三星辊扳机液压同步控制改造

　　1　问题的提出

　　25×10000三星辊扳机是1968年由一重专门为渤船重工生产的,其本身液压缸同步技术参数为3%。多年来该设备一直处于高负荷运转状态,由于维修不及时、备件不齐全等因素,其同步精度早已达不到要求。针对此问题,在时间紧、任务急的情况下,我们对该设备辊压液压缸进行同步技术升级。

　　改造后的辊压缸控制框图见图1。

　　2　系统数学模型

　　图2为通常采用比例方向阀构成的位置控制系统。图2中,m,k,c分别为油缸运动部分的质量、刚度和阻尼;FL为油缸受到的反作用力;Vf和Vg分别为系统测得的位移信号和给定的位移信号。根据图2,该系统为典型的阀控缸伺服系统,对于只有惯性负载的位置控制系统,图2中各环节的传递函数可按以下方法求出:

　　(1)比例放大器:由于其转折频率比系统的频宽高得多,可近似为比例环节。

　　(2)位移传感器:其频宽比系统的频宽高得多,亦可近似为比例环节。

　　(3)比例方向阀:工程上一般视其为二阶环节,传递函数为:

　　式中:Kq——比例方向阀的流量增益, m³/(s·V);

　　ωv——比例方向阀的相频宽, rad/s;

　　δv——比例方向阀的阻尼比,取值0.6。

　　(4)忽略弹性负载时,执行元件和被控对象视为一个积分环节与二阶环节组合,传递函数为:

　　式中:Ah——液压缸的有效作用面积, m²;δh——液压缸—负载质量系统的阻尼比,取值0.15;

　　ωh——液压缸—负载质量系统的固有频率,rad/s。

　　ωh可由下式求得:

　　式中:E——液压油体积弹性模量, Pa;

　　mt——包含负载和液压执行元件运动部分的总质量, kg;

　　Vt——比例换向阀至液压缸的总容积, m³。

　　根据图1、式(1)、式(2),求得系统(从动缸)开环传递函数为:

　　3　算法与校正

　　影响控制系统的稳定性和快速性的主要是开环增益Kp(Kp=KaKqKm/Ah)、液压缸的固有频率ωh和阻尼比δh。而ωh、δh是不可调整的,Ka、Km虽可调整,但参数调整范围也有限;液压缸面积Ah、比例阀流量增益Kq也是不能调整的。

　　为取得较好的控制效果,采用PID算法对电液同步系统进行校正(采用增益调节器),其数字控制算法为:

　　其中:Kp、Ti、Td分别为比例因子和积分、微分系数。

　　系统同步控制效果和Kp、Ti、Td的取值有关,Kp值愈大,则系统精度愈高,但幅值稳定裕量将减少;积分作用能够消除稳态误差,提高同步精度,但Ti增大也会降低系统稳定性;微分作用能够改善系统的动态性能。根据计算、试验,合理选取Kp、Ti、Td以取得良好的同步控制效果。