液压卷板机智能同步控制系统研究.pdf

第 4期 2 0 1 6年 4月 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y D e s i g nMa n u f a c t u r e 2 3 1 液压卷板机智能同步控制 系统研究 李 东和 辽宁省交通高等专科学校， 辽宁 沈阳1 1 0 1 2 2 摘要 基于对某造船厂所使用的多辊卷板机进行改造， 并以改造后设备控制系统作为研究对象。 通过对卷板机液压同 步系统进行控制， 设计了一套完整的液压比例闭环控制系统， 由于卷板机机械设备老化造成的系统误差， 两侧压机不能 保证同步进行， 压板南北两侧曲率半径存在差异， 在此基础上设计了液压卷板机智能同步控制系统， 通过对比例同步控 制系统进行数学建模和仿真分析， 验证了系统设计的可行性， 改善 了同步系 统性能， 提高了产品质量。 关键词 多辊子卷板机； 液压同步系统； 液压比例控制； 建模仿真 中图分类号 T H1 6 ； T Q 0 8 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 6 0 4 0 2 3 1 0 3 Re s e a r c h o n I n t e l l i g e n t S y n c h r o n i z i n g Co n t r o l Sy s t e m o f Hy d r a u l i c Cr i mp e r LI Do n g -h e L i a o n i n g P r o v i n c i a l C o l l e g e o f C o m m u n i c a t i o n s ， L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 1 2 2 ， C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e r ， B a s e d o n e q u i p m e n t r e f o r mi n go fm o r e t h a n o n e r o l l e r c r i m p e r u s e d b y a s h y ard ， a n d t h e e q u ip m e n t c o n t r o l s t e m W as u s e d as t h e r e s e a r c h o b j e c t ． T h r o u g h t o c o n t r o l t h e h y d r a u l i c s y n c h r o n o us s t e m ofc r i m p e r ， d e s i g n e d a s e t of c o m p l e t e h y d r aul i c p r o p o r t io n a l c l o s e d l o o p c o n t r o l s t e m ． A g e i n g of t h e h y d r aul ic c ri m p e r e q u ip me n t c a u s e d s t e m E F F o I 8 ， b o t h s i z e ofp r e s s C an n o t g u t ant e e s y nch r o n iz a t i o n ， t h e r e w e r e d iffe r e nce s i n t h e c u r v at u r e r a d i us b e t w e e n n o rt h a n d s o u t h O n b o t h s id e s of t h e p r e s s u r e p l ate ．O n t h i s b asis ，i n t e l l ig e n t s y n c h r o n i z i n g c o n t r o l s t e m of h y d r aul ic c r i m p e r W a S des i g n e di nt h i s p ap e r ． An dma t h e matica l mo d e l i n gan d s i mu l ati o nana l y s is W as c a r r i e d o u t o nt h e pr o p o rt ion a l s y nch r o n ization c o n t r o l s t e m，v e r t e d t he f e asi b i l i t y of s t e m如s 凡船f f y ，i m p r o v e d t h e s y nch r o