大型水壓機操縱系統間隙在線補償

楊俊，譚建平，舒招強

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大型水壓機操縱系統間隙在線補償

楊俊，譚建平，舒招強

(中南大學 機電工程學院，高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙，410083)

大型水壓機操縱系統的凸輪頂桿與閥桿的間隙影響了水壓機的控制精度和零部件更換的頻率，為了保證水壓機間隙增大情況下的控制精度和系統繼續工作能力，提高水壓機間隙故障的容錯能力，通過檢測操縱系統中油缸壓力瞬變時的凸輪轉角，與無間隙時的凸輪轉角對比，對間隙量進行在線檢測并補償，并采用模糊PID補償策略提高補償精度。通過模擬間隙為5 mm和10 mm的工況，對在線補償策略進行實驗驗證，對比無補償策略和有補償策略作用下的系統位移響應特性。研究結果表明：該在線補償策略能有效地解決大型水壓機操縱系統的間隙補償問題，對提高水壓機的控制精度、減少零部件的更換頻率有一定作用。

大型水壓機；操縱系統；間隙；在線補償

大型水壓機是航空航天、軍事國防和現代工業的重要戰略裝備，是一個國家工業化程度和國防實力的重要標志之一[1?2]。譚建平等[1]對國內最大的300 MN模鍛水壓機進行了改造，利用電液操縱系統代替原有的大扳把機構，實現了水壓機控制的自動化。該操縱系統由液壓驅動系統和凸輪頂桿式提閥開啟裝置組成。由于閥芯開啟力巨大和現場環境比較復雜，特別是開啟裝置中的凸輪頂桿與閥桿部分，由于載荷巨大和長期的使用經常出現磨損和變形的情況，導致凸輪頂桿和閥桿的間隙增大。間隙的存在對水閥的精確開啟有重要的影響，當凸輪頂桿與閥桿間隙變化時，閥芯的開啟高度發生變化，影響了水壓機系統的動態特性。憑操作者人工觀察并進行調整，誤差較大，特別是在自動鍛造過程中，程序無法對間隙變化進行實時修正。譚建平等[3]通過分析間隙情況下的水壓機系統動態特性，給出了水壓機正常工作情況下間隙的最大允許值，但并未給出解決間隙問題的有效方法。陳暉等[4]分析了水閥開啟速度對系統動態特性的響應，結果表明間隙是水壓機控制精度中的一個重要影響因素。工業現場針對間隙問題的通常解決辦法是憑工作人員的經驗定期更換裝置的凸輪頂桿和閥桿，這種解決方法簡單，但存在2個問題：1) 增加了零部件更換的頻率，導致了不必要的浪費，增加了企業成本；2) 在較小磨損和小變形情況下，由于閥芯開啟的規律發生了變化，導致控制精度不高，降低了產品質量。為了減少零部件的更換頻率和實時監測系統的健康狀況，提高水壓機控制的精度，在操縱系統中進行間隙在線預測補償，提高裝置在磨損和較小變形下的繼續工作能力。本文作者將凸輪頂桿與閥桿之間的間隙作為操縱系統的參考輸入補償量，反饋給操縱系統的目標轉角，實現間隙補償。具體來說，通過在線檢測操縱系統中油缸壓力瞬態時的凸輪轉角，與無間隙時的凸輪轉角對比，通過計算，得到1個間隙量，然后利用該間隙量對目標轉角進行修正，實現凸輪頂桿與閥桿間隙的補償。

1 操縱系統描述

大型水壓機的操縱系統示意圖如圖1所示，包括液壓傳動部分、控制部分、上位機部分及一套閥芯開啟裝置。液壓傳動部分包括泵站及其附屬設施，為操縱系統的工作提供動力；控制部分由PLC及附屬設備組成，包括接受上位機控制指令，為比例閥流量閥給定控制信息；上位機部分包括上位機及操作手柄等，主要提供控制的參考指令和系統狀態監控；閥芯開啟裝置由齒輪齒條、凸輪頂桿機構組成，將液壓缸的位移轉變成閥芯的位移，實現水壓機的啟閉過程。

1—壓力傳感器；2—液壓缸；3—齒輪齒條；4—凸輪頂桿；5—編碼器；6—進水閥；7—排水閥；8—比例閥

在凸輪頂桿系統中，凸輪的轉動帶動頂桿的上下移動，頂桿驅動閥桿，實現水閥閥芯的開啟與關閉。由于閥芯的結構是提閥結構，閥芯的開啟高度與凸輪的升程直接相關，當有間隙出現時，在同樣的輸入轉角下，閥芯開啟的高度小于期望的開啟高度。

2 補償原理

陳暉等[4]對水閥開啟力進行了研究，得到其開啟力具有瞬變重載的特點，所以，操縱系統系統中的油缸壓力也存在著瞬變。圖2所示為在線預測補償過程示意圖，圖3所示為補償的過程框圖。隨著間隙的增大，整個開啟力變化過程是向后移動的，根據文獻[4]，當頂桿接觸閥桿一段很短時間后，油缸中的壓力將出現1個瞬變值。通過角位移傳感器采集壓力出現瞬變時的凸輪轉角位置，并與無間隙情況下瞬變壓力出現時的凸輪轉角對比，在控制器中進行運算處理后，將補償值輸入控制指令，修正目標轉角值。將修正后的目標指令輸入液壓系統中的比例控制閥，實現間隙的檢測與補償。

