薄板成形液壓機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用

李 琦，劉 宇

（甘肅酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

0 引言

薄板成形液壓機(jī)是裝備制造業(yè)尤其是金屬薄板成形制造企業(yè)的必備裝備，可在一次沖壓成形制成不同截面形狀和幾何造型的零部件。隨著液壓技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于薄板成形液壓機(jī)的尺寸精度及生產(chǎn)效率的要求也隨之提高，要求薄板成形液壓機(jī)控制系統(tǒng)具有控制精度高、智能化水平高、集成化程度高、節(jié)能效果好等技術(shù)特點(diǎn)。

本文介紹一種薄板成形液壓機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)技術(shù)方案，利用伺服控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及軟件平臺(tái)，以低速精細(xì)流量電液伺服控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行軟硬件體系架構(gòu)研究與規(guī)劃，確定滿足功能要求的液壓系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)裝置等系統(tǒng)部件。

1 主要技術(shù)參數(shù)

液壓機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 技術(shù)方案

電液伺服系統(tǒng)是一種由液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)和電信號(hào)處理裝置組成的反饋控制系統(tǒng)。為改善系統(tǒng)性能，電液伺服系統(tǒng)綜合了液壓和電氣兩方面的優(yōu)點(diǎn)，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大、信號(hào)處理靈活、易于實(shí)現(xiàn)各種參量的反饋等優(yōu)點(diǎn)。因此，多應(yīng)用于負(fù)載質(zhì)量大、響應(yīng)速度快的場(chǎng)合。

2.1 液壓控制系統(tǒng)

低速精細(xì)流量液壓伺服系統(tǒng)采用油泵直接傳動(dòng)，由主泵系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)、循環(huán)冷卻系統(tǒng)、供液系統(tǒng)、充液卸載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

（1）主泵系統(tǒng)：選用兩個(gè)泵組：泵組Ⅰ和泵組Ⅱ均選用A4VSO 軸向變量柱塞泵，系統(tǒng)工作壓力31.5MPa，傳動(dòng)介質(zhì)為ISO VG68 抗磨液壓油。通過控制泵頭閥組實(shí)現(xiàn)泵組加載和卸載，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的動(dòng)力源。

（2）主控制系統(tǒng)：慢速加壓分配器（圖1）主要由主缸進(jìn)液閥、主缸卸壓閥、回程缸進(jìn)液閥、回程缸排液閥、回程缸支撐安全閥等組成，且均選用插裝閥組控制。微速加壓分配器（圖2）選用數(shù)字型比例伺服閥，比例溢流閥和壓力補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)低速精細(xì)控制。主缸選用CF 型充液閥，具有開啟壓力低，自吸性能好，流道設(shè)計(jì)通暢，流阻小，控制壓力低，復(fù)位可靠等特點(diǎn)。主缸卸壓和系統(tǒng)卸壓均采用比例插裝閥控制，確保卸壓過程平穩(wěn)，減少液壓沖擊的發(fā)生。

圖1 慢速加壓分配器

圖2 微速加壓分配器

慢速加壓主要由泵組Ⅰ、慢速加壓分配器、先導(dǎo)控制系統(tǒng)控制。加壓速度調(diào)節(jié)范圍為1～20mm/s，通過泵組Ⅰ中EO2 型軸向變量柱塞泵帶有斜盤角度電氣反饋的比例閥實(shí)現(xiàn)無級(jí)排量調(diào)整。EO2-帶比例閥的控制系統(tǒng)線性度偏差≤±2.5%Vgmax。

微速加壓主要由泵組Ⅱ、微速加壓分配器、先導(dǎo)控制系統(tǒng)等控制。加壓速度調(diào)節(jié)范圍為0.02-1mm/s，為保證實(shí)際速度同目標(biāo)速度相吻合，選用DLKZOR數(shù)字型比例伺服閥進(jìn)行閉環(huán)控制，該閥響應(yīng)時(shí)間≤15ms，控制精度≤±0.1%。通過壓力補(bǔ)償器保證DLKZOR 數(shù)字型比例伺服閥油口P 和A 或P 和B之間的恒定壓差，當(dāng)方向閥的開口保持穩(wěn)定時(shí)，在負(fù)載波動(dòng)情況下能夠提供恒定的工作流量，一定壓差范圍內(nèi)避免了負(fù)載效應(yīng)，通過與比例換向閥組合可以提高液壓系統(tǒng)控制精度。

（3）循環(huán)冷卻系統(tǒng)：由螺桿泵、板式換熱器和過濾器等組成，對(duì)主油箱中的油液進(jìn)行循環(huán)冷卻與過濾，盡可能減小高溫對(duì)油液的損壞，避免油液溫度過高對(duì)系統(tǒng)和液壓元件帶來的危害。

（4）供液系統(tǒng)：液壓泵采用自吸方式供液，設(shè)備所使用閘閥均設(shè)有接近開關(guān)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連鎖控制，保證主泵供液的安全性與可靠性。

