一種數字式水壓擠壓機速度控制系統和方法

2023-10-11 01:51:49 1

專利名稱：一種數字式水壓擠壓機速度控制系統和方法
技術領域：
本發明屬於機電液集成控制領域，具體涉及一種數字式水壓擠壓機速度控制系統
和方法。
背景技術：
大型水壓擠壓機作為大型基礎性裝備，是一個國家製造能力的重要標誌，對於航 空、航天、船舶、石化、電力、軍工等領域的發展發揮著關鍵作用。擠壓速度控制對於擠壓產 品生產有著重要意義， 一方面，從擠壓工藝角度分析，擠壓速度與擠壓型材的材料成分、截 面形狀、擠壓比等因素密切相關；另一方面，為避免擠壓製品出現波紋而影響產品質量，在 同一擠壓過程中擠壓速度必須相對穩定。所以，在擠壓過程中，擠壓速度的大小須嚴格控 制。 目前，國內外對於中小型油壓擠壓機的速度控制進行了不少研究，取得了較大進 展，較為成熟的擠壓機速度控制技術主要有變頻驅動容積調速方式、變量泵容積調速方式、 電液比例插裝閥調速方式等，上述調速方式已在中小型油壓擠壓機速度控制中得到成功應 用。但對於大型擠壓機(萬噸級以上)，由於其工作液體量巨大、洩漏量大，而液壓油費用 高，考慮到經濟等方面因素，其傳動介質多為乳化液或水。由於其傳動介質的特殊性，上述 已有的成熟調速方式並不適用於大型水壓擠壓機。目前，國內外對於大型水壓擠壓機速度 控制速度控制系統大都停留在開環控制階段，控制精度低，生產效率低。而速度閉環新系統 開發存在以下難點(l)速度閉環系統需要穩定、可靠的信號檢測及控制系統，而大型水壓 擠壓機工作環境相對較惡劣，傳統的模擬式檢測、控制元器件本身在惡劣環境下容易受到 外界的幹擾，其檢測、控制信號在遠距離傳輸過程中也極易受到惡劣環境的幹擾而使得信 號不準確，系統可靠性差；(2)傳統的大型水壓擠壓機節流閥開口度控制方式大多採用直 流電機帶動蝸輪蝸杆，再經減速器減速後以螺母絲杆副機構驅動傳動槓桿，從而控制節流 閥閥芯開度，間接控制流量，傳動鏈過長、精度低、閥的穩定性差，無法滿足速度高精度閉環 控制的要求。 為提高速度控制精度和生產效率，有必要克服現有技術之不足，提出新方法，建立 新系統，實現大型水壓擠壓機擠壓速度的精確閉環控制。

發明內容
本發明要解決技術問題是提供一種數字式水壓擠壓機速度控制系統和方法，該系 統抗幹擾能力強，可靠性高，實用性強，實現了特殊環境下水壓擠壓機擠壓速度的高精度閉 環控制。 本發明為解決上述技術問題所採用的技術方案是 —種數字式水壓擠壓機速度控制系統，其特徵在於，包括速度給定裝置、測速裝 置、控制器和速度調節機構；所述的速度給定裝置和測速裝置均與控制器的輸入端連接； 控制器的輸出端接速度調節機構；
所述的測速裝置採用用於測量水壓擠壓機活動橫梁移動速度的數字式磁滯伸縮 傳感器； 所述的速度調節機構包括比例換向閥、節流閥、液壓油缸和水節流閥； 所述的液壓油缸包括活塞以及由活塞隔開的第一活塞腔和第二活塞腔；第一活塞
腔上的第一控制油口和第二活塞腔上的第二控制油口分別接比例換向閥的2個液體輸出
埠 ；比例換向閥與節流液壓泵站連接；比例換向閥的電池鐵與控制器的輸出端連接； 比例換向閥的液體輸出埠與第一控制油口 、第二控制油口的通路上設有節流閥 所述的節流閥包括可活動的閥芯和液流通道；隨著閥芯的運動導致液流通道的開
口度變化；所述的閥芯與液壓油缸的活塞杆相連。 所述的數字式磁滯伸縮傳感器包括傳感器頭、傳感杆和可以沿傳感杆滑動的滑塊