n iz i n g s t e m p e arm a nce ，r a i s e d pr o d u c t q u a l i t y ． Ke y W o r Mo r e t h a n On e Ro l l e r Cr i mp e r ； Hy d r a u l i c S y n c h r o n i z i n g S y s t e m； Hy d r a u l i c Ra t i o Co n t r o l ； M o d e l i n g a nd S i mu l a t i o n 1引言 液压同步系统广泛应用于大型压力机、 大型液压折边机、 液 压卷板机、 液压专机等机械设备， 液压缸的同步运行是设备加工 产品质量的重要保证， 同步系统的动态性能也直接影响系统的动 态性能， 尤其是在负载较大的工况下， 由于液压系统的非线性， 时 变性， 多缸运动交叉耦合影响『 l1 ， 实现布局较远的多缸同步运行往 往需要人工智能控制方法与闭环同步技术相结合。 液压系统闭环 同步技术与开环同步技术不同， 他不仅仅依靠执行机构本身的精 度来实现同步，还要通过对执行机构的输出量进行检测和反馈， 从而进行比较来构成闭环控制。 基于对某造船厂所使用的多辊卷 板机进行改造， 利用智能控制策略与闭环同步系统改善液压同步 系统性能， 使其南北两侧工作辊的垂直运动精度大大提高。 常见的液压卷板机在工作时下辊往往提供一定的夹紧力。 与上辊联合夹紧钢板， 当南北两侧油缸在压紧过程中出现不同步 现象时， 上下两辊不平行 ， 压板即会倾斜， 两侧曲率半径将有所 差异， 卷板质量降低。目前对于压板的测量 ， 我们采用球栅尺， 通 过球栅尺可以直观的看出两侧辊轮下降或者上升的位移。首先 ， 在任意位置时将球栅尺清零， 然后操作设备使辊轮上升或者下降 一 定的距离， 记录球栅尺的读数， 比较南北两侧尺的度数， 从而判 断两侧油缸位移是否一致。 实际工作中， 我们发现当空载时， 可以 保证两侧辊轮压下步调一致， 当加载时， 两侧位移具有一定的偏 差 ， 即滚板时板两侧的起弧不一致。我们用水平激光仪验证了设 备本身存在一定的机械间隙并且下辊未处于水平状态 ， 这时由于 设备老化所造成的系统误差 ， 通过调试发现， 实际正常滚板时， 南 侧油缸的实际位置要低于北侧油缸， 电子尺测量结果为南侧比北 侧油缸低 5 ．5 ra m左右。为了弥补这一问题， 采用位置闭环控制方 法来代替速度开环控制方法， 结合人工智能控制方法 ， 使卷板机 南北两侧油缸运行时位置一致，从而满足现场提出的基本要求， 保证两侧辊轮在滚型时相差不超过 3 m m。 来稿 日期 2 0 1 5 0 8 2 0 作者简介 李东和， 1 9 6 7 一 ， 男， 辽宁沈阳人， 研究生， 副教授， 主要研究方向 机械设计与制造 2 3 2 李东和 液压卷板机智能同步控制系统研究 第4期 2卷板机液压闭环同步系统设计与分析 卷板机液压同步系统由于本身固有问题如非线性摩擦阻 力 、 控制元件性能差异、 系统泄漏、 制造误差、 油液可压缩性、 结构 弹l生 变形以及油液中的含气量等，将造成多执行机构的同步误差， 使执行机构运行不同步 ， 若要保证卷板机两侧油缸同步运行 ， 可以 采用流量控制方式或位置控制方式， 为了弥补累积误差和设备老化 造成的系统误差， 提高控制效率， 我们采用位置控制方式， 选择两液 压缸的位移差作为控制量。系统选用力士乐 4 WR E型带位置反 馈的电液比例换向阀， 液压系统原理， 如图 1 所示。 系统中电液比例方向阀自带有位置反馈装置， 具有高频响、 高精度的特点目 ， 并且实现换向的同时， 具有节流调速的特点， 当 两侧油缸位置不同时， 换向阀依靠阀口的调节就可以达到速度追 平的目的， 避免了液压冲击和频繁换向。 另外， 卷板机工作时不仅 需要双辊进给， 滚板时需要保压， 故回路中加入液压锁 ， 当双侧上 油缸下落时， 我们需要采用充液阀补充油液， 整个系统采用双泵 并联的形式， 做到一用一备， 增强整个系统的可靠性。回路中， 阀 与柱塞缸组成了阀控缸动力机构， 且其为零开口滑阀， 具有线性 的流量增益特性， 故有较好的线性速度增益问 。 左大油 缸 右太油缸 1 ． 吸油过滤器 2 ． 变量泵 3 ．联轴器 5 ． 电动机 6 ． 电磁卸荷阀 7 ． 压力表组件 8 ． 两位四通换向阀 9 三位四通比例换向阀 1 n 两位两通换向阀 1 1 ， 1 2 ． 比 例溢流 阀 1 3 ．液控单向阀 1 4 ．液压锁 1 5 ．， J 、 油缸 1 6 ． 大油缸 图 1工业循环水系统演示装置原理图 F i g ． 