電液比例技術在快速鍛造液壓機中的應用

郭志偉

太原重工股份有限公司技術中心，山西太原 030024

1 比例技術概述

隨著近代科學技術的發展，人們已經對各個行業不同的生產工藝過程有了較為深入的研究，并且能夠建立出這些工藝過程的數學模型，因而對其工藝過程的控制提出了比較高的要求。現代微電子技術在20 世紀末得到了非常迅猛地發展，特別是計算機技術的廣泛應用，為實現各種復雜工藝過程的最佳控制提供了非常強大的技術基礎。因而，工程控制理論已經逐步從軍事和航空領域，大量地應用于工業領域。電液比例技術作為連接現代微電子技術和工程控制設備之間的橋梁和紐帶，已經成為現代工程控制技術的基本構成之一[1]。

從廣義上來說，在應用液壓和氣壓的傳動與控制的工程系統中，凡是系統的輸出物理量，如壓力、流量、位移、速度等，都能隨輸入參數的變化連續成比例地進行控制，因此，這種控制方式稱之為比例控制系統[1]。在工程實際應用中，根據輸入信號類型的不同，將控制對象分為模擬式電液比例元件和數字式電液比例元件；而根據控制系統構成的結構特點來區分，又可分為電液伺服控制系統和電液比例控制系統；而類似于傳統的液壓控制系統，按功率單元的不同，又可將比例控制系統分為節流控制系統和容積控制系統，后者又可分為液壓泵調節和液壓馬達調節。

2 電液比例控制的技術特征

在快速鍛造液壓機中，電液伺服控制系統和電液比例控制系統都有應用，這兩種系統配置是根據運動機構所執行不同的工藝過程而制定的，其控制元件的性能特點在很多方面有較大區別。在表1 中列出了兩種控制元件主要性能參數的對比。

表1 電液伺服閥與電液比例閥參數對比

在表1 中可以看出，電液伺服閥和電液比例閥除了中位死區這一參數相差較大外，在滯環、響應靈敏度等主要穩態特性上基本相當，而工作頻率范圍則需要根據其性能特點滿足不同的應用場合。

圖 1 電液比例控制系統原理

在快速鍛造液壓機中，負責換砧和承載的工作臺和砧子橫移裝置都是水平運動的機構，其負載在運行過程中基本保持不變，具有動作頻率低、響應速度快、定位精確等特點，因此在液壓系統設計時采用的是節流調速的電液比例控制系統，其原理見圖1。

如圖1 所示，電液比例使能閥（普通邏輯閥）接通后，控制油就從比例先導閥流入主閥，激活了主閥芯方向與開口度的控制，從P 口來的公共油源保持流量不變，通過給定電壓信號的正負實現工作臺和砧子橫移裝置的移動方向，通過調節電壓信號的大小實現兩套執行機構的移動速度。因為在正常鍛造過程中工作臺與砧子橫移裝置要盡量保持在靜止狀態，保證活動橫梁在加載過程中不出現突然釋載或偏載的情況，因此在這種場合應用中位死區較大的電液比例閥是非常合適的，其有效的避免了由于系統內部泄露所導致的執行機構無命令偏置的情況，減少了故障發生的次數，提高了生產效率。

快鍛壓機中的核心機構是活動橫梁，其較之工作臺和砧子橫移裝置有運動慣量大，負載變化范圍寬，動作頻率高等特點，且因為它是在垂直方向做往復運動，因此控制難度較大。在液壓系統設計時，根據其運動特性采用的是節流調速的電液伺服控制系統，其原理見圖2。

圖 2 電液伺服控制系統原理

電液伺服使能閥的功能和電液比例使能閥是相同的，都是起到激活主閥芯控制的作用。從圖2 中可以看出，活動橫梁的控制其實是旁路節流調速的控制系統，其在快速鍛造中的運動過程是：加載→卸壓→大量排油→回程→加載，這樣往復運動的頻次對于一臺中等噸位的壓機來說要求達到每分鐘60～70次，因此電液伺服閥的開關頻率要求小于1Hz；而且如果要在活動橫梁運動過程中找出其快速性與穩定性的最佳平衡點的話，則卸壓→大量排油這一過程的時間通常要在500ms 左右，這是經過大量現場調試工作得出的經驗值。所以綜合考慮活動橫梁的工藝過程，選用中位死區較小的電液伺服閥是比較合適的，在提高了伺服閥開口度分辨率的同時，增強了執行機構的可調節性。

