摘要:傳統(tǒng)密煉機(jī)料斗翻轉(zhuǎn)由蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng),粉塵污染極易導(dǎo)致電機(jī)負(fù)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(dòng)料斗翻轉(zhuǎn)既可解決該問(wèn)題,又便于維修。鑒于此,提出了一種基于液壓控制的密煉機(jī)料斗翻轉(zhuǎn)PID控制系統(tǒng),對(duì)其閉環(huán)控制方法進(jìn)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(duì)料斗翻轉(zhuǎn)特性及其影響因素進(jìn)行了仿真,獲得了料斗轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、旋轉(zhuǎn)阻尼和PID微分項(xiàng)系數(shù)對(duì)料斗翻轉(zhuǎn)啟停振動(dòng)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,減小料斗轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、增大旋轉(zhuǎn)阻尼可有效消除料斗翻轉(zhuǎn)振動(dòng);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(dòng);選取微分項(xiàng)系數(shù)為0.1時(shí),料斗翻轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)誤差基本消除。
關(guān)鍵詞:密煉機(jī);料斗翻轉(zhuǎn);PID;翻轉(zhuǎn)角度;振動(dòng)
中圖分類號(hào):TQ330.4? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? 文章編號(hào):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(jī)料斗翻轉(zhuǎn)力由蝸輪蝸桿提供,機(jī)器在密閉空間內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間工作,極易產(chǎn)生粉塵污染,導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載增大進(jìn)而嚴(yán)重?zé)龤щ姍C(jī)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(jìn)度。
基于此,對(duì)料斗翻轉(zhuǎn)擬采用液壓缸驅(qū)動(dòng)代替蝸輪蝸桿傳動(dòng);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(jī)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(jī)料斗翻轉(zhuǎn)閉環(huán)控制系統(tǒng),基于AMESim軟件搭建了密煉機(jī)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(diǎn)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(dòng)慣量、翻轉(zhuǎn)阻尼及PID控制器微分系數(shù)對(duì)翻轉(zhuǎn)角度波動(dòng)程度的影響,對(duì)密煉機(jī)料斗翻轉(zhuǎn)裝置研制及系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。
1? ? 基于角度控制的密煉機(jī)料斗翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)
基于角度控制的密煉機(jī)料斗翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示,此時(shí)翻轉(zhuǎn)液壓缸活塞處于縮回狀態(tài),密煉機(jī)料斗已翻轉(zhuǎn)卸料。設(shè)定密煉機(jī)料斗翻轉(zhuǎn)角度為θ。
密煉機(jī)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(jī)料斗翻轉(zhuǎn)角度目標(biāo)值為θ0。
圖2中電機(jī)帶動(dòng)定量泵工作,泵提供液壓缸動(dòng)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(shí)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(shí)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(jī)料斗翻轉(zhuǎn)角度閉環(huán)控制:密煉機(jī)翻轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)通過(guò)角度傳感器實(shí)時(shí)輸出料斗翻轉(zhuǎn)角度θ,通過(guò)反饋通道到達(dá)求和運(yùn)算器,與其目標(biāo)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(shí)時(shí)動(dòng)作,直至料斗翻轉(zhuǎn)角度逼近目標(biāo)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(kù)搭建如圖4所示的基于角度控制的密煉機(jī)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(jī)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(biāo)角度值為132°,輸入PID參數(shù)值:kp=10、ki=0.05、kd=0.01,時(shí)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(biāo)值的響應(yīng)時(shí)間約1.6 s,滯后0.2 s,實(shí)際料斗翻轉(zhuǎn)角度為132.4°,料斗翻轉(zhuǎn)過(guò)程中液壓缸活塞縮回速度可達(dá)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(dòng)和結(jié)束時(shí)沖擊振動(dòng)嚴(yán)重。
4? ? 翻轉(zhuǎn)特性影響因素研究
通過(guò)減小料斗轉(zhuǎn)動(dòng)慣量消除翻轉(zhuǎn)啟停沖擊,設(shè)置料斗轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為20、40、60、80 kg·m2進(jìn)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(dòng)慣量對(duì)料斗翻轉(zhuǎn)角度的影響。
由圖6可知,減小料斗轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)減小料斗翻轉(zhuǎn)角度具有明顯的效果。
在實(shí)際中可設(shè)計(jì)料斗形狀使其裝料重心與旋轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn)盡可能小,進(jìn)而減小料斗轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,降低料斗翻轉(zhuǎn)振動(dòng)。
通過(guò)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(jìn)行仿真,得到如圖7所示的料斗翻轉(zhuǎn)阻尼對(duì)翻轉(zhuǎn)角度的影響。
由圖7可知,當(dāng)料斗翻轉(zhuǎn)阻尼為400 N·m/(r/min)以上時(shí),料斗翻轉(zhuǎn)停止波動(dòng)基本消除。
設(shè)置PID控制器微分項(xiàng)系數(shù)分別為0.01、0.1、1、5進(jìn)行仿真,得到如圖8所示的PID微分項(xiàng)系數(shù)對(duì)翻轉(zhuǎn)角度的影響。
由圖8可知,增大PID微分項(xiàng)系數(shù),料斗翻轉(zhuǎn)停止沖擊逐漸消除,當(dāng)微分項(xiàng)系數(shù)為0.1時(shí),料斗翻轉(zhuǎn)波動(dòng)得到有效控制。
5? ? 結(jié)論
傳統(tǒng)密煉機(jī)料斗機(jī)械翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置提供,機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)因粉塵污染導(dǎo)致負(fù)載增大,進(jìn)而造成蝸輪蝸桿傳動(dòng)卡死,燒壞電機(jī)。針對(duì)此不足,采用液壓控制油缸提供料斗翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力,設(shè)計(jì)了一種密煉機(jī)料斗液壓翻轉(zhuǎn)角度PID閉環(huán)控制系統(tǒng),對(duì)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(jìn)行了仿真,重點(diǎn)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(duì)液壓控制式密煉機(jī)料斗翻轉(zhuǎn)裝置研制具有理論指導(dǎo)意義,主要得出以下結(jié)論:
(1)減小料斗轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、增大料斗旋轉(zhuǎn)阻尼,料斗翻轉(zhuǎn)振動(dòng)得到有效控制;
(2)PID微分項(xiàng)系數(shù)選取0.1,料斗翻轉(zhuǎn)角度曲線穩(wěn)態(tài)誤差較小。
[參考文獻(xiàn)]
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收稿日期:2023-03-02
作者簡(jiǎn)介:李楚(1992—),女,江蘇徐州人,碩士,助教,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與液壓傳動(dòng)科研教學(xué)工作。