劉晨榮， 魏海濤， 張曉麗， 王宏亮

(蘭州蘭石集團(tuán)有限公司 能源裝備研究院， 甘肅 蘭州 730314)

引言

鍛造操作機(jī)作為快鍛液壓機(jī)組的關(guān)鍵組成之一，其性能指標(biāo)直接影響液壓機(jī)組的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品品質(zhì)。鍛造操作機(jī)行走性能是衡量其性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，行走液壓系統(tǒng)作為典型的閥控馬達(dá)系統(tǒng)，其負(fù)載慣量大，響應(yīng)速度慢，平穩(wěn)精準(zhǔn)控制較為困難[1-5]。同時(shí)在其停車階段存在較大液壓沖擊[6-8]、停車振蕩等問題，降低了定位精度及停車速度，加速液壓、機(jī)械元件損壞。為了改善操作機(jī)行走性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制方法策略進(jìn)行了廣泛研究[9-13]。

本研究針對(duì)鍛造操作機(jī)停車控制精度及振蕩優(yōu)化，結(jié)合喬志剛等[14]提出的快鍛壓機(jī)速度-位置復(fù)合控制思想及顧臨怡等[4]研究成果，提出了基于速度預(yù)測(cè)的鍛造操作機(jī)定位控制方法，本研究以某5 t鍛造操作機(jī)為例，搭建其機(jī)械系統(tǒng)ADAMS模型、液壓系統(tǒng)AMESim模型，基于聯(lián)合仿真驗(yàn)證了基于速度預(yù)測(cè)的定位控制方法的有效性。

1 虛擬仿真模型搭建及參數(shù)校準(zhǔn)

鍛造操作機(jī)行走機(jī)械系統(tǒng)ADAMS仿真模型如圖1，行走液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型如圖2所示，表1中列出了液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件參數(shù)。本研究中，AMESim模型中輸出量為減速機(jī)輸出扭矩T， 輸入量為馬達(dá)角速度ω、操作機(jī)速度v、位移s； 在ADAMS中選擇驅(qū)動(dòng)齒輪的角速度ω、位移s和速度v作為輸出，輸入驅(qū)動(dòng)齒輪的扭矩T。

圖1 行走機(jī)械系統(tǒng)ADAMS仿真模型

1.液壓泵 2.電機(jī) 3.溢流閥 4.先導(dǎo)換向閥 5.單向閥 6.比例換向閥 7-10.單向閥 11.溢流閥 12、13.馬達(dá) 14.減速機(jī) 15.轉(zhuǎn)換接口 16.ADAMS接口 17-20.軟管

表1 行走液壓系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

為了仿真模型準(zhǔn)確可行，以實(shí)測(cè)液壓閥控制信號(hào)為輸入，對(duì)比仿真輸出與實(shí)測(cè)的馬達(dá)進(jìn)、出油口壓力曲線、鍛造操作機(jī)位移曲線，調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，最終結(jié)果如圖3所示，仿真精度較高，聯(lián)合仿真模型能夠較好的反映實(shí)際系統(tǒng)。

如圖3所示，在t=4.98 s時(shí)，比例閥全開，馬達(dá)進(jìn)油口壓力瞬時(shí)升高至10 MPa；t=14 s時(shí)，比例閥開始關(guān)閉，由于大車慣性，馬達(dá)出油口壓力上升，進(jìn)油口壓力下降，馬達(dá)開始反向制動(dòng)；當(dāng)出油口壓力達(dá)到最大，大車速度降為0 m/s，但此時(shí)，由于馬達(dá)出油口壓力大于進(jìn)油口壓力，反向扭矩達(dá)到最大且大于操作機(jī)機(jī)械系統(tǒng)摩擦力，操作機(jī)在馬達(dá)反向扭矩作用下開始反向加速，馬達(dá)進(jìn)油口壓力上升，出油口壓力下降；當(dāng)馬達(dá)進(jìn)油口與出油口壓力差達(dá)到最大時(shí)，大車開始正向加速，如此反復(fù)振蕩運(yùn)行，直至馬達(dá)扭矩不足以克服系統(tǒng)摩擦?xí)r大車才穩(wěn)定停車。

