均勻軋車微油壓穩定性控制

2020-12-02 01:19:00王方元池旭帆周惠友陳慧敏

東華大學學報(自然科學版) 2020年5期

王方元，池旭帆，周惠友，鐘毅，陳慧敏

(1. 東華大學 a. 機械工程學院， b. 紡織科技創新中心，上海 201620；2. 上海置道液壓控制技術有限公司，上海 201800)

液壓內支撐式均勻軋車是紡織品染整加工過程中的一類關鍵設備[1]。傳統軋車在生產過程中會發生撓曲變形，導致織物幅向軋余率出現偏差。文獻[2]研究表明，當織物幅向左、中、右任意兩點處軋余率差值大于5%時，將出現邊中色差弊病，其難以通過調整工藝消除。液壓內支撐式均勻軋車通過向輥腔通入一定量的液壓油來補償軋輥的撓曲變形，以改善輥間線壓力分布狀況，從而使軋壓后織物內部軋液均勻分布，還可根據前后工藝需要調節軋輥軸向帶液量，這對于提高織物的染整效果有著重要意義[3]。目前，大多數液壓內支撐式均勻軋車采用氣控油液調節閥調節輥腔油壓，這種氣壓間接控制油壓的加壓方式存在油壓調節時間長、油壓不夠穩定的問題。由于軋車依賴手動旋鈕調整油壓，油壓的微量調整較為困難且重現性差[4]。

為提高均勻軋車輥腔油壓的穩定性和微調性以滿足染整加工要求[5]，本文設計了基于LabVIEW虛擬測控平臺的微油壓穩定性控制系統。

1 控制系統的結構及原理

本文所設計的均勻軋車微油壓穩定性控制系統布局如圖1所示。整個微油壓穩定性控制系統主要由油壓控制元件和上位機測控平臺組成。

1—控制器；2—上位機測控平臺；3—液壓源；4—安全閥；5—油壓表；6—高速開關閥；7—均勻軋輥；8—油壓檢測器；9—截止閥；10—油箱。圖1 均勻軋車微油壓穩定性控制系統布局圖Fig.1 Layout diagram of micro-hydraulic stability control system for evenness padder

1.1 油路

均勻軋車工作時，首先需要設定安全閥的壓力值，油壓從液壓源經過安全閥，將輸出油壓值穩定在2 MPa以內，安全閥的輸出端接到高速開關閥，再接到軋車輥腔。利用高速開關閥控制輥腔內油壓大小。

1.2 測控

上位機測控平臺部分的工作由裝有LabVIEW軟件的計算機完成，控制執行部分由控制器完成。系統工作時，在上位機測控平臺上輸入PWM (pulse width modulation)信號的占空比和頻率，控制器可根據上位機指令輸出高速脈沖，驅動高速開關閥工作，調節軋輥內腔油壓。同時，油壓檢測器將輥腔油壓數據傳遞給控制器，再反饋至上位機測控平臺進行數據處理與分析，使油壓穩定在一個數值上。均勻軋車油壓穩定控制結構簡圖如圖2所示。

圖2 均勻軋車油壓穩定控制結構簡圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic stability control for evenness padder

2 系統硬件設計

2.1 數字液壓閥

作為油壓穩定性控制系統的核心元件，液壓閥在很大程度上決定了系統的性能[6]。紡織印染廠生產條件惡劣，對均勻軋車這類使用條件較高的設備缺乏必要的保護措施。考慮到液壓系統抗污染、抗干擾、防泄漏的使用需求，本文選擇HSV3023S3型二位三通常閉式高速開關閥作為液壓控制元件，額定壓差為2 MPa，額定流量為3～5 L/min，驅動電壓為24 V，脈寬有效調節范圍為20%～80%。

2.2 數據采集卡

數據采集卡作為控制系統中的控制執行部分，主要用來完成油壓信號采集、控制信號輸出等功能。根據采樣頻率的要求，本系統采用NI公司的USB-6002型多功能數據采集卡[7]。該數據采集卡具有4路差分輸入、8路單端輸入、13路數字線，最大采樣率為50 kS/s，電壓測量范圍為±10 V，具有數據接口類型多、傳輸速率快、使用簡便等優點。

2.3 固態繼電器與直流電源

在該油壓控制系統中，由于USB-6002型數據采集卡輸出電壓與HSV3023S3型高速開關閥的驅動電壓不匹配，因此需要選擇合適的固態繼電器進行配合使用。本文選擇WA1-05DD型伍格固態繼電器與24 V直流電源，將數據采集卡的輸出脈沖轉化為24 V脈沖。

