張盟盟， 李素玲， 崔振華

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

1 多道次板簧成型設(shè)備的組成原理及存在問(wèn)題

某汽車(chē)板簧廠型號(hào)為二輥LBZ200型的板簧成型設(shè)備，主要由軋機(jī)[1]主體和拉料[2]機(jī)構(gòu)及液壓系統(tǒng)組成，如圖1所示.軋機(jī)主體包括上下軋輥、四柱式機(jī)架、壓下伺服液壓缸；拉料機(jī)構(gòu)包括拉料車(chē)、導(dǎo)向軸、夾緊鉗口、水平拉料液壓缸等.

該設(shè)備的工作過(guò)程是：當(dāng)板簧坯料碰到拉料車(chē)底面的定位擋板(行程開(kāi)關(guān))時(shí)，夾緊鉗口夾住坯料，水平拉料液壓缸[3]通過(guò)驅(qū)動(dòng)拉料車(chē)實(shí)現(xiàn)對(duì)坯料拉動(dòng)，由位移傳感器檢測(cè)出坯料的移動(dòng)位置，并以此轉(zhuǎn)換成板簧對(duì)應(yīng)的厚度要求.上軋輥在伺服液壓缸的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)輥縫[4]變化，完成對(duì)坯料的變輥縫軋制，輥縫大小變化由厚度傳感器檢測(cè)，并傳送給PLC實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制.如此進(jìn)行3～4次，稱(chēng)為多道次軋制[5].

1-液壓缸；2-軋機(jī)主體；3-工作輥；4-拉料裝置；5-厚度傳感器；6-位移傳感器圖1 變截面板簧軋機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該設(shè)備存在的問(wèn)題是：在整個(gè)工作過(guò)程中，由電磁換向閥控制水平拉料液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)拉料車(chē)運(yùn)動(dòng)，每個(gè)道次共有快進(jìn)、快退、慢進(jìn)、慢退四個(gè)動(dòng)作和兩個(gè)固定速度，但板簧在軋制過(guò)程中的速度與軋輥壓下量有關(guān)，并不是固定值，因此兩者速度[6]不匹配.當(dāng)拉料車(chē)速度大于板簧速度時(shí)，板簧被拉伸變薄甚至斷裂；反之板簧被擠壓變厚甚至起皺.因此，該設(shè)備的拉料車(chē)速度控制是不完善的，影響了產(chǎn)品質(zhì)量.

2 拉料控制系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)采用的多道次板簧成型設(shè)備大多是由電磁換向閥控制液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)拉料機(jī)構(gòu).為了使拉料車(chē)速度跟隨輥縫變化，將電磁換向閥更換為電液伺服閥[7].只要給伺服閥某一規(guī)律的速度信號(hào)，執(zhí)行元件就自動(dòng)地、準(zhǔn)確地按照這個(gè)速度運(yùn)動(dòng).

2.1 速度的確定

板簧坯料進(jìn)入軋輥后，受到軋輥壓力和摩擦力的作用產(chǎn)生塑性變形.如圖2所示，坯料受力后就向AA1和BB1兩側(cè)流動(dòng),這樣就在縱向方向上存在一個(gè)相對(duì)軋輥流動(dòng)速度為零的分界面，這個(gè)分界面叫做中性面.AA1的位置與軋輥中心連線之間的圓心角以α表示.

圖2 軋件變形區(qū)速度圖

根據(jù)體積不變[8]的條件，在出口處軋件的高度最小，所以此處的速度vh最大，并大于軋輥的線速度；在中性面處，坯料與軋輥之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，坯料的速度vy等于中性面處軋輥的水平速度；坯料在入口處的速度vH最小，小于此處軋輥的水平線速度分量.三處速度的關(guān)系是：

vh>vy>vH

(1)

因?yàn)楹雎粤藢捳梗冃螀^(qū)內(nèi)任何一個(gè)斷面x上的水平速度vx就都可以用體積不變的條件求出，其關(guān)系為

vxhx=vyhy

(2)

式中：hx表示x斷面的高度，hy表示中性面處的高度.軋輥的水平速度vy=vsinα，v表示軋輥線速度，且有v=2πRn，n表示軋輥轉(zhuǎn)速，R表示軋輥半徑.由圖2得sinα=(R-Δh)/R，Δh表示坯料出口與入口輥縫之差，綜合得到拉料車(chē)速度與輥縫的函數(shù)關(guān)系為

(3)

為了形成前張力軋制，拉料車(chē)速度應(yīng)略大于坯料出口速度.中性面處的厚度hy總小于入口處的厚度hH，則用hH來(lái)代替hy就可以實(shí)現(xiàn)拉料車(chē)速度略大于坯料出口速度.因此拉料車(chē)的理論速度為

(4)

2.2 閥控缸速度模型的建立

電液伺服閥固有頻率和液壓缸固有頻率相近，所以把伺服閥看作二階振蕩環(huán)節(jié)，拉料液壓伺服控制[9]系統(tǒng)在考慮外負(fù)載干擾影響時(shí)的數(shù)學(xué)模型[10]如圖3所示.

