王方元， 池旭帆， 周惠友， 鐘 毅， 陳慧敏

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

液壓內(nèi)支撐式均勻軋車是紡織品染整加工過程中的一類關(guān)鍵設(shè)備[1]。傳統(tǒng)軋車在生產(chǎn)過程中會發(fā)生撓曲變形，導(dǎo)致織物幅向軋余率出現(xiàn)偏差。文獻[2]研究表明，當(dāng)織物幅向左、中、右任意兩點處軋余率差值大于5%時，將出現(xiàn)邊中色差弊病，其難以通過調(diào)整工藝消除。液壓內(nèi)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(nèi)部軋液均勻分布，還可根據(jù)前后工藝需要調(diào)節(jié)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(shù)液壓內(nèi)支撐式均勻軋車采用氣控油液調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)輥腔油壓，這種氣壓間接控制油壓的加壓方式存在油壓調(diào)節(jié)時間長、油壓不夠穩(wěn)定的問題。由于軋車依賴手動旋鈕調(diào)整油壓，油壓的微量調(diào)整較為困難且重現(xiàn)性差[4]。

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

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

本文所設(shè)計的均勻軋車微油壓穩(wěn)定性控制系統(tǒng)布局如圖1所示。整個微油壓穩(wěn)定性控制系統(tǒng)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(guān)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(wěn)定性控制系統(tǒng)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(shè)定安全閥的壓力值，油壓從液壓源經(jīng)過安全閥，將輸出油壓值穩(wěn)定在2 MPa以內(nèi)，安全閥的輸出端接到高速開關(guān)閥，再接到軋車輥腔。利用高速開關(guān)閥控制輥腔內(nèi)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(zhí)行部分由控制器完成。系統(tǒng)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(jù)上位機指令輸出高速脈沖，驅(qū)動高速開關(guān)閥工作，調(diào)節(jié)軋輥內(nèi)腔油壓。同時，油壓檢測器將輥腔油壓數(shù)據(jù)傳遞給控制器，再反饋至上位機測控平臺進行數(shù)據(jù)處理與分析，使油壓穩(wěn)定在一個數(shù)值上。均勻軋車油壓穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 均勻軋車油壓穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of hydraulic stability control for evenness padder

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)字液壓閥

作為油壓穩(wěn)定性控制系統(tǒng)的核心元件，液壓閥在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能[6]。紡織印染廠生產(chǎn)條件惡劣，對均勻軋車這類使用條件較高的設(shè)備缺乏必要的保護措施。考慮到液壓系統(tǒng)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(guān)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(qū)動電壓為24 V，脈寬有效調(diào)節(jié)范圍為20%～80%。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡作為控制系統(tǒng)中的控制執(zhí)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(jù)采樣頻率的要求，本系統(tǒng)采用NI公司的USB-6002型多功能數(shù)據(jù)采集卡[7]。該數(shù)據(jù)采集卡具有4路差分輸入、8路單端輸入、13路數(shù)字線，最大采樣率為50 kS/s，電壓測量范圍為±10 V，具有數(shù)據(jù)接口類型多、傳輸速率快、使用簡便等優(yōu)點。

2.3 固態(tài)繼電器與直流電源

在該油壓控制系統(tǒng)中，由于USB-6002型數(shù)據(jù)采集卡輸出電壓與HSV3023S3型高速開關(guān)閥的驅(qū)動電壓不匹配，因此需要選擇合適的固態(tài)繼電器進行配合使用。本文選擇WA1-05DD型伍格固態(tài)繼電器與24 V直流電源，將數(shù)據(jù)采集卡的輸出脈沖轉(zhuǎn)化為24 V脈沖。

2.4 安全閥

由于高速開關(guān)閥供油口的油壓上限為2 MPa，為保證高速開關(guān)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(jié)構(gòu)緊湊且能對負載變化進行快速響應(yīng)的特點。

2.5 壓力變送器

為實現(xiàn)軋輥內(nèi)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(tǒng)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(wěn)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(xiàn)

3.1 脈沖輸出與數(shù)據(jù)采集

本文選用的HSV 3023S3型高速開關(guān)閥由脈寬調(diào)制信號控制，驅(qū)動電壓為24 V，而USB-6002型數(shù)據(jù)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(jié)采用數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字量輸出功能與固態(tài)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(qū)動高速開關(guān)閥工作，調(diào)節(jié)軋輥內(nèi)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(guān)系(圖3中的標定曲線)等多個參數(shù)進行定義，數(shù)據(jù)采集源程序如圖5所示。

3.2 模糊PID算法控制

本文設(shè)計的均勻軋車微油壓穩(wěn)定控制系統(tǒng)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(shè)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(shè)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(shè)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(huán)境下模糊PID控制器的設(shè)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(shù)據(jù)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(tǒng)應(yīng)用

4.1 油壓穩(wěn)定性測試

在MH552CF-180型均勻軋車上對本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)進行油壓穩(wěn)定性驗證。根據(jù)該軋車的工作范圍，設(shè)定氣壓為0.200 MPa、輥腔油壓為0.140 MPa。采集5 min內(nèi)油壓數(shù)據(jù)，均勻軋車改造前油壓控制方案與本文油壓控制方案的統(tǒng)計結(jié)果如圖8所示。當(dāng)預(yù)設(shè)油壓為0.140 MPa時，改造前與改造后系統(tǒng)的油壓：平均值分別為0.138和0.141 MPa，表明改造后系統(tǒng)油壓更接近預(yù)設(shè)值；極差分別為0.002 3和0.001 2 MPa，表明改造后系統(tǒng)油壓波動范圍更??；方差分別為1.13×10-6和3.01×10-7，表明改造后系統(tǒng)油壓整體更穩(wěn)定。由此可見，改造后系統(tǒng)控制方案的油壓穩(wěn)定性更好。

(a) 改造前

(b) 改造后

4.2 油壓微調(diào)性測試

在均勻軋車上進行油壓微量調(diào)節(jié)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(shù)據(jù)。氣壓為0.200 MPa時，油壓遞增和遞減時的時間響應(yīng)曲線如圖9所示。由圖9可知，在油壓允許的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)響應(yīng)時間短，超調(diào)量均小于0.002 MPa，且油壓的調(diào)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(chǎn)的要求。

(a) 油壓遞增

(b) 油壓遞減

5 結(jié) 語

本文針對均勻軋車輥腔的油壓微量調(diào)整和穩(wěn)定控制的生產(chǎn)需求，結(jié)合高速開關(guān)閥和上位機測控平臺的優(yōu)勢，搭建均勻軋車微油壓控制系統(tǒng)軟、硬件試驗平臺。相比以往的油壓控制方案，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好，且控制精度出現(xiàn)顯著提升，能夠通過模糊PID控制器實現(xiàn)最小分辨率為0.010 MPa的微量調(diào)節(jié)。