1 Th e P r i n c i p l e o f I n d u s t r i a l Ci r c u l a t i ng W a t e r S y s t e m De mo n s t r a t i o n De v i c e 系统中电液比例方向阀自 带有位置反馈装置， 具有高频响、 高精度的特点， 并且实现换向的同时， 具有节流调速的特点圈 ， 当 两侧油缸位置不同时， 换向阀依靠阀口的调节就可以达到速度追 平的目的， 避免了液压冲击和频繁换向。 另外， 卷板机工作时不仅 需要双辊进给， 滚板时需要保压， 故回路中加入液压锁， 当双侧上 油缸下落时， 我们需要采用充液阀补充油液， 整个系统采用双泵 并联的形式， 做到一用一备， 增强整个系统的可靠性。回路中， 阀 与柱塞缸组成了阀控缸动力机构， 且其为零开口滑阀， 具有线性 的流量增益特陛， 故有较好的线性速度增益。 此设备需要建立南北两侧液压油缸的关系，通过搭建电气 控制平台来实现油缸同步运行， 控制对象电磁比例阀是控制系统 的核心部分， 控制系统原理框图， 如图2所示。根据“ 闭环补偿式 主从控制” 策略[6 1 ， 以北侧辊轮作为主动侧， 给定一个标准值即设 置为固定参照端 ， 南侧辊轮为跟随侧 ， 以两侧差值为指令信号进 行实时追踪调整。根据工艺要求， 卷板机分为平动运行和斜动运 行。 平动运行时， 以两侧位移差值 A P作为反馈值， 0作为目标值。 当判断两侧的高度差 A P 5 m m时，执行追平过 程 上升时， 位置低的一侧先追高的一侧， 追上后同时上升； 下降 时， 位置高的一侧先追低的一侧 ， 追上后同时下降； 斜动运行时， 以 运行过程中的A P 作为反馈值 ， 初始状态设置高度差 A P 作为 目 标值。斜动过程一直保持这个高度差运动。 在设备调试过程中， 为了保证两侧的右缸位置一样， 起初采 用 P I D追踪算法tT l ， 一侧比例阀开度保持不变， 另一侧在相同开度 的基础上通过 P I D运算实时补偿 ， 保证两侧位置一致， 由于系统 的非线性特点、 比例阀固有死区、 系统两支路执行元件性能差异、 系统载荷较大等问题。经典控制理论往往达不到所需的控制精 度， 为此对以带位置反馈式比例方向阀为核心的位移闭环控制系 统进行数学建模， 并分别采用经典控制策略及模糊 P I D控制策略 对系统进行控制， 基于 Ma t l a b ／ S i mu l i n k 仿真结果， 分析人工智能 控制方法的优越性， 最后运用到实际生产中。 图 2电液位置控制系统原理图 F i g ．2 E l e c t r o - H3 d r a u l i c P o s i t i o n C o n t r o l S y s t e m 3系统的动态分析与数学建模 设备采用的位置反馈式阀控缸的传递函数罔 女 Ⅱ 式 1 所示。 -“． K ce 查 ㈩ s 兰 s 1 式中 s 输出位移； 一流量增益系数； 一总流量压力 系数； A 液压缸作用面积； 厂缸进回油腔总容积 一油 液的等效体积弹性模量； 液压系统固有频率； 为液压阻 尼比； 既一负载力。 经计算该电液比例控制系统的固有频率为 2 7 ． 7 H z ，而电液 比例阀的固有频率为 1 8 H z ，故选取电液比例阀的传递函数为二 阶振荡环节嘲 ， 如式 2 所示。 G _ 一 2 s 1 ‘ 位移传感器和放大器的动态特性忽略， 其传递函数可以用 它们的增益表示。传感器增益为 K s I O V ／ m 3 根据以上确定的传递函数， 对于单缸动作的情况， 可画出液 压控制系统的方块图。系统开环传递函数为 G 为 G 式中 K『 _ 开环放大系数。 4 No ． 4 A p r ． 2 0 1 6 机 械 设 计 与 制 造 2 3 3 ． ． K oK 。 f Kq 一6 4 9 ． 4 K n 5 A ． 对 K加以调整， 最终选取K 为0 ． 5 5 ， 此时则可得 -- 8 ．3 x 1 0 。 4控制系统的 S i m u l i n k 仿真与调试 利用动态计算中获得的各个部件传递函数以及控制原理 图， 可以利用 S i m u l i n k 建立系统的仿真模型， 如图 3 所示。 图 3数字 P I D控制方法 S i m u l i n k 仿真 Fi g ． 3 Di g i t a l PI D Co n t r o l Si mu l a t i o n Mo d e l i n S i mu l i n k 根据仿真结果， 获得最优 P I D值分别为 8 、 I 0 ． 2 5 、 D -- 0 ， 把 值代人工厂生产实际调试中， 可看到采用数字 P I D控制方法进行 调试时， 液压卷板机的同步效果并不是很好， 这样被卷板曲率半 径两端不一致， 大大影响产品质量。 5模糊控制的 S i m u l i n k 仿真与调试 基于模糊控制理论对原有系统进行改进， 采用二维模糊输 入， 输入偏差 e 和偏差变化率 e c 两个量首先经过量化因子 和 变换到模糊论域上， 得到模糊量 e 和e c ， 之后生成模糊论域 上的两个模糊集E， E C， 根据输入的模糊量及模糊控制规则， 得到 模糊论域上的规则输出模糊量 ， 经过反模糊化处理， 得到控制 量 u ， 最后进行输出量化处理 ， 得到实际控制量 U I ’0 1 。