摘要：傳統(tǒng)密煉機料斗翻轉(zhuǎn)由蝸輪蝸桿驅(qū)動，粉塵污染極易導致電機負載增大而燒毀或限位開關(guān)失靈，存在料斗卡死現(xiàn)象。采用液壓缸驅(qū)動料斗翻轉(zhuǎn)既可解決該問題，又便于維修。鑒于此，提出了一種基于液壓控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)PID控制系統(tǒng)，對其閉環(huán)控制方法進行了分析；基于AMESim搭建了料斗翻轉(zhuǎn)角度控制系統(tǒng)仿真模型，對料斗翻轉(zhuǎn)特性及其影響因素進行了仿真，獲得了料斗轉(zhuǎn)動慣量、旋轉(zhuǎn)阻尼和PID微分項系數(shù)對料斗翻轉(zhuǎn)啟停振動的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，減小料斗轉(zhuǎn)動慣量、增大旋轉(zhuǎn)阻尼可有效消除料斗翻轉(zhuǎn)振動；料斗旋轉(zhuǎn)阻尼大于400 N·m/（r/min）可有效控制料斗翻轉(zhuǎn)振動；選取微分項系數(shù)為0.1時，料斗翻轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)誤差基本消除。

關(guān)鍵詞：密煉機；料斗翻轉(zhuǎn)；PID；翻轉(zhuǎn)角度；振動

中圖分類號：TQ330.4? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2023）11-0057-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.11.015

0? ? 引言

傳統(tǒng)密煉機料斗翻轉(zhuǎn)力由蝸輪蝸桿提供，機器在密閉空間內(nèi)長時間工作，極易產(chǎn)生粉塵污染，導致電機負載增大進而嚴重燒毀電機或出現(xiàn)限位開關(guān)失靈現(xiàn)象，影響橡膠熔煉安全、成本和進度。

基于此，對料斗翻轉(zhuǎn)擬采用液壓缸驅(qū)動代替蝸輪蝸桿傳動；為提高料斗卸料率，需精確控制料斗翻轉(zhuǎn)角度，故引入閉環(huán)控制技術(shù)[1]。結(jié)合相關(guān)機械翻轉(zhuǎn)理論技術(shù)[2-3]和PID調(diào)節(jié)控制理論[4]，本文提出了一種基于角度控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)，基于AMESim軟件搭建了密煉機料斗翻轉(zhuǎn)角度PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，研究了基于翻轉(zhuǎn)液壓缸角度的PID閉環(huán)控制特性，重點分析了基于料斗翻轉(zhuǎn)角度控制特性的影響因素，仿真了料斗轉(zhuǎn)動慣量、翻轉(zhuǎn)阻尼及PID控制器微分系數(shù)對翻轉(zhuǎn)角度波動程度的影響，對密煉機料斗翻轉(zhuǎn)裝置研制及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計具有指導意義。

1? ? 基于角度控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)

基于角度控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖如圖1所示，此時翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞處于縮回狀態(tài)，密煉機料斗已翻轉(zhuǎn)卸料。設(shè)定密煉機料斗翻轉(zhuǎn)角度為θ。

密煉機料斗翻轉(zhuǎn)角度PID控制液壓系統(tǒng)如圖2所示[5-8]，使用角度傳感器及其傳輸通道構(gòu)成翻轉(zhuǎn)角度閉環(huán)控制液壓系統(tǒng)，設(shè)定密煉機料斗翻轉(zhuǎn)角度目標值為θ0。

圖2中電機帶動定量泵工作，泵提供液壓缸動作流量和壓力，比例換向閥換至左位，液壓缸活塞縮回，料斗逆時針旋轉(zhuǎn)卸料；比例換向閥換至右位，液壓缸活塞伸出，料斗順時針旋轉(zhuǎn)至待裝料狀態(tài)。

料斗翻轉(zhuǎn)角度閉環(huán)控制邏輯圖如圖3所示。

密煉機料斗翻轉(zhuǎn)角度閉環(huán)控制：密煉機翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)通過角度傳感器實時輸出料斗翻轉(zhuǎn)角度θ，通過反饋通道到達求和運算器，與其目標角度值θ0比較輸出角度誤差eθ，eθ傳輸?shù)絇ID控制器控制閥芯實時動作，直至料斗翻轉(zhuǎn)角度逼近目標角度值。