圖3 仿真與測(cè)試對(duì)比曲線

綜上，大車停車振蕩問題主要由于馬達(dá)反向驅(qū)動(dòng)扭矩引起，具體表現(xiàn)為大車停車速度為0時(shí)，液壓系統(tǒng)沒有及時(shí)卸壓。

2 停車振蕩優(yōu)化

操作機(jī)液壓行走系統(tǒng)為典型的閥控馬達(dá)系統(tǒng)，在實(shí)際控制中，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)提前分段減小比例閥開度，達(dá)到停車控制目的；但其停車距離長(zhǎng)，停車精度低通常為±(5～10) mm，且容易造成停車振蕩問題。典型的比例換向閥控制操作機(jī)停車過程，如圖4所示。停車過程存在明顯的振蕩，約在15.1 s時(shí)，大車速度降為0 m/s，而此時(shí)馬達(dá)出油口壓力達(dá)到最大，進(jìn)油口壓力最低，馬達(dá)反向驅(qū)動(dòng)扭矩達(dá)到了最大。

圖4 比例換向閥控制制動(dòng)過程

操作機(jī)停車控制核心問題為馬達(dá)出口壓力控制，文獻(xiàn)[4]中提出基于可控節(jié)流閥來控制馬達(dá)出口壓力，大慣量負(fù)載可平穩(wěn)停車，在此不再贅述。

2.1 比例溢流閥制動(dòng)控制

為了消除或減小停車振蕩，在制動(dòng)過程中大車速度降為0時(shí)，馬達(dá)進(jìn)、出油口壓力差要盡可能的小，從而使馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)小于機(jī)械系統(tǒng)阻力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定快速停車。為達(dá)到這一目的，需要在速度低于某個(gè)速度時(shí)，控制馬達(dá)出油口壓力隨著操作機(jī)速度的下降，讓其接近于馬達(dá)進(jìn)油口壓力。因此，可采用速度反饋比例控制電磁溢流閥，來達(dá)到平穩(wěn)無振蕩停車。

采用速度反饋比例控制溢流閥控制停車制動(dòng)過程，如圖5所示。為了分析比例溢流閥控制效果，仿真中比例換向閥在第4秒瞬時(shí)關(guān)閉，馬達(dá)出油口壓力達(dá)到上升至最大，進(jìn)油口壓力降低，馬達(dá)開始反向制動(dòng)，經(jīng)0.5 s操作機(jī)速度降為0.092 m/s，開始主動(dòng)控制馬達(dá)出油口壓力，經(jīng)0.1 s后馬達(dá)進(jìn)、出油口壓力分別為1 MPa，1.09 MPa(系統(tǒng)初始?jí)毫? MPa)，速度平穩(wěn)降為0，由此可見，采用速度反比例控制可以實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)無振蕩停車。

圖5 比例溢流閥制動(dòng)過程

2.2 速度反饋比例增益確定

綜上論述，在制動(dòng)階段比例溢流閥控制信號(hào)可表示為：

Sf=|v|×g

(1)

式中，v—— 操作機(jī)行走速度

g—— 反饋控制比例增益

Sf—— 比例溢流閥控制信號(hào)

為了避免輸入信號(hào)過大而損壞比例溢流閥電器元件，需要對(duì)Sf幅值進(jìn)行限制：當(dāng)Sf>Smax時(shí)，Sf=Smax，Smax為比例溢流閥電器元件允許最大值輸入。

增益g越小，制動(dòng)距離越大，隨著g值增大，制動(dòng)距離減小，當(dāng)g值大于臨界值glim時(shí)系統(tǒng)開始出現(xiàn)停車振蕩。臨界值glim可以通過試驗(yàn)測(cè)試或仿真等得到估計(jì)值。

圖6為不同g值時(shí)停車點(diǎn)附近局部曲線。當(dāng)g>0.6時(shí)，出現(xiàn)停車振蕩；當(dāng)0.4

圖6 不同增益g值停車位移局部曲線

經(jīng)仿真分析，當(dāng)g大于Smax/(vmax/10)時(shí)， 停車距離隨g值的變化較小，本研究中g(shù)的最大值取：

gmax=Smax/(vmax/10)

