電液比例閥的雙閉環(huán)控制技術及應用

在干粉成型液壓機中，電液比例閥是核心執(zhí)行組件，其控制性能對產(chǎn)品的質量具重大影響。采用單閉環(huán)控制的干粉成型液壓機在投人生產(chǎn)之初能夠較好滿足生產(chǎn)、質量需要，但是隨著產(chǎn)品精度要求的提高和生產(chǎn)節(jié)拍的加快，干粉成型液壓機不能適應新產(chǎn)品要求。為此，對干粉成型液壓機中電液比例閥采用了雙閉環(huán)控制方法進行控制，就達到了較高的精度。

1．單閉環(huán)系統(tǒng)的控制特性

在干粉自動成型液壓機中，電液比例閥用于精度需求最高的下主缸，單閉環(huán)系統(tǒng)計算機控制原理圖如圖33所示，系統(tǒng)控制框圖如圖34所示。該系統(tǒng)的負載主要是慣性負載，其他負載可忽略不計，由此，簡化后的函數(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：K_a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)=k_a；G₂(s)為電液比例閥的傳遞函數(shù)，C₂(S)= (k′)/（fs+k）；G₃(s)為液壓缸和慣性負載的傳遞函數(shù)。為

式中：K_q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；ω_h為液壓缸的固有頻率；ξ_h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)=K_fx。

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)。對比例閥閥心的位置反饋控制可以提高比例閥的響應頻率，從而改進整個系統(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，使改進后的系統(tǒng)增益可調(diào)，參數(shù)調(diào)整方便。改進后的雙閉環(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：G_PID(s)為小閉環(huán)中PID調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)。為

K_p2、T₂、T_d2均為常數(shù)；H₂(s)為比例環(huán)節(jié)，H₂(s)=K_fx2。

則大閉環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

          G′(s)=G′₁(s)×Ф_i(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)，對單閉環(huán)和雙閉環(huán)系統(tǒng)采用MATLAB軟件進行了仿真分析，其中單閉環(huán)系統(tǒng)的階躍響應曲線如圖39所示。單閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制精度為±0.05mm。對雙閉環(huán)系統(tǒng)采取同樣的處理方法，得到的階躍響應曲線如圖40所示。從兩種系統(tǒng)的階躍響應曲線得出如下仿真分析結果：單閉環(huán)系統(tǒng)：穩(wěn)定時間1.5s，穩(wěn)態(tài)誤差±0.05mm；雙閉環(huán)系統(tǒng)：穩(wěn)定時間1.2s，穩(wěn)態(tài)誤差±0.015mm。

4．實驗及結論

在干粉自動成型液壓機上進行兩種系統(tǒng)對比實驗，測試結果為：單閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時間1.72s，10次重復測量穩(wěn)態(tài)誤差±0.05mm，系統(tǒng)壓力不穩(wěn)、振動較大，產(chǎn)品的密度一致性偏差大；雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定時間1.2s，10次重復測量穩(wěn)態(tài)誤差±0.02mm，系統(tǒng)壓力較穩(wěn)、振動較小，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)定時間縮短了21%，控制精度得以提高，對保證產(chǎn)品質量、加快生產(chǎn)節(jié)奏起到重要作用。