磁鐵；傳感器頭與傳感杆連接，傳感器頭與傳感杆均固定在靜止物上；在水壓擠壓機活動
橫梁上設有一個凸起的連接塊；連接塊與所述的滑動磁鐵通過鉸鏈相接。 所述的控制器採用非對稱的PID控制器；所述的非對稱的PID控制器在輸入誤差
大於零和小於零的狀態下具有不同的PID參數；所述的輸入誤差為測量的速度值與給定值的差。 速度給定裝置和測速裝置均通過Prof ibus-dp工業現場總線與控制器通信，所述 的控制器採用PLC。 —種數字式水壓擠壓機速度控制方法，其特徵在於，採用數字式磁滯伸縮傳感器 測量水壓擠壓機活動橫梁的移動速度，即反饋速度；將該反饋速度與預先給定的速度值均 輸入到控制器中；控制器輸出控制量給速度調節機構，由速度調節機構驅動水壓擠壓機的 橫梁動作； 所述的速度調節機構包括比例換向閥、節流閥、液壓油缸和水節流閥；
所述的液壓油缸包括活塞以及由活塞隔開的第一活塞腔和第二活塞腔；第一活塞 腔上的第一控制油口和第二活塞腔上的第二控制油口分別接比例換向閥的2個控制輸出 埠 ；；比例換向閥與節流液壓泵站連接；比例換向閥的電池鐵與控制器的輸出端連接；所 述的節流閥包括可活動的閥芯和液流通道；隨著閥芯的運動導致液流通道的開口度變化； 所述的閥芯與液壓油缸的活塞杆相連； 比例換向閥的控制輸出埠與第一控制油口 、第二控制油口的通路上設有節流閥
所述的控制器採用非對稱的PID控制器；所述的非對稱的PID控制器在輸入誤差 大於零和小於零的狀態下具有不同的PID參數。 數字式磁滯伸縮傳感器通過德國Siemens公司工業數據總線Prof ibus-dp實現與 控制器通信，所述的控制器採用PLC。
本發明的有益效果 本發明涉及的檢測方法具有的優點如下 (1)該系統為"數字式"系統，通過採用數字式檢測、控制單元及Profibus—dp數字 式工業現場總線，大大提高了系統的抗幹擾能力和可靠性，解決了傳統的"模擬式"系統難 以適應大型水壓擠壓機惡劣工作環境的問題； (2)擠壓速度控制採用"油控水"方式，即通過伺服液壓系統直接驅動大通徑水節 流閥閥芯運動控制大通徑水節流閥開口度，實現擠壓速度控制。該控制方式傳動鏈短、精度高、穩定性好。 (3)控制單元採用可編程邏輯控制器PLC控制單元，結構簡單清晰，並通過採用非 對稱PID閉環反饋控制策略，解決了擠壓速度增加和減小調節過程中系統的非對稱動態特 性問題，提高了控制精度。根據125MN水壓機擠壓機現場實測數據，系統對階躍信號的響應 時間在0. 8s左右，超調量為3. 6%左右，達到了較為理想的控制效果，系統的響應曲線如圖 5所示。


圖1為本發明實施例中速度控制系統結構圖；
圖2為本發明實施例中測速傳感器安裝結構圖；
圖3為本發明實施例中"油控水"速度調節機構原理圖；
圖4為本發明實施例中速度非對稱PID控制框圖；
圖5為本發明實施例中速度控制效果圖。 其中，附圖2中1-槽鋼，2-傳感器頭，3-滑塊磁鐵，4-活動橫梁，5_連接±央，6_鉸 鏈，7-傳感杆。 附圖3中8-驅動液壓泵站，9-比例換向閥，10-節流閥， 11-第一控制油口， 12-第二控制油口， 13-活塞杆，14-液壓油缸，15-節流閥閥芯， 16-第一節流閥口 ， 17-第二節流閥口 ， 18-節流閥座。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