(2)

為了避免停車距離過長(zhǎng)，反饋控制比例系數(shù)g不易過小，本研究中g(shù)的最小值?。?/p>

gmin=Smax/(3×vmax/10)

(3)

3 速度預(yù)測(cè)+補(bǔ)償定位控制

鍛造操作機(jī)行走速度越大，其系統(tǒng)動(dòng)能越大，制動(dòng)距離越長(zhǎng)。系統(tǒng)制動(dòng)過程中動(dòng)能主要由液壓馬達(dá)反向制動(dòng)消耗。不考慮油液溫度和系統(tǒng)泄漏影響，根據(jù)鍛造操作機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，制動(dòng)過程中主要由溢流閥控制馬達(dá)制動(dòng)壓力，當(dāng)溢流閥溢流壓力不變時(shí)，操作機(jī)制動(dòng)距離僅與開始制動(dòng)瞬時(shí)速度有關(guān)。

3.1 制動(dòng)距離預(yù)測(cè)

為了避免停車振蕩，本研究在引入停車振蕩優(yōu)化基礎(chǔ)上(g≈(gmax+gmin)/3)，根據(jù)速度預(yù)測(cè)制動(dòng)距離。由于操作機(jī)制動(dòng)過程涉及機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)，直接采用數(shù)學(xué)描述較為困難，利用聯(lián)合仿真手段可以有效簡(jiǎn)化分析過程。利用建立的仿真模型，得到不同制動(dòng)瞬時(shí)速度下制動(dòng)距離。經(jīng)大量仿真分析驗(yàn)證，制動(dòng)瞬時(shí)速度與制動(dòng)距離滿足二次函數(shù)關(guān)系，如式(4)所示。

(4)

式中，ss—— 制動(dòng)距離

vc—— 開始制動(dòng)瞬時(shí)(比例閥完全關(guān)閉瞬時(shí))操作機(jī)行走速度

a，b，c—— 由系統(tǒng)特性確定的常數(shù)

3.2 速度預(yù)測(cè)+比例系數(shù)補(bǔ)償定位控制

由于控制周期不可能無限小，開始制動(dòng)瞬時(shí)，操作機(jī)當(dāng)前位移距離目標(biāo)位移值與預(yù)測(cè)制動(dòng)距離值存在差值，差值在[-vmaxT，vmaxT]范圍內(nèi)波動(dòng)，此差值最終表現(xiàn)為系統(tǒng)定位誤差。

在制動(dòng)距離預(yù)測(cè)分析中，引入停車振蕩優(yōu)化，比例控制系數(shù)g為定值，難以消除或減小定位誤差。由于制動(dòng)瞬時(shí)目標(biāo)距離差無法改變，只能通過調(diào)整比例控制系數(shù)g在制動(dòng)距離ss補(bǔ)償一個(gè)變化量Δs，以減小制動(dòng)瞬時(shí)目標(biāo)距離差與預(yù)測(cè)制動(dòng)距離差值，減小定位誤差。在此引入比例控制系數(shù)g修正系數(shù)λ來調(diào)整制動(dòng)距離變化量Δs。

經(jīng)大量仿真測(cè)試分析，比例控制增益g一定時(shí)，修正系數(shù)λ與Δs的滿足：

(5)

經(jīng)修正，反饋控制增益G為：

G=g*λ

(6)