已知两侧辊 轮在滚型时相差不超过 3 m m， 故偏差 E和偏差变化率 E C的 模糊论域设定为[ 一 3 ， 3 ] ， 输入输出变量的模糊子集均设为{ N B， N M， N S ， Z O， P S ， P M， P B} ， A K e 、 △ 、 A K 。的模糊论 域设定 为[ 一 0 ．3 ， 0 ． 3 ] 、 [ _ 0 ． 0 6 ， 0 ．0 6 ] 、 [ - 4 ， 4 ] 。 模糊控制规则制定， 如表 1 所示。 表 1模糊控制规则表 Ta b ． 1 F u z z y Co n t r o l Ru l e Ta b le NM 利用S i mu l i n k ， 建立系统仿真模型， 如图4所示。 这里将数字 P I D控制器更换为模糊 P I D控制器， 输入量也增加了偏差变化率 e c ， 运行程序得到结果， 如图5所示。 南于比例方向阀存在一定死 区， 设备刚刚启动时， 两辊差值较大， 之后由于模糊控制器发挥作 用， 使差值稳定在 0 ， 仿真结果说明模糊控制器的控制方法要优 于传统的数字 P I D控制方法， 我们将模糊控制方法应用于设备的 电控 系统中 ， 一 厂生产实际调试结果 ， 如图 6所示 。 图 4模糊 P I D控制方法 S i m u l i n k仿真 F i g ．4 Fu z z y P I D Co n t r o l S i mu l a t i o n Mo d e l i n Si mu l i n k 图 5模糊 P I D控制方法 S i m u l i n k仿真结果 F i g ．5 Re s ul t fil z z y P I D c o nt r o l s i mula t i o n mo d e l i n S i mu l i n k 图 6采用模糊 P I D控制方法的] 厂调试结果 F i g ． 6 F a c t o r y c o mmi s s i o n i n g r e s u l t s wi t h f u z z y P I D 6结束语 从上述仿真与实际工厂调试结果看来，该液压卷板机同步 控制系统采用智能模糊控制方法， 效果大大优于传统数字 P I D控 制方法， 把两辊行程误差控制在允许范同内， 改善了整个液压同 步系统性能， 大大提高产品质量。 参考文献 [ 1 ] 刘新良， 黄明辉， 湛利华． 液压机多缸同步系统的建模与解耦控制[ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 1 0 1 1 8 - 1 0 ． L i u Xi n l ia n g 。 Hu a n g Mi n g h u i ， Z h a n L i - h u a ． G i a n t Hy d r a u l i c P r e s s o f A c t i v e s y n c s y s t e mM o d e l i n g a n d C o n t r o l [ J ] ． M a c h i n e r y D e s i g n ＆M a n u f a c t u r e ， 2 0 1 0 1 1 8 - 1 0 ． [ 2 ] 胡汀． 卷板机液压同步系统的改造[ c ] ．设备维修与改造技术经验交流 会， 1 9 9 6 1 6 1 7 ． Hu T i n g ．Mo d i fi c a t i o n o f h y d r a u l i c b e n d i n g m a c h i n e s y n c h r o n o u s s y s t e m 【 C J ．E q u i p m e n t Ma i n t e n a n c e a n d R e t r o fi t T e c h n o l o g y E x c h a n g e Me e t i n g ， 1 9 9 6 1 6 1 7 ． 下转第 2 3 7页 册 一 肋 加 肋肋 肌 肌肋 册船 册 肼 一 扣 M肋 肋肋 删 肌 M船{￡ 阳 {￡ 一 i￡ M {￡w {￡ 髓 一 {￡ 肋朋 肋 {￡w 一 肌M呈 呈 胎 M{￡ 肋肋 w 一 星 己 册 肼M 加肋加}￡ 肋加 呈 呈 一 册 咫 -龟 M M 册 No ． 4 A p r ． 2 0 1 6 机械 设 计 与制 造 2 3 7 产生的流场作用下， 靠近液面的监测点 ， 其混合时间受影响较 大， 该影响在低转速下尤为明显。在相同的转速下 ， B点在 B型 桨下比A型桨缩短了大约 3 ～ 7 s 。监测点 P l 在 B型桨下的浓度 峰值较 A型桨明显减弱， 对于监测点 P 2 而言其峰值浓度受桨型 的影响不大。