圖2 補償過程示意圖

圖3 補償原理圖

設凸輪轉角的控制目標為，凸輪轉角的補償值為Δ，則補償值滿足以下函數關系：

其中：Δ為間隙量；()表示頂桿的升程與凸輪轉角的函數關系。當凸輪的輪廓曲線確定后，凸輪升程與轉角的函數關系是已知的，若能檢測到間隙量Δ，則由式(1)可解出控制目標凸輪轉角的補償值Δ。

以大型水壓機現場應用的等速凸輪頂桿為例，對補償原理進行進一步說明。該凸輪輪廓線是線性的，凸輪升程與凸輪轉角呈比例關系，即凸輪的升程與轉角的關系為

其中：為比例系數。由式(1)和(2)可知

其中：0為無間隙情況下，液壓缸壓力出現瞬變時的凸輪轉角；1為凸輪頂桿機構運行一段時間后，在有間隙情況下，實時檢測到壓力出現瞬變時的凸輪轉角。根據檢測到的間隙量，反饋修正凸輪的目標 轉角。

3 補償策略

間隙補償實質是一種在線修正目標值的電液伺服控制過程，為了提高控制精度，需要采用一些先進的控制策略。PID控制策略的是一種基于誤差去消除誤差的控制策略，不需要系統的精確數學模型，在工程控制應用領域得到廣泛應用[5?6]。其缺點在于控制量是3個參數的加權和形式，快速性與超調之間的矛盾很難得到完美解決。隨著控制器向數字化方向發展，限制加權和形式已經沒有必要[7?10]。作為PID的改進策略，自抗擾控制PID、模糊PID及其他智能PID等先進的PID控制策略得到了廣泛應用[11?14]。其中，模糊PID由于設計簡單、便于理解且具有較高的控制精度，在復雜的工業現場環境下得到廣泛應用[6]，特別是對于PLC作控制器的控制系統，模糊控制策略容易實現。為了提高預測補償的精度，將模糊PID控制策略應用于間隙的預測補償中。

模糊邏輯控制器基于語言變量，首先對輸入信號進行模糊化處理，然后基于經驗和專家知識進行模糊邏輯推理，最后解模糊化后得到控制信號。模糊PID控制策略以傳統的PID控制策略為基礎。

傳統的PID控制策略為

其中：P，I和D分別為比例系數、積分系數和微分系數。在傳統的PID控制策略中，這3個參數都是常數，輸出是這3個參數的加權和形式。模糊控制策略基于傳統PID，區別在于這3個參數是變化的。

模糊PID策略解決了傳統PID控制量是參數的加權和形式，以不同時刻的偏差和偏差的導數d作為輸入，以P，I和D為輸出，得到一個非線性的控制形式，建立模糊邏輯推理系統，其模糊控制器結構如圖4所示。

圖4 模糊控制結構圖

4 實驗

4.1 實驗設備

由于大型水壓機設備的重要性，不方便在其上進行現場實驗。根據前面的系統描述可知，操縱系統中凸輪的轉角和活塞桿的位移具有函數關系，即凸輪的升程與驅動油缸的活塞位移具有一一對應關系，所以，將在線預測補償策略在液壓實驗臺上進行驗證，通過分析活塞桿的位移響應特性驗證補償策略的有效性。

實驗臺的原理圖和實驗系統分別如圖5和圖6所示。蓄能器2和電機驅動的液壓泵1為系統提供穩定的壓力油，以減少輸入壓力波動對系統的影響。溢流閥9控制系統的最高壓力，起到溢流保護作用。比例溢流閥8作為系統的負載使用，可以方便調節系統的外負載力。比例閥7接受控制器3的指令，控制液壓缸的運動?？刂葡到y的硬件部分由PC機、工控機PLC和數據采集卡共3個傳感器組成。軟件部分采用西門子公司自帶的PLC編程軟件，控制界面采用winCC6.0編制，方便控制信號與相關參數的設定和數據存儲。

1—泵；2—蓄能器；3—控制器；4—位移傳感器；5—液壓缸；6—壓力傳感器；7—比例伺服閥；8—負載溢流閥；9—溢流閥

(a) 控制部分；(b) 液壓部分

4.2 間隙的模擬

在實驗室直接建立具有凸輪頂桿與閥桿間隙的平臺比較復雜，文獻[4]說明了當間隙量增大時，瞬變壓力出現的轉角位置會后移，通過在不同的位置啟閉溢流閥模擬不同間隙。負載溢流閥作用時，液壓缸的出油壓力會出現1個瞬變值。圖7所示為進出油口的壓力曲線。由圖7可知：系統的進油壓力是比較穩定的，當溢流閥開始作用時，系統出現了明顯的壓力瞬變過程，波動的幅值取決于溢流閥設定的溢流壓力。