2.4 安全閥

由于高速開關閥供油口的油壓上限為2 MPa，為保證高速開關閥正常工作，需在油路中添加安全閥[8]。本文選擇RV10-20型直動式溢流閥作為安全閥，該溢流閥的最大工作壓力為5.517 MPa，工廠額定壓力為0.335～4.140 MPa，具有結構緊湊且能對負載變化進行快速響應的特點。

2.5 壓力變送器

為實現軋輥內腔油壓值的實時檢測，在輥腔油壓輸出端安裝油壓檢測器。油壓檢測速度與精度將影響微油壓控制系統的精度。本文選擇CYZZ11型擴散硅式壓力變送器作為油壓檢測器。該壓力變送器的模擬量輸出為1～5 V(直流電)，量程為0～0.4 MPa，穩定性為±0.1% FS (full-scale)/年，溫度漂移為±0.01% FS/ ℃。壓力變送器的標定曲線如圖3所示。

圖3 壓力變送器標定曲線Fig.3 Calibration curve of pressure transmitter

3 軟件實現

3.1 脈沖輸出與數據采集

本文選用的HSV 3023S3型高速開關閥由脈寬調制信號控制，驅動電壓為24 V，而USB-6002型數據采集卡不具備高速脈沖輸出功能，電壓輸出范圍為±10 V。故本節采用數據采集卡的數字量輸出功能與固態繼電器、直流電源配合使用，可輸出電壓值為24 V的可變占空比/頻率的高速脈沖以驅動高速開關閥工作，調節軋輥內腔油壓。脈沖輸出源程序[9]如圖4所示。

此外，對采樣頻率、輸入電壓范圍、電壓/油壓換算關系(圖3中的標定曲線)等多個參數進行定義，數據采集源程序如圖5所示。

3.2 模糊PID算法控制

本文設計的均勻軋車微油壓穩定控制系統以模糊PID算法為控制策略。從PID控制器、模糊控制器兩個方面進行模糊PID算法設計[10]。模糊控制器采用模糊邏輯工具箱(fuzzy logic toolkit)，該工具箱包含模糊控制器設計及模糊控制器載入兩個主要vi(virtual instrument)[11]。完成模糊控制器的搭建后，將其命名為.fs文件，存儲于計算機中。然后在程序后面板中將設計的模糊控制器文件與模糊控制器載入.vi相連，模糊控制器的輸出端與PID.vi輸入端相連，即可完成LabVIEW環境下模糊PID控制器的設計，其源程序如圖6所示。LabVIEW中的均勻軋車微油壓測控平臺如圖7所示。

圖4 脈沖輸出源程序框圖Fig.4 Block diagram of pulse output source

圖5 數據采集源程序框圖Fig.5 Block diagram of data acquisition source program

圖6 模糊PID源程序框圖Fig.6 Block diagram of fuzzy PID source program

圖7 均勻軋車微油壓測控平臺Fig.7 Micro-hydraulic measurement and control platform for evenness padder

4 系統應用

4.1 油壓穩定性測試

在MH552CF-180型均勻軋車上對本文所設計的控制系統進行油壓穩定性驗證。根據該軋車的工作范圍，設定氣壓為0.200 MPa、輥腔油壓為0.140 MPa。采集5 min內油壓數據，均勻軋車改造前油壓控制方案與本文油壓控制方案的統計結果如圖8所示。當預設油壓為0.140 MPa時，改造前與改造后系統的油壓：平均值分別為0.138和0.141 MPa，表明改造后系統油壓更接近預設值；極差分別為0.002 3和0.001 2 MPa，表明改造后系統油壓波動范圍更小；方差分別為1.13×10-6和3.01×10-7，表明改造后系統油壓整體更穩定。由此可見，改造后系統控制方案的油壓穩定性更好。

(a) 改造前

(b) 改造后

4.2 油壓微調性測試

在均勻軋車上進行油壓微量調節試驗。在氣壓固定條件下，每隔1 min油壓改變0.010 MPa，記錄油壓數據。氣壓為0.200 MPa時，油壓遞增和遞減時的時間響應曲線如圖9所示。由圖9可知，在油壓允許的調節范圍內，本文所設計的控制系統響應時間短，超調量均小于0.002 MPa，且油壓的調整量達到均勻軋車壓力指示牌上的最小分辨率，可滿足工藝研究與實際生產的要求。