同转速下 B型桨较 A型桨的最终混合时间缩短了 约 3 s 的时间， 这是由于 B 型桨所产生的流场能较好的将槽内上 下区域物质流动连接起来 ， 促进上下区域混合 ， 从而缩短了整槽 混合时间。 这与文 - 所得到的上层桨为轴流桨底层桨为径流桨 在间距小于槽径条件下， 两桨之间容易形成连接流， 有利于物质 在槽内上下区域的传递的结论是一致的。 投料点为 时的浓度时间曲线， 如图 5 b 所示， 各监测点 均未出现明显的浓度峰值波动点， 所监测到的浓度值呈弧度曲线 上升。受 A型、 B型桨产生的流场影响， 在 A型桨下各监测点在 前期混合时， 三条曲线呈分离状 ， 而在 B型桨下三条曲线的分离 程度有所减弱， 其中， 尸 l 、 曲线基本重合 ， 这表明在混合过程中 这两点所监测到的浓度值差别不大， 这有利于降低实际生产过程 中所选测点的对浓度监测的影响。在相同转速下， B型桨的最终 混合时间要比A型桨缩短 3 9 s 。 5结论 ． 1 安放 B型桨的槽体内部示踪剂扩散速度比放置 A型桨 的槽体要快， 表明 B 桨型产生的流场对物质的扩散相对较好， 有 利于改善搅拌槽上下浓度分布不均现象， 也有利于处于上方监测 点对浓度的响应。 2 投料点、 监测点的位置选取对混合时间有一 定的影响， 需要选取一种更为合理的混合时间计算方法来降低人 为主观因素的影响。 3 将斜叶桨安方于上方的搅拌桨， 其最终混 合时间以及混合效果要优于直叶桨处于上方的搅拌桨， 实际结果 如何还需要进一步实验研究， 但其基本流动规律是可取的， 对其 它类型含径流桨和轴流桨的组合式搅拌桨的流场研究和桨叶位 置安放， 可提供借鉴和参考。 参考文献 [ 1 ] 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H y d r a u l i c s P n e u m a t i c s ， 2 0 1 2 4 8 9 - 9 2 ． [ 4 ] 柏艳红， 权龙， 郝小星．基于流量近似的阀控液压缸动力机构建模[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 1 4 2 4 I 7 9 - 1 8 5 ． B a i Y an- h o n g ， Q u a ． L o n g ， H a o X i a o - x i n g ．M o d e l i n g o f h y d r a u l i c v al v e - c o n t r o l l e d c y l i n d e r p o w e r m e c h ani s m b a s e d o n fl o w a p p r o x i m a t i o n [ J ] ． J o u r n alofMe c h a n i c alE n gi n e e r i n g ， 2 0 1 4 2 4 1 7 9 1 8 5 ． [ 5 ] 李其朋．直动式电液伺服阀关键技术的研究[ D ] ． 杭州 浙江大学。 2 0 0 5 ． L i Q i - e n g ．R e s e a r c h o n t h e k e y t e c h n o l o gyo f s t r alg h t m o v i n g t y p e e l e c t r o h y dra u l i c 8 e r v o v al v e [ D ] ． H ang z h o u Z h e j i a n g U n i v e rs i t y ， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 罗亚琴。 孙建忠， 刘然_基于转矩跟随主从控制策略的多电机同步控制 [ J ] ． 电机技术， 2 0 1 1 6 8 - 1 1 ． L u o Y a -- q i n ， S u n J i an- z h o n g ， Ⅱu R an．S y n c h ron i z a t i o n c o n t r o l i n mu l t i mo t o r s y s t e m b ase d o n t h e t o r q u e f o llo wi ng mast e r an d s l a v e c o n t r o l s t r a t e gy[ J ] ． E l e c t r i c a l M a c h i n e ryT e c h n o l o gy， 2 0 1 1 6 8 1 1 ． [ 7 ] 薛晨旭， 韩峻峰， 林川． 双电机同轴驱动系统功率追踪算法研究[ J ] ．计 算技术与自动化， 2 0 1 5 2 3 3 3 7 ． Xu e c h e n - x u 。 Ha n J u n - f e n g 。 nn C h u a n ．A l g o ri t h m