圖7 瞬態壓力沖擊曲線

模擬不同間隙下的溢流閥作用情況，在無間隙情況下，設定活塞桿位移到185 mm，溢流閥出現溢流壓力的瞬變，作為標準參考值，如表1所示。當間隙為5 mm和10 mm時，按照前面的分析，溢流閥出現壓力瞬變的位置將會后移5 mm和10mm，即為190 mm和195 mm。

表1 不同間隙量模擬

4.3 結果與討論

在無間隙情況下，給定活塞桿的目標位移為200 mm，溢流閥觸發位置在185 mm處。圖8所示為無間隙情況下的液壓系統位移響應曲線，在185 mm處位移出現了1個臺階，說明在負載壓力突然增加的瞬間，活塞桿處于暫時停止狀態。最終活塞位移到201 mm時停止，與目標值比較，其誤差為1 mm。

圖8 無間隙時的系統響應

當間隙為5 mm時，補償前后的系統位移響應曲線如圖9所示。理論上，當間隙增加5 mm后，按照表1，此時溢流閥開啟作用的位置在190 mm處，活塞桿的目標位移應該增加5 mm，即為205 mm。

1—補償前；2—補償后

補償前，瞬變壓力出現在190 mm處，活塞停止在201 mm處，與目標值205 mm比較，誤差為4 mm；而補償后，瞬變壓力出現在190 mm處，活塞的停止位置在206 mm處，誤差為1 mm。

當間隙為10 mm時，補償前后的系統位移響應曲線如圖10所示。理論上，當間隙增加10 mm后，按照表1，此時溢流閥開啟作用的位置在195 mm處，活塞桿的目標位移應該增加10 mm，即為210 mm。

1—補償前；2—補償后

補償前，瞬變壓力出現在195 mm處，活塞停止在201 mm處，與目標值201 mm比較，誤差為9 mm；而補償后，瞬變壓力出現在195 mm處，活塞的停止位置為211 mm，誤差為1 mm。

對比圖9和圖10分析不同間隙情況下的補償效果，對比結果如表2所示。

表2 不同間隙時的補償效果對比

由表2可知：補償前，隨著間隙增加，實驗值與目標值誤差越來越大；當間隙由0 mm增加到10 mm后，其誤差相應增加；采用補償策略后，誤差與間隙沒有關系，始終為1 mm。這說明采用在線補償后，間隙的影響得到消除，表明了補償策略的有效性，同時也說明采用補償策略后，在一定的磨損和變形情況下，凸輪頂桿裝置具有繼續工作的能力。但由于所用的位移傳感器的精度和外界干擾的原因，該在線補償策略的誤差至少有1 mm。選用高精度的位移傳感器和提高補償策略魯棒性還需要更進一步研究。

5 結論

1) 針對大型水壓機凸輪頂桿與閥桿的間隙問題，提出利用檢測液壓缸壓力瞬變出現時凸輪轉角位置對間隙量進行檢測，并提出了在線補償策略對間隙進行補償。

2) 以直線輪廓凸輪為例，對補償策略進行了驗證，證明了補償策略在的可行性。并提出利用模糊PID控制策略提高補償的精度。

3) 通過對間隙進行在線補償，提高了操縱系統間隙故障情況下的容錯能力，并為故障情況下的高精度水閥開啟提供了參考。

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Online compensation of gap in large hydraulic press operation system

YANG Jun, TAN Jianping, SHU Zhaoqiang

(State Key Laboratory of High Performance Complicated Manufacturing,School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083 China)

The gaps between the cam follower and the valve stem of large hydraulic press control system affect the control accuracy and parts replacement frequency in large hydraulic press. In order to improve the control accuracy and fault tolerance capacity when the gap increases, control and fuzzy PID compensation strategy were used by detecting the cam angle when cylinder transient pressure appears and by comparing with the normal cam angle. Experimental verification was carried out under simulated intervals of 5 mm and 10 mm and the displacement responses with compensation strategy and without compensation were contrasted. The results show that the online compensation strategy can effectively solve the problem of increased gap in large hydraulic press operating system. It is significant for reducing the frequency of replacement of the parts and improving the control accuracy.

large hydraulic press; operation system; gap; online compensation

TP271+.3

A

1672?7207(2015)02?0479?06

2014?03?05；

2014?05?22

高性能復雜制造國家重點實驗室自主研究項目(zzyjkt2013-04)；流體動力與機電系統國家重點實驗室開發基金資助項目(GZKF-201023)；中央高校研究生自主探索項目(2013zzts030)(Project (zzyjkt2013-04) supported by the High Performance Complex Manufacturing of Independent Research Project of State Key Laboratory; Project (GZKF-201023) supported by the Fluid Dynamic and Development Fund Project of State Key Laboratory of Electromechanical System; Project (2013zzts030) supported by the Independently Exploration Research of Centre on College Students)

譚建平，教授，博士生導師，從事現代機電液控制理論與技術、機電系統狀態監測故障診斷、微型流體機械設計與驅動控制研究；E-mail：jptan@163.com

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.015

(編輯 陳燦華)