壓閥9和21的作用，是在油缸11和19下移時，在其下腔產(chǎn)生背壓，該壓力有助于保證油缸下移速度的穩(wěn)定[15-16]。單向閥10和20的功能，是當(dāng)油缸上移時，下腔能夠與油箱相連實現(xiàn)吸油。此外，系統(tǒng)設(shè)計時，之所以采用中間油缸的位移反饋信號(Uzf1)作為兩側(cè)油缸的輸入信號源(即以中間油缸為位移基準(zhǔn))，原因是這一控制方法可以保證橫向分布的3個加壓油缸具有相同方向的同步位移。

3 連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)模型

3.1 連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)的方框圖及開環(huán)傳遞函數(shù)

根據(jù)連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其原理，可將該控制系統(tǒng)簡化為如圖5所示原理圖。圖5所表達的控制系統(tǒng)鏈路結(jié)構(gòu)及符號意義與圖4中相同；不同點是，誤差信號Ue1和Ue2需經(jīng)比例放大器放大并轉(zhuǎn)換為電流信號I1和I2后才能驅(qū)動比例閥閥芯移動，閥芯的位移量分別用Xv1和Xv2表示；在衰減信號(Uis)的作用下，中間油缸的位移反饋信號(Uzf1)縮小后，作用于兩側(cè)油缸的控制閥，形成如圖2所示的橫向熱壓板曲線。另外，外負載力是指系統(tǒng)所受的外部干擾力，本系統(tǒng)中的外負載力是板坯排氣時產(chǎn)生的排氣壓力，其會使油缸的輸出位移出現(xiàn)誤差；但由于本系統(tǒng)采用了反饋控制，在工作中可以自行糾正由外部干擾產(chǎn)生的誤差。

圖5 連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)圖5和閥控缸系統(tǒng)各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的建立方法[17-19]，得到連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)的方框圖(見圖6)。因本控制系統(tǒng)中每個加壓油缸都自成一個控制單元，所以圖6所示的方框圖可視作是任意一個閥控缸系統(tǒng)的。其中，閥控液壓缸的傳遞函數(shù)按照三通閥控液壓缸，且有彈性負載(K≠0)的形式進行簡化，比例閥可以近似看作一個二階震蕩環(huán)節(jié)。

圖6 連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)方框圖

根據(jù)圖6可以得到連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，如式(1)所示。

(1)

3.2 參數(shù)設(shè)計

以最大工作寬度為1 220 mm(4英尺)的纖維板連續(xù)壓機為例，對控制系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)計。以某廠生產(chǎn)的HSG型液壓缸作為加壓油缸。

4英尺板坯幅寬1 320 mm(含100 mm裁邊余量)，每排橫向布置3個油缸，即每個油缸對應(yīng)面積(A)為0.242 m2、入口段熱壓板最大面壓p0=5 MPa、液壓缸效率η=0.9、供油壓力ps=31.5 MPa，計算時為了系統(tǒng)的使用壽命，泵的供油壓力一般取額定壓力的80%，由此計算得到油缸直徑(D)和液壓缸無桿腔面積(A1)。

根據(jù)纖維板生產(chǎn)工藝，負載彈性剛度K=5.47×107N/m、慣性負載的等效質(zhì)量(m)可以取1 000 kg[20]、液壓缸阻尼比(ζh)取0.2，由于系統(tǒng)屬于高壓系統(tǒng)，βe取1 000，計算得到系統(tǒng)固有頻率(ωh)和慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折率(ωr)。

行程(S)根據(jù)人造板產(chǎn)品厚度范圍確定，活塞最大運行速度v=8 mm/s，由此計算比例閥流量(qL)為23.56 L/min、閥口壓降為9.1 MPa。由上述參數(shù)，選擇力士樂4WRHP伺服比例閥，通徑為6 mm、最大控制電流I=2.7 A，當(dāng)閥口壓降Δp=9 MPa時，流量為q=25 L/min，頻寬60 Hz；忽略液壓缸的內(nèi)泄漏，由上述參數(shù)可以計算得到比例閥增益(KsvKq)和流量-壓力系數(shù)(Kce)。比例閥配套比例放大器增益Ka=0.2 A/V，位移傳感器比例增益Kf=1 000 V/m，比例閥阻尼取ζsv=0.7。

最終計算開環(huán)傳遞函數(shù)所需的各項參數(shù)：

系統(tǒng)壓力ps=31.5 MPa；

系統(tǒng)固有頻率ωh=447.2 rad/s；

無桿腔面積A1=0.05 m2；

液壓缸阻尼比ζh=0.2；

負載彈性剛度K=5.47×107N/m；

液壓缸行程S=250 mm；

慣性負載等效質(zhì)量m=1 000 kg；

比例閥頻寬ωsv=377 rad/s；

比例閥阻尼比ζsv=0.7；

比例閥增益KsvKq=1.54×10-7m3/(s·mA)；

比例放大器增益Ka=0.2 A/V；

位移傳感器增益Kf=1 000 V/m；

慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折率ωr=1；

流量-壓力系數(shù)Kce=4.63×10-11m3/(s·Pa)。

將各項參數(shù)代入式(1)，得到系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型，如式(2)所示。