實施例1 —種數字式大型水壓擠壓機速度控制系統包括速度給定裝置、測速裝置、控制單 元、速度調節機構。控制單元將測速裝置測得的實際速度與速度給定裝置給定的速度進行 比較運算，得到速度控制執行信號並輸出到速度調節機構，速度調節機構通過"油控水"方 式調節水節流閥閥芯開口度，實現水壓擠壓機擠壓速度的閉環控制。
圖1描述了本發明——一種大型水壓擠壓機速度控制系統的總體結構系統包 括速度給定裝置、測速裝置、控制單元、速度調節機構等，各部分簡述功能如下
速度給定裝置由數字式觸電摸屏構成，實現擠壓速度的連續給定；
速度顯示裝置由上位計算機實現擠壓速度的實時顯示； 測速裝置採用數字式磁滯伸縮傳感器，實現擠壓機擠壓速度的高精度測量；
控制單元採用可編程邏輯控制器PLC，用於將實際擠壓速度與給定速度進行比 較運算，得到速度控制執行信號並輸出到速度調節機構； 速度調節機構由比例放大器、比例換向閥、液壓油缸、水節流閥構成，用於實現擠 壓機水節流閥的開口度控制，其工作原理為比例放大器接收控制器輸出的控制信號，將信 號放大後驅動比例換向閥動作，比例換向閥動作調節液壓油缸活塞杆的位置，液壓油缸活 塞杆驅動水節流閥閥芯動作，從而實現水節流閥開口度的控制，最終完成擠壓機速度調節。
液壓油站為速度調節機構提供液壓動力。
圖2描述了本發明——一種大型水壓擠壓機速度控制系統的測速裝置結構在擠
5壓機機體上平行於擠壓機活動橫梁運動方向安裝有一固定槽鋼l，位移傳感器固定在槽鋼 1上，位移傳感器由傳感器頭2、傳感杆7、滑塊磁鐵3組成，且滑塊磁鐵3可在傳感杆7上 自由滑動；一連接塊5 —端焊接於擠壓機活動橫梁4上，另一端與滑塊磁鐵3相聯接。為 了消除擠壓機工作時活動橫梁的衝擊和振動對傳感器的影響，在連接塊5與滑塊磁鐵3聯 接處設有"雙球鉸"鉸鏈裝置6，該鉸鏈裝置由第一萬向球鉸、第二萬向球鉸、連接杆三部分 組成，第一萬向球鉸與聯接塊5相聯接，第二萬向球鉸與滑塊磁鐵3相聯接，第一萬向球鉸 與第二萬向球鉸通過連接杆相聯接。通過"雙球鉸"鉸鏈裝置可將活動橫梁運動時各方面 的衝擊振動對傳感器滑動磁鐵的影響，達到了保護傳感器設備的目的。測速裝置工作原理 為活動橫梁運動時，通過連接塊5及"雙球鉸"鉸鏈裝置6驅動滑塊磁鐵3在傳感杆7上 滑動，滑塊磁鐵3在傳感杆7上的位置由磁滯伸縮原理測得並由傳感器頭2中的電路完成 位移_速度轉換、速度檢測信號輸出等功能，最終完成活動橫梁速度的檢測。
圖3描述了本發明一一一種大型水壓擠壓機速度控制系統的速度調節機構結構， 速度調節機構主要由比例放大器、比例先導流量閥、液壓油缸、液壓油站，大通徑水節流閥 構成。其特徵為液壓油缸活塞杆與大通徑水節流閥閥芯聯接於一體，通過活塞杆運動直接 驅動節流閥閥芯運動從而控制節流閥開口度。其工作原理為 當調節擠壓速度增大時，比例先導閥9右側電磁鐵得一電流信號，在液壓油站8的 油壓驅動下，液壓油通過第二控制油口 12進入液壓油缸14，使活塞杆13上移，且進入液壓 缸的液壓油流量與比例閥得到的電流信號大小成正比，即活塞杆移動速度與比例閥電流信 號大小成正比。活塞杆13向上移動驅動大通徑水節流閥閥芯15向上移動，使節流閥開口 度增大。第二節流閥口 17與高壓水泵站相聯，第一節流閥口 16與擠壓機工作缸相聯，節流 閥開口度增大後，高壓水進入工作缸的流量增大，擠壓速度增大。 