（5）先導(dǎo)控制系統(tǒng)：如圖3 所示，先導(dǎo)控制系統(tǒng)由控制泵、過濾器、閥組、蓄能器、管路等組成；為系統(tǒng)中充液閥和EO2 型軸向變量柱塞泵提供潔凈的壓力控制油液，保證啟閉快速性和可靠性。

圖3 先導(dǎo)控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件選型表如表2 所示。

表2 液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件選型表

2.2 電氣控制系統(tǒng)

目前，工業(yè)上通常采用傳統(tǒng)PID 控制實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，然而電液伺服系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境中往往會(huì)受到如油液溫度、粘度、工況變化等多種參量影響，導(dǎo)致其控制過程表現(xiàn)出高階、時(shí)變、非線性等特點(diǎn)，這就使得傳統(tǒng)PID 控制難以達(dá)到理想的控制效果。對(duì)于具有時(shí)變、強(qiáng)干擾、不確定特點(diǎn)的系統(tǒng)，模糊PID 控制可以很好地滿足控制要求。

電液伺服控制系統(tǒng)硬件主要由控制器，位置信息采集元件、輸出元件和工控機(jī)組成。由低速精細(xì)控制液壓伺服系統(tǒng)控制要求可知，所選擇主控制器需要滿足能夠快速采集滑塊的位置信息并計(jì)算出實(shí)時(shí)速度，并且對(duì)模糊PID 的計(jì)算輸出及時(shí)的特點(diǎn)。針對(duì)以上特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上使用 RMC150 控制器和CPU1515-2 PN PLC 協(xié)同工作方案，兩控制器通過PROFINET 交換信息。RMC150 控制器作為核心控制元件，在此系統(tǒng)中主要用于采集位移傳感器的位置信息。如圖4 所示。

圖4 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制策略研究

3.1 模糊PID控制系統(tǒng)構(gòu)成

傳統(tǒng)伺服控制的主要特征是基于模型的控制，但是隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，被控對(duì)象變的越來越復(fù)雜，設(shè)計(jì)的因素越來越多，這些復(fù)雜性都難以用精確的數(shù)學(xué)模型來描述。除了復(fù)雜性之外，往往還存在著某些不確定性，不確定性也難以用精確的數(shù)學(xué)方法加以描述。而模糊控制則能很好地處理這方面的問題。

模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，由模糊集合論、模糊語言以及模糊邏輯組成的控制技術(shù)。它屬于一種非線性的智能控制，能夠轉(zhuǎn)化人的思維和模糊化控制語言，實(shí)現(xiàn)對(duì)無法建立精確模型的被控對(duì)象的有效控制。

研究低速精細(xì)流量液壓伺服控制核心就是控制器對(duì)滑塊的實(shí)時(shí)精細(xì)控制，通過控制器輸出信號(hào)對(duì)比例閥開口大小進(jìn)行改變從而得到期望速度。在控制過程中，這個(gè)期望速度可以為恒定值、階躍變化值或連續(xù)變化值。精細(xì)控制時(shí)，控制器全程追蹤工藝要求的速度參數(shù)，薄板成形液壓機(jī)的油液系統(tǒng)不斷運(yùn)動(dòng)，壓力和流量信息相互耦合，由比例泵和比例閥兩種元件輸出，難以對(duì)其PID 參數(shù)進(jìn)行整定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，因此需要用模糊控制模擬決策，自動(dòng)實(shí)施整定PID 參數(shù)控制系統(tǒng)。如圖5 所示。

圖5 模糊PID 控制閉環(huán)系統(tǒng)

3.2 伺服系統(tǒng)建模

獲得電液伺服系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行系統(tǒng)分析與控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其建模方法主要有機(jī)理建模、實(shí)驗(yàn)建模以及兩者的結(jié)合。機(jī)理建模是根據(jù)人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來的科學(xué)原理，如質(zhì)量守恒、能量守恒、運(yùn)動(dòng)學(xué)定理、熱力學(xué)定理、化學(xué)反應(yīng)方程式等基本規(guī)律，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的模型,這需要對(duì)系統(tǒng)有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)；實(shí)驗(yàn)建模即系統(tǒng)辨識(shí)，是通過觀測(cè)系統(tǒng)輸入、輸出以及過程狀態(tài)，運(yùn)用某種數(shù)學(xué)歸納或統(tǒng)計(jì)方法，抽象出系統(tǒng)的模型，這些模型又包括參數(shù)化模型和非參數(shù)化模型。通過機(jī)理建模得到含未知參數(shù)的系統(tǒng)模型，再通過辨識(shí)實(shí)驗(yàn)估計(jì)模型參數(shù)是前兩種方法的有機(jī)結(jié)合。

通過合理假設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)一般利用局部線性化方法建立電液伺服系統(tǒng)的線性傳遞函數(shù)或線性狀態(tài)子空間模型，線性模型有利于應(yīng)用經(jīng)典控制理論進(jìn)行系統(tǒng)分析與控制設(shè)計(jì)。但是，電液伺服系統(tǒng)是本質(zhì)非線性系統(tǒng)，存在死區(qū)、飽和、間隙、壓力-流量增益等非線性特征，針對(duì)液壓缸非線性動(dòng)態(tài)特征復(fù)雜多變的特性，非線性因素對(duì)電液伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響不容忽視，因此應(yīng)引入非線性動(dòng)力學(xué)理論和方法分析電液伺服系統(tǒng)的特性。