(2)

4 伺服比例控制系統(tǒng)性能

4.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性與響應(yīng)快速性

根據(jù)式(2)對連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行判別，采用Matlab軟件繪制開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德(Bode)圖(見圖7)。由圖7可見，系統(tǒng)的幅值裕量為111 dB，相位裕量為+∞，說明系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

圖7 開環(huán)系統(tǒng)伯德(Bode)圖

應(yīng)用Matlab軟件在系統(tǒng)輸入端施加單位階躍信號，得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(見圖8)。由圖8可見，系統(tǒng)接收到激勵信號后幾乎沒有滯環(huán)，曲線上升過程中沒有出現(xiàn)明顯的振蕩與超調(diào)，上升時間為2.2 s，達到穩(wěn)態(tài)時間為5.75 s。穩(wěn)定后系統(tǒng)輸出值沒有較大波動，但達到穩(wěn)態(tài)的時間較長，系統(tǒng)響應(yīng)的快速性稍差。

圖8 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

4.2 依據(jù)AMESim的同步控制性能分析

根據(jù)圖4和圖5，在AMESim軟件中建立連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)模型。以生產(chǎn)12 mm厚纖維板為例，在控制系統(tǒng)中增加PID調(diào)節(jié)來優(yōu)化系統(tǒng)控制性能，取Kp=300、Ti=0、Td=3，得到中間油缸和兩側(cè)油缸的位移曲線(見圖9)及無桿腔壓力曲線(見圖10)。

由圖9可見，各加壓油缸經(jīng)過3.65 s后均達到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)響應(yīng)的快速性有一定提高；兩側(cè)油缸相比，中間油缸具有約0.05 s的滯后，中間油缸和兩側(cè)油缸的穩(wěn)態(tài)誤差分別為0.07、0.08 mm，位移控制誤差為0.6%，同步控制誤差為0.1%，能夠滿足連續(xù)壓機入口段的控制要求。

圖9 同步控制位移曲線

圖10中，由于中間板坯排氣壓力比兩側(cè)大，中間油缸無桿腔壓力明顯高于兩側(cè)油缸，兩側(cè)油缸的壓力比中間油缸也具有0.05 s的滯后。由上述分析可知，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)具有很好的位移和壓力同步控制性能；在保證穩(wěn)定性較高的前提下，系統(tǒng)響應(yīng)的快速性也得到了提高，說明系統(tǒng)能夠滿足連續(xù)壓機入口段的控制要求。

圖10 同步控制壓力曲線

4.3 主從同步控制與其他同步控制方式對比

常用的同步控制方法主要有主從同步控制、串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)。3種方法在控制系統(tǒng)無干擾時，都能較好地實現(xiàn)同步控制，但存在系統(tǒng)參數(shù)變化以及干擾時，主從同步控制系統(tǒng)更適合連續(xù)壓機入口段的工藝要求。人造板生產(chǎn)工藝中，熱壓前的步驟是鋪裝和預(yù)壓，由于鋪裝密度不均勻，板坯材質(zhì)較差，預(yù)壓效果不好等原因，會導(dǎo)致板坯的密度不均勻，彈性模量也會因此發(fā)生變化。

設(shè)計對比仿真試驗，將中間油缸的負載彈性剛度(K)變?yōu)?×107N/m，兩側(cè)油缸負載彈性剛度保持5.47×107N/m不變，串聯(lián)同步控制使用中間油缸、左側(cè)油缸、右側(cè)油缸的順序進行連接。3種同步控制方案在相同的駛?cè)胄盘栕饔孟拢玫接覀?cè)油缸位移曲線(見圖11)。

圖11 右側(cè)油缸位移曲線

由圖11可見，主從同步控制系統(tǒng)的右側(cè)油缸位移曲線與中間油缸基本重合，系統(tǒng)同步控制性能高。采用并聯(lián)同步控制時，右側(cè)油缸位移有明顯的滯后現(xiàn)象；采用串聯(lián)同步控制時，控制信號從中間油缸傳遞給左側(cè)油缸，再傳遞給右側(cè)油缸，因此右側(cè)油缸的位移曲線滯后更為明顯。由此可以看出，在連續(xù)壓機入口段的工藝要求下，主從同步控制優(yōu)于其他控制方案。

5 結(jié)語

結(jié)合連續(xù)壓機入口段壓制板坯過程中對熱壓板的變形要求及板坯的排氣需求，分析說明了連續(xù)壓機入口段的工藝特征，確定了針對加壓油缸的各項控制功能要求。

設(shè)計了連續(xù)壓機入口段液壓比例控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，說明了以中間加壓油缸為基準(zhǔn)，進行位移同步控制與壓力控制的工作原理。

建立了控制單元的開環(huán)傳遞函數(shù)；通過參數(shù)設(shè)計得到了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)的性能分析奠定了基礎(chǔ)。

對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性、加壓油缸位移同步性、壓力控制等各項性能進行了仿真分析，并且與其他兩種同步控制方案對比，所得各項性能指標(biāo)滿足連續(xù)壓機入口段的工作需求。