當調節擠壓速度減小時，比例換向閥9左側電磁鐵得到一電流信號，在液壓油站8 的驅動下，液壓油通過控制油口 11進入液壓油缸14，使活塞杆13下移，且進入液壓缸的液 壓油流量與比例閥得到的電流信號大小成正比，即活塞杆移動速度與比例閥電流信號大小 成正比。活塞杆13向下移動驅動大通徑水節流閥閥芯15向下移動，使節流閥開口度減小。 第二節流閥口 17與高壓水泵站相聯，第一節流閥口 16與擠壓機工作缸相聯，節流閥開口度 減小後，高壓水進入工作缸的流量減小，擠壓速度減小。 圖4描述了本發明——一種大型水壓擠壓機速度控制系統的非對稱PID控制原理 圖。控制單元可編程邏輯控制器PLC將給定速度與測速裝置測得的實際速度進行比較運 算，得到速度控制執行信號並輸出到速度調節機構。 PID調節是控制領域中一種經典的調節方法，由比例、積分、微分三部分組成，設 e(t)為給定擠壓速度與實際擠壓速度之差，則傳統PID調節表達式如下
PID參數設置是否合適將影響控制系統整體性能，傳統的PID控制方法其PID參數 在控制過程中保持不變，但在本系統中，由於節流閥閥芯及其隨動部件自身重力和閥芯、活 塞杆與配合件之間摩擦力的影響，節流閥在開啟和關閉的過程閥芯的動態特性會不一樣， 即該系統為一個非對稱動態系統，針對這個特徵，在控制系統中對節流閥開啟和關閉(即 速度的增大和減小調節)過程設置不同的PID控制參數，分別對速度增大和減小過程進行 控制，以提高系統的控制性能。 根據以上思路，設e(t)為設定速度和實際速度的差值，在正階躍響應中e(t)為正，在負階躍響應中e(t)為負，根據e(t)的正負狀態對PID調節進行參數區配，其表達式 如下+ Kp(t) =Kpl，Ki(T) =Kn，Kd(t) = Kdl， | e (t) >0 Kp(t) = Kp2， t ) = Ki2， Kd(t) = Kd2， | e (t) < 0 式中kpl-正階響應比例係數 kp2-負階響應比例係數 kil-正階響應積分係數 ki2-負階響應積分係數 kdl-正階響應微分係數 kd2_正階響應微分係數 參數採用通過實驗方法確定，以正階躍響應為例，具體為採用Ziegler-Nichols
方法，首先置kil = kdl = O，然後逐漸增大比例係數kpl，觀察系統響應，當系統開始振蕩，
記下此時的比例係數為Km，系統振蕩頻率"m，控制參數計算公式如下 formula see original document page 7 圖5描述了本發明——一種大型水壓擠壓機速度控制系統的速度控制效果。通過 現場實驗並採用Ziegler-Nichols方法對125MN擠壓機速度控制系統進行PID參數整定， 得KP1 = 9， Kn = 36， KD1 = 0. 6 ;KP2 = 14， KI2 = 25， KD2 = 1. 3，由圖5可知，該系統對階躍 信號的響應的時間在0. 8s左右，超調量為3. 6%左右，能滿足系統要求。
權利要求