3.3 模糊PID 控制器設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)建模完成后進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)、修改和仿真分析。首先，用模糊推理系統(tǒng)編輯器設(shè)定輸入（出）的變量個(gè)數(shù)及名稱，并確定各種邏輯關(guān)系的計(jì)算方法。變量通常從誤差、誤差的變化以及誤差變化的速率中選擇兩個(gè)，本系統(tǒng)的輸入變量分別為速度偏差E 和偏差變化率EC，輸出變量為模糊PID控制器的三個(gè)整定變量KP、KI、KD，最后可確定各種邏輯關(guān)系的計(jì)算方法。之后，使用隸屬度函數(shù)編輯器確定輸入（出）的隸屬度函數(shù)自己集合、論域。然后編寫模糊控制規(guī)則，選擇不同變量件的連接關(guān)系以及輸入權(quán)重后添加輸入變量。最后，使用模糊控制規(guī)則觀察器和曲面觀察器觀察模糊推理器的輸入相應(yīng)的變量參數(shù)和每個(gè)輸出變量與輸入變量之間的推理關(guān)系，生成曲面圖觀察變化趨勢(shì)和連續(xù)程度。完成模糊控制推理系統(tǒng)編輯后，可以開始搭建PID 控制模塊，并加入輸出限幅環(huán)節(jié)。

3.4 系統(tǒng)控制流程

低速精細(xì)流量電液伺服系統(tǒng)的控制程序需要實(shí)現(xiàn)三部分功能，一是采集滑塊的位置和壓力信息，根據(jù)計(jì)算速度給出計(jì)算偏差E 和計(jì)算偏差率Ec 兩個(gè)變量；二是根據(jù)控制系統(tǒng)模型給出的模糊PID 控制器規(guī)則建立模糊PID 控制器；三是控制比例伺服泵閥輸出流量驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)。

4 技術(shù)特點(diǎn)

（1）液壓控制系統(tǒng)采用數(shù)字比例伺服技術(shù)，具有閥集成閉環(huán)軸控制功能，與數(shù)字式軸控制器配合使用實(shí)現(xiàn)閉環(huán)軸控制功能。

（2）液壓控制系統(tǒng)采用壓差補(bǔ)償技術(shù)，通過壓力補(bǔ)償器保證數(shù)字型液壓伺服閥油口P 和A 或P 和B之間的恒定壓差，當(dāng)液壓伺服閥的開口保持穩(wěn)定時(shí)，在負(fù)載波動(dòng)情況下能夠提供恒定的工作流量，一定壓差范圍內(nèi)避免了負(fù)載效應(yīng)。

（3）電氣控制系統(tǒng)采用伺服高精度技術(shù)，通過DELTA 運(yùn)動(dòng)控制器采集到的磁致伸縮位移傳感器位置反饋數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整比例閥開度，從而達(dá)到實(shí)時(shí)控制沖壓成形速度的目的；通過速度、位置、壓力調(diào)整，實(shí)現(xiàn)液壓缸柔性控制，能更好的控制設(shè)備的成形效果，提高產(chǎn)品品質(zhì)。

（4）電氣控制系統(tǒng)采用冗余和可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，控制器預(yù)留富余的通信接口及I/O 點(diǎn)數(shù)，可滿足后期設(shè)備各項(xiàng)系統(tǒng)功能擴(kuò)展的需求；數(shù)據(jù)傳輸方式采用PROFINET 環(huán)形冗余工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，傳輸速率高且故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)單，可充分保障各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。

（5）電氣控制系統(tǒng)采用智能故障診斷技術(shù)，系統(tǒng)采用的故障診斷法基于故障樹分析法，從一個(gè)可能的故障開始，自上而下、層層尋找頂層故障的直接原因和間接原因，直至最基本原因。并將各狀態(tài)節(jié)點(diǎn)故障條件轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)程序流程，來實(shí)時(shí)判斷現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障。結(jié)合設(shè)備報(bào)警功能，故障發(fā)生后及時(shí)觸發(fā)診斷流程程序，進(jìn)行故障定位，通過故障編號(hào)進(jìn)行故障庫檢索，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)故障處理。

5 結(jié)語

本文介紹了一種薄板成形壓機(jī)低速精細(xì)流量電液伺服控制系統(tǒng)技術(shù)方案，包括液壓伺服系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及模糊PID 控制系統(tǒng)構(gòu)成、伺服系統(tǒng)建模、模糊PID 控制器設(shè)計(jì)及統(tǒng)控制流程等。通過技術(shù)路徑選擇、控制策略及控制算法研究、伺服系統(tǒng)軟硬件體系架構(gòu)規(guī)劃、系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)等方面的研究，開發(fā)的低速精細(xì)流量電液伺服系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、精度高、抗過載能力強(qiáng)，且平穩(wěn)可靠等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)薄板成形壓機(jī)板片壓制成形工藝要求，其相關(guān)技術(shù)亦可推廣應(yīng)用于其他智能產(chǎn)線及裝備控制。