摩擦焊機電液比例軸向壓力控制系統仿真和PID控制研究

鐘飛飛，辛舟，2

(1. 蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州730050;2. 蘭州理工大學數字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室，甘肅蘭州730050)

YPTZ4501-4 摩擦焊機的軸向壓力控制采用電液比例溢流閥實現摩擦焊機摩擦壓力和頂鍛壓力的控制，軸向壓力控制的穩定性和響應速度都直接影響到焊接質量。在無PID 控制的閉環狀態下，穩定性和響應速度都很不穩定，經過閉環狀態下PID 校正，提高響應速度和穩定性。

1 電液比例軸向壓力控制系統數學模型的建立

YPTZ4501-4 摩擦焊機的電液比例軸向壓力的閉環控制系統可簡化為一個比例溢流閥、一個比例方向閥及軸向施力油缸。其中軸向壓力的大小是由比例溢流閥所控制，比例溢流閥可簡化為一個典型的二階振蕩環節，其數學模型如下:

式中:ω0、ξ0分別是比例溢流閥的固有頻率和系統阻尼比。

電液比例換向閥液阻傳遞函數如下:

綜上可得系統的傳遞函數:

式中:Ku為比例放大環節，即為比例溢流閥壓力增益;Kf為壓力傳感器的傳遞函數，即壓力傳感器的增益。

2 電液比例軸向壓力控制系統仿真分析

根據系統數學模型建立的Simulink 仿真模型如圖1 所示。

圖1 閉環控制系統的仿真模型

根據比例溢流閥的相關參數可得:ω0=45 rad/s，ξ0=0.9;摩擦焊機控制系統的相關參數cx=8.5 ×10－5m3/ (MPa·s)，β =700 MPa，V =2.625 ×10－3m3，R=6 000 MPa·s/m3;Ku=3.6，Kf=0.2。可作出摩擦焊機電液比例軸向壓力控制系統伯德圖和階躍曲線，分別如圖2、3 所示。

圖2 電液比例軸向壓力閉環控制系統伯德圖

圖3 電液比例軸向壓力閉環控制系統階躍響應曲線