一種數字式水壓擠壓機速度控制系統，其特徵在於，包括速度給定裝置、測速裝置、控制器和速度調節機構；所述的速度給定裝置和測速裝置均與控制器的輸入端連接；控制器的輸出端接速度調節機構；所述的測速裝置採用用於測量水壓擠壓機活動橫梁移動速度的數字式磁滯伸縮傳感器；所述的速度調節機構包括比例換向閥、節流閥、液壓油缸和水節流閥；所述的液壓油缸包括活塞以及由活塞隔開的第一活塞腔和第二活塞腔；第一活塞腔上的第一控制油口和第二活塞腔上的第二控制油口分別接比例換向閥的2個液體輸出埠；比例換向閥與液壓泵站連接；比例換向閥的電磁鐵與控制器的輸出端連接；所述的節流閥包括可活動的閥芯和液流通道；隨著閥芯的運動導致液流通道的開口度變化；所述的閥芯與液壓油缸的活塞杆相連。
2. 根據權利要求1所述的數字式水壓擠壓機速度控制系統，其特徵在於，所述的數字 式磁滯伸縮傳感器包括傳感器頭、傳感杆和可以沿傳感杆滑動的滑塊磁鐵；傳感器頭與傳 感杆連接，傳感器頭與傳感杆均固定在靜止物上；在水壓擠壓機活動橫梁上設有一個凸起 的連接塊；連接塊與所述的滑動磁鐵通過鉸鏈相接。
3. 根據權利要求2所述的數字式水壓擠壓機速度控制系統，其特徵在於，所述的控制 器採用非對稱的PID控制器；所述的非對稱的PID控制器在輸入誤差大於零和小於零的狀 態下具有不同的PID參數；所述的輸入誤差為測量的速度值與給定值的差。
4. 根據權利要求1 3任一項所述的數字式水壓擠壓機速度控制系統，其特徵在於，速 度給定裝置和測速裝置均通過Profibus-dp工業現場總線與控制器通信，所述的控制器採 用PLC。
5. —種數字式水壓擠壓機速度控制方法，其特徵在於，採用數字式磁滯伸縮傳感器測 量水壓擠壓機活動橫梁的移動速度，即反饋速度；將該反饋速度與預先給定的速度值均輸 入到控制器中；控制器輸出控制量給速度調節機構，由速度調節機構驅動水壓擠壓機的橫 梁動作；所述的速度調節機構包括比例換向閥、節流閥、液壓油缸和水節流閥； 所述的液壓油缸包括活塞以及由活塞隔開的第一活塞腔和第二活塞腔；第一活塞腔 上的第一控制油口和第二活塞腔上的第二控制油口分別接比例換向閥的2個控制輸出端 口 ；；比例換向閥與節流液壓泵站連接；比例換向閥的電池鐵與控制器的輸出端連接；所述 的節流閥包括可活動的閥芯和液流通道；隨著閥芯的運動導致液流通道的開口度變化；所 述的閥芯與液壓油缸的活塞杆相連；所述的控制器採用非對稱的PID控制器；所述的非對稱的PID控制器在輸入誤差大於 零和小於零的狀態下具有不同的PID參數。
6. 根據權利要求5所述的數字式水壓擠壓機速度控制方法，其特徵在於，數字式磁滯 伸縮傳感器通過Profibus-dp工業現場總線與控制器通信，所述的控制器採用PLC。
全文摘要
本發明公開了一種數字式水壓擠壓機速度控制系統和方法，該系統包括速度給定裝置、測速裝置、控制器和速度調節機構；所述的速度給定裝置和測速裝置均與控制器的輸入端連接；控制器的輸出端接速度調節機構。其特徵在於，所述系統的檢測、控制單元均採用數字式元器件，並通過工業現場總線技術實現系統各單元間信號的全數位化通訊。所述的控制方法為採用非對稱PID調節得到速度控制執行信號並輸出到速度調節機構，速度調節機構通過油控水方式調節水節流閥閥芯開口度，實現水壓擠壓機擠壓速度的閉環控制。本發明公開的系統和方法，抗幹擾能力強，可靠性高，實用性強，實現了特殊環境下水壓擠壓機擠壓速度的高精度閉環控制。
文檔編號B21C31/00GK101773947SQ201010132158
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者周俊峰, 文躍兵, 汪順民, 譚建平, 陳暉 申請人:中南大學