圖3 液壓伺服控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

厚度傳感器檢測(cè)到的厚度信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)式(4)轉(zhuǎn)換為速度V*，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為速度電壓信號(hào)Ur.速度電壓信號(hào)通過(guò)放大器、伺服閥、液壓缸轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)Vp并作用于拉料車(chē).速度傳感器檢測(cè)到的速度信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)電壓Uf，并與Ur進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)控制器作用減小甚至消除兩者之差.

液壓系統(tǒng)參數(shù)意義說(shuō)明見(jiàn)表1.

表1 液壓元件表

由圖3及表1參數(shù)得到拉料機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(5)

3 系統(tǒng)仿真與分析

在MATLAB-Simulink仿真工具箱[11]中，針對(duì)拉料液壓伺服控制系統(tǒng)分別建立了模糊控制器、PID控制器和模糊PID控制器三種模型[12]，設(shè)定輸入信號(hào)為y=step(x)，應(yīng)用理論參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)不斷調(diào)試運(yùn)行得到三種控制方式的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示.三種控制方式的輸出曲線參數(shù)見(jiàn)表2.

由圖4及表2可以看出：PID控制方式的輸出曲線出現(xiàn)了明顯的超調(diào)現(xiàn)象，超調(diào)量高達(dá)28%，而采用模糊控制和模糊PID控制后，系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)超調(diào).從上升時(shí)間可以看出，模糊PID控制在起始階段反應(yīng)最迅速.從穩(wěn)定時(shí)間可以看出，PID控制不能很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)拉料機(jī)構(gòu)的高精度和快速控制，模糊PID控制比單純的模糊控制能夠更快速的進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)態(tài)性能比模糊控制方式的要好.由此選用模糊PID作為液壓伺服控制系統(tǒng)的控制器.

圖4 三種控制方式下的階躍響應(yīng)曲線

表2 三種控制方式參數(shù)

考慮到在實(shí)際軋制過(guò)程中，拉料車(chē)的速度基本是逐漸增大的，采用斜坡信號(hào)模擬速度變化，系統(tǒng)的輸出曲線如圖5所示.在Simulink中，在系統(tǒng)的7s處加脈沖干擾信號(hào)，仿真得到干擾信號(hào)下的輸出響應(yīng)如圖6所示.

圖5 模糊PID控制輸出響應(yīng)

圖6 干擾信號(hào)下模糊PID輸出響應(yīng)

由圖5知，模糊PID控制的拉料液壓伺服控制系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)速度跟隨，滯后于輸入信號(hào)0.3s.由圖6知，當(dāng)系統(tǒng)遇到脈沖信號(hào)干擾時(shí)，經(jīng)0.5s就可以恢復(fù)穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗干擾能力.

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)多道次板簧成型設(shè)備的拉料液壓控制系統(tǒng)，提出了電液伺服控制方案，用電液伺服閥代替電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)了拉料車(chē)速度跟隨軋輥線速度的變化而變化.多道次板簧成型設(shè)備的拉料液壓伺服控制系統(tǒng)采用模糊PID控制方式，可以實(shí)現(xiàn)拉料車(chē)速度隨輥縫的變化而變化，提高板簧的生產(chǎn)質(zhì)量.

[1] 李文峰.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的板簧成形電液伺服系統(tǒng)研究與仿真[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2010(2):10-15.

[2] 王占林.近代電氣液壓伺服控制[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[3]譚志峰.電液位置同步控制及仿真[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,25(2):103-106.

[4]李素玲,劉軍營(yíng).變截面板簧軋機(jī)電液伺服系統(tǒng)性能分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(9):171-174.

[5] 潘永平,王欽若.液壓伺服系統(tǒng)的模型參考自適應(yīng)模糊控制新方法[J].機(jī)床與液壓,2007,35(4):120-122.

[6] 劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[7] 溫良,楊明國(guó),賀小峰,等.基于自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化的模糊PID控制在實(shí)驗(yàn)軋機(jī)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)床與液壓,2010,39(17): 26-29.

[8]孟令啟,劉純利,李進(jìn).中厚板軋機(jī)模糊PID控制系統(tǒng)的研究[J].安徽科技學(xué)院院報(bào),2011,25(6): 48-54.

[9]胡包鋼,應(yīng)浩.模糊PID控制技術(shù)研究發(fā)展回顧及其面臨的若干重要問(wèn)題[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2001,27(4):567-580.

[10]李建雄,方一鳴，石勝利.軋機(jī)液壓伺服位置系統(tǒng)的自適應(yīng)輸出反饋控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2012,16(1): 104-110.

[11] Yoon T S, Wang F G,Park S K,etal.Linearization of T-S fuzzy systems and robust H∞ control [J]. Journal of Central South University of Technology,2011,18(1):140-145.

[12] Zhou H B,Ying H,Duan J A.Adaptive control using interval Type-2 fuzzy logic for uncertain nonlinear systems[J].Journal of Central South University of Technology. 2011,18(3):760-766.