3.3 控制流程

速度預(yù)測(cè)+補(bǔ)償定位控制流程如下：

(1) 給定位移值s；

(2) 根據(jù)位移反饋sb，計(jì)算距離差sd=s-sb；

(3) 根據(jù)速度反饋vb，由式(4)，計(jì)算預(yù)測(cè)制動(dòng)距離sp；

(4) 判斷|sd-sp|是否小于vb×T，若|sd-sp|大于vb×T，則返回步驟(2)，若|sd-sp|小于vb×T，跳轉(zhuǎn)至步驟(5)；

(5) 計(jì)算比例增益修正系數(shù)λ，由式(5)給出；

(6) 制動(dòng)狀態(tài)完全關(guān)閉比例換向閥，并主動(dòng)控制比例溢流閥，比例閥控制信號(hào)由式(6)計(jì)算；

(7) 檢測(cè)速度反饋vb是否為0，若vb=0，則本次定位控制過程結(jié)束，若vb≠0，則返回步驟(5)。

4 仿真驗(yàn)證

以經(jīng)校準(zhǔn)的機(jī)械A(chǔ)DAMS模型、AMESim模型為控制對(duì)象，編寫控制程序，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

反饋控制比例增益g=0.2，根據(jù)測(cè)試，停車距離速度預(yù)測(cè)函數(shù)為：

ss=0.000496v2+0.05787v+14.05

(7)

修正系數(shù)λ計(jì)算公式為：

(8)

目標(biāo)位移為0.1 m時(shí)，操作機(jī)速度與馬達(dá)進(jìn)、出油口壓力對(duì)比曲線，如圖7所示。

從圖7a中可以看出，當(dāng)行程為0.1 m小行程時(shí)，在速度為0.2 m/s時(shí)(未達(dá)到最大速度)，操作機(jī)開始制動(dòng)。從圖7b中可以看出，最終停車位移為0.09983 m，停車定位誤差為0.17×10-3m，制動(dòng)過程無振蕩。

圖7 行程1 m的制動(dòng)過程

目標(biāo)位移為1.497 m時(shí)，操作機(jī)速度與馬達(dá)進(jìn)、出油口壓力對(duì)比曲線，如圖8所示。

從圖8a中可以看出，當(dāng)行程為1.497 m大行程時(shí)，經(jīng)過1.9 s，操作機(jī)速度達(dá)到最大，此時(shí)操作機(jī)位移(sb=0.6 m)距離目標(biāo)位移(s=1.479 m)為sd=0.69884 m， 預(yù)測(cè)制動(dòng)距離sp=0.19589 m， Δs=|Ds-ps|= 0.6831 m，大于0.55 m/s×0.01 s= 5.5×10-3m，操作機(jī)以最大速度繼續(xù)前行。在3.18 s時(shí)， 操作機(jī)位移(sb=1.30535 m)距離目標(biāo)位移(s=1.497 m)為sd=0.1917 m。Δs=4.2×10-3m小于5.5×10-3m，操作機(jī)開始制動(dòng)。若比例控制增益修正系數(shù)λ=1即未修正，則最終定位誤差為4.2 mm。如圖8b，根據(jù)式(8)增益修正系數(shù)λ=0.1511，最終停車位移為1.49724 m，停車定位誤差為0.24×10-3m，表明比例增益修正系統(tǒng)對(duì)于減速系統(tǒng)定位誤差是有效的。

圖8 行程1.497 m的制動(dòng)過程

5 結(jié)論

本研究以校準(zhǔn)后的虛擬模型為基礎(chǔ)，對(duì)鍛造操作機(jī)行走制動(dòng)過程和定位控制進(jìn)行仿真分析研究，提出了基于速度預(yù)測(cè)的鍛造操作機(jī)行走定位控制方法，并得到如下結(jié)論：

(1) 操作機(jī)停車制動(dòng)振蕩，可通過控制馬達(dá)出油口壓力有效解決，具體可通過速度反饋比例控制電比例溢流閥，達(dá)到操作機(jī)平穩(wěn)停車，速度反饋比例控制系數(shù)，可根據(jù)操作機(jī)最大運(yùn)行速度及比例溢流閥電氣特性確定；

(2) 當(dāng)速度反饋比例控制系數(shù)一定時(shí)，操作機(jī)制動(dòng)距離與開始制動(dòng)瞬時(shí)操作機(jī)速度滿足二次函數(shù)關(guān)系；

(3) 引入速度反饋比例控制修正系數(shù)，在充分發(fā)揮系統(tǒng)性能的同時(shí)，進(jìn)一步提高了操作機(jī)定位精度，仿真中定位精度達(dá)到±0.5 mm。