電液比例閥的雙閉環(huán)控制技術(shù)及應(yīng)用
在干粉成型液壓機(jī)中,電液比例閥是核心執(zhí)行組件,其控制性能對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量具重大影響。采用單閉環(huán)控制的干粉成型液壓機(jī)在投人生產(chǎn)之初能夠較好滿足生產(chǎn)、質(zhì)量需要,但是隨著產(chǎn)品精度要求的提高和生產(chǎn)節(jié)拍的加快,干粉成型液壓機(jī)不能適應(yīng)新產(chǎn)品要求。為此,對(duì)干粉成型液壓機(jī)中電液比例閥采用了雙閉環(huán)控制方法進(jìn)行控制,就達(dá)到了較高的精度。
1.單閉環(huán)系統(tǒng)的控制特性
在干粉自動(dòng)成型液壓機(jī)中,電液比例閥用于精度需求最高的下主缸,單閉環(huán)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制原理圖如圖33所示,系統(tǒng)控制框圖如圖34所示。該系統(tǒng)的負(fù)載主要是慣性負(fù)載,其他負(fù)載可忽略不計(jì),由此,簡(jiǎn)化后的函數(shù)框圖如圖35所示。
由此可以得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
(5-6)
式中:Ka為比例放大環(huán)節(jié)的電放大系數(shù);K為油的彈性模量;k′為比例閥主閥放大系數(shù),k為比例閥內(nèi)彈簧剛度;G1(s)為比例放大環(huán)節(jié),G1(s)=ka;G2(s)為電液比例閥的傳遞函數(shù),C2(S)= (k′)/(fs+k);G3(s)為液壓缸和慣性負(fù)載的傳遞函數(shù)。為
式中:Kq為流量常數(shù),f為液壓油摩擦系數(shù);A為液壓缸的作用面積;ωh為液壓缸的固有頻率;ξh為液壓缸的阻尼系數(shù)。
則單閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
(5-7)
式中:H(s)為位移傳感器的傳遞函數(shù),H(s)=Kfx。
2. 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)
在原單閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)再加入一個(gè)小閉環(huán),增加比例閥閥心的位置反饋,形成局部小閉環(huán),嵌入原系統(tǒng)內(nèi),形成了新的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。對(duì)比例閥閥心的位置反饋控制可以提高比例閥的響應(yīng)頻率,從而改進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的控制特性。原系統(tǒng)內(nèi)的比例放大器改為PID調(diào)節(jié)器,使改進(jìn)后的系統(tǒng)增益可調(diào),參數(shù)調(diào)整方便。改進(jìn)后的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)電路圖如圖36所示,系統(tǒng)控制框圖如圖37所示,系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖38所示。
由比例閥的開環(huán)傳遞函數(shù),可得小閉環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
(5-8)
式中:GPID(s)為小閉環(huán)中PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)。為
Kp2、T2、Td2均為常數(shù);H2(s)為比例環(huán)節(jié),H2(s)=Kfx2。
則大閉環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為
G′(s)=G′1(s)×Фi(s)×G3(s) (5-9)
大閉環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
Ф′(s)=G′(s)/[1+G′(s)×H1(s)] (5-10)
3.系統(tǒng)仿真分析
根據(jù)式(5-6)和式(5-7),對(duì)單閉環(huán)和雙閉環(huán)系統(tǒng)采用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真分析,其中單閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖39所示。單閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度為±0.05mm。對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)采取同樣的處理方法,得到的階躍響應(yīng)曲線如圖40所示。從兩種系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線得出如下仿真分析結(jié)果:?jiǎn)伍]環(huán)系統(tǒng):穩(wěn)定時(shí)間1.5s,穩(wěn)態(tài)誤差±0.05mm;雙閉環(huán)系統(tǒng):穩(wěn)定時(shí)間1.2s,穩(wěn)態(tài)誤差±0.015mm。
4.實(shí)驗(yàn)及結(jié)論
在干粉自動(dòng)成型液壓機(jī)上進(jìn)行兩種系統(tǒng)對(duì)比實(shí)驗(yàn),測(cè)試結(jié)果為:?jiǎn)伍]環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間1.72s,10次重復(fù)測(cè)量穩(wěn)態(tài)誤差±0.05mm,系統(tǒng)壓力不穩(wěn)、振動(dòng)較大,產(chǎn)品的密度一致性偏差大;雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間1.2s,10次重復(fù)測(cè)量穩(wěn)態(tài)誤差±0.02mm,系統(tǒng)壓力較穩(wěn)、振動(dòng)較小,產(chǎn)品的密度一致性偏差小。
改造為雙閉環(huán)系統(tǒng)后,系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間縮短了21%,控制精度得以提高,對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、加快生產(chǎn)節(jié)奏起到重要作用。