3 控制軟件的設計

與模擬控制系統不同，數字控制系統的基本控制方法是依靠專業軟件作為平臺，通過編程實現的，這種方式使得控制方法的改變與相關系統參數的修正變得十分快捷；而隨著計算機硬件配置的不斷提升，其運行速度有了較大幅度的提高，所以能夠實現運用復雜及運算量較大的數學算法對各種不同地工藝過程進行控制[2]。

目前，快速鍛造液壓機中應用最多的控制器是PLC（可編程控制器），其具有可靠性高、編程語言類型豐富、與外設接口簡便等優點。PLC 經過幾十年的發展，由最初只能進行邏輯運算到現在可進行各種復雜的控制算法，其運算速度有了大幅提升，循環掃描時間極短，能夠充分適應電液比例控制系統和電液伺服控制系統的高頻響應、計算精確的要求。PID 控制算法是在工業控制系統中應用最為廣泛的，該算法不僅快速有效，而且控制程序結構簡單，執行時間短，通常能夠滿足系統實時性的要求。

PID 控制算法的基本思路就是將輸出量與輸入量的偏差信號經過比例（P）、積分（I）、微分（D）運算后作為新的輸出量（在電液控制系統中是對比例閥或伺服閥的輸出量），即

式中：E(t) — PID 算法的輸出量；

e(t) — PID 算法的輸入量；

Kp — 比例系數；

TI — 積分時間常數；

TD — 微分時間常數；

在數字控制系統中，可采用離散的數值差分方程代替連續的微分方程，用求和的方法代替積分，則方程式表示為：

在PID 控制算法的編程中要注意以下幾個問題：

1）在系統控制的起步階段，由于輸出量與輸入量的偏差信號較大，因此系統的超調量就會比較大，所以如果積分運算在控制系統中的作用很明顯的話，其超調和振蕩過程就會持續較長的時間，這時就應該將積分運算的作用減小到最弱的程度或暫停其控制功能，在控制系統穩定后再啟動其控制功能，并且根據系統控制過程的要求實時地增強或減弱積分運算的作用[2]；

2）液壓控制系統雖然固有頻率比較高，但其阻尼比較小，在PID 算法的參數整定過程中，通常要選較小的KI 值和較大的KD 值，以此來避免控制系統不穩定所造成的不良后果[2]。在快速鍛造液壓機中，主機構和其余的輔助機構都屬于液壓定位控制系統，由于油缸位置對輸入的控制流量本身具有積分作用，因而KI 對改善系統的精度效果并不明顯，所以在實際應用中，只對比例環節進行調節，而不引用積分和微分環節。

4 結論

電液比例控制技術的發展，使工業領域的控制技術進入了現代工程控制的新行列，在各個行業不同程度地確立了電液一體化的技術優勢，而構成電液比例系統的液壓元件，卻是將新的加工與制造技術融入到傳統的邏輯型和伺服型元件中發展起來的。它們所依據的基礎理論和基本結構形式是完全相同的，基本控制物理量通常就是流量和壓力。電液比例技術具有無可比擬的優勢，它的應用能夠將液壓技術、微電子技術和計算機技術融為一體，其發展前景無限廣闊。從液壓元件的控制輸入信號角度來看，電液比例控制是多種控制信號中的一種，除了電液控制以外，還包括電動控制、機動控制、手動控制等。因此，控制元件發展至今的顯著特征，就是適用于多種控制輸入方式，使元件能夠滿足不同生產工藝過程、不同技術層次的需求[1]。

[1]吳根茂，等.新編實用電液比例技術.杭州：浙江大學出版社，2006，9：1-2，5.

[2]阮健.電液(氣)直接數字控制技術.杭州：浙江大學出版社，1999，6：269-270.