2? ? 基于角度控制的料斗翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)建模

基于AMESim軟件的液壓庫搭建如圖4所示的基于角度控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

3? ? 基于角度控制的翻轉(zhuǎn)控制特性仿真分析

在基于角度控制的密煉機料斗翻轉(zhuǎn)PID閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型中，設(shè)置料斗理想目標角度值為132°，輸入PID參數(shù)值：kp=10、ki=0.05、kd=0.01，時間間隔0.01 s，仿真3 s得到如圖5所示的基于角度閉環(huán)控制的料斗翻轉(zhuǎn)控制特性曲線，其中圖5（a）為基于角度閉環(huán)控制的料斗翻轉(zhuǎn)角度及液壓缸位移變化曲線，圖5（b）為基于角度閉環(huán)控制的料斗翻轉(zhuǎn)角速度及液壓缸速度變化曲線。

由圖5可知，基于翻轉(zhuǎn)角度閉環(huán)控制的料斗翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，料斗翻轉(zhuǎn)角度逼近目標值的響應(yīng)時間約1.6 s，滯后0.2 s，實際料斗翻轉(zhuǎn)角度為132.4°，料斗翻轉(zhuǎn)過程中液壓缸活塞縮回速度可達0.44 m/s，滯后位置控制系統(tǒng)0.04 m/s，料斗翻轉(zhuǎn)速度約為11.14 r/min，滯后位置控制系統(tǒng)0.9 r/min，料斗翻轉(zhuǎn)啟動和結(jié)束時沖擊振動嚴重。

4? ? 翻轉(zhuǎn)特性影響因素研究

通過減小料斗轉(zhuǎn)動慣量消除翻轉(zhuǎn)啟停沖擊，設(shè)置料斗轉(zhuǎn)動慣量分別為20、40、60、80 kg·m2進行基于角度控制的料斗翻轉(zhuǎn)仿真，得到如圖6所示的料斗轉(zhuǎn)動慣量對料斗翻轉(zhuǎn)角度的影響。

由圖6可知，減小料斗轉(zhuǎn)動慣量對減小料斗翻轉(zhuǎn)角度具有明顯的效果。

在實際中可設(shè)計料斗形狀使其裝料重心與旋轉(zhuǎn)鉸接點盡可能小，進而減小料斗轉(zhuǎn)動慣量，降低料斗翻轉(zhuǎn)振動。

通過增加阻尼消除翻轉(zhuǎn)啟停沖擊，設(shè)置料斗旋轉(zhuǎn)阻尼為100、400、700、1 000 N·m/（r/min）進行仿真，得到如圖7所示的料斗翻轉(zhuǎn)阻尼對翻轉(zhuǎn)角度的影響。

由圖7可知，當料斗翻轉(zhuǎn)阻尼為400 N·m/（r/min）以上時，料斗翻轉(zhuǎn)停止波動基本消除。

設(shè)置PID控制器微分項系數(shù)分別為0.01、0.1、1、5進行仿真，得到如圖8所示的PID微分項系數(shù)對翻轉(zhuǎn)角度的影響。

由圖8可知，增大PID微分項系數(shù)，料斗翻轉(zhuǎn)停止沖擊逐漸消除，當微分項系數(shù)為0.1時，料斗翻轉(zhuǎn)波動得到有效控制。

5? ? 結(jié)論

傳統(tǒng)密煉機料斗機械翻轉(zhuǎn)驅(qū)動力由電機帶動蝸輪蝸桿傳動裝置提供，機器長時間工作會因粉塵污染導致負載增大，進而造成蝸輪蝸桿傳動卡死，燒壞電機。針對此不足，采用液壓控制油缸提供料斗翻轉(zhuǎn)驅(qū)動力，設(shè)計了一種密煉機料斗液壓翻轉(zhuǎn)角度PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，對料斗翻轉(zhuǎn)角度、翻轉(zhuǎn)速度、液壓缸位移及液壓缸速度變化情況進行了仿真，重點研究了基于角度控制料斗翻轉(zhuǎn)特性的影響因素及其規(guī)律，對液壓控制式密煉機料斗翻轉(zhuǎn)裝置研制具有理論指導意義，主要得出以下結(jié)論：

（1）減小料斗轉(zhuǎn)動慣量、增大料斗旋轉(zhuǎn)阻尼，料斗翻轉(zhuǎn)振動得到有效控制；

（2）PID微分項系數(shù)選取0.1，料斗翻轉(zhuǎn)角度曲線穩(wěn)態(tài)誤差較小。

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收稿日期：2023-03-02

作者簡介：李楚（1992—），女，江蘇徐州人，碩士，助教，主要從事機械設(shè)計與液壓傳動科研教學工作。