CN102886917B - 有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统，在液压系统中设置伺服电机泵机构，伺服电机泵机构包括上位机PLC控制器，上位机PLC控制器与下位机专用控制器连接，专用控制器与执行器伺服电机连接，伺服电机驱动高低压定量齿轮双泵；在空程和压制初期的情况下，高低压定量齿轮双泵同时工作，实现系统大流量控制；而在压制状态下，降低伺服电机的转速，实现单、双泵的切换，从而控制压机的行程和速度。本发明结构合理，工作性能优异，能有效提高粉末成形用液压机压制精度。

Description

有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统

技术领域

本发明涉及一种提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统。

背景技术

粉末成形已成为一种非常重要的加工方式，是一种节能、节材、高效、少污染的先进制造技术，在材料和零件制造业中具有不可替代的地位和作用。然而，加工产品精度上，只有部分粉末成形专用液压机的产品尺寸精度可达IS7~8级，形位公差可达IS8~9级。对精度要求较高的产品难以用粉末成型的方式一次加工完成，往往需要后续加工，这样就增加了加工成本。另外，传统的粉末成形液压机的液压系统通常采用阀控系统，存在大量的溢流损失。其无功损耗大，并造成油温升高。

在粉末成形专用液压机压制产品的过程中，位置和压力的超调是造成制品精度不够的主要因素之一。超调往往是因为检测元件（如压力传感器、位移传感器）、换向阀等的响应滞后，在达到设定值和停止供油之间存在时间间隔，液压泵有多余的液压油流出，多余的液压油进入主油缸，必然造成压力超调或位置超调。而活塞杆自重很大，在惯性作用下难以立即停止，也是造成超调的因素之一。目前，伺服电机泵有了长足发展，给传统液压系统的控制注入了新的活力。利用伺服电机泵结合相应的控制策略解决液压系统的能耗问题及控制精度问题，正是本发明的意义所在。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能好的有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统。

本发明的技术解决方案是：

一种有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统，包括液压系统，其特征是：在液压系统中设置伺服电机泵机构，伺服电机泵机构包括上位机PLC控制器，上位机PLC控制器与下位机专用控制器连接，专用控制器与执行器伺服电机连接，伺服电机驱动高低压定量齿轮双泵；其中PLC控制器接收位移传感器、压力传感器实时信号，通过控制算法的实施，一方面输出电压指令给专用控制器，另一方面输出信号直接控制系统各种阀的动作；专用控制器执行上位机控制指令的过程中接收来自于内环压力传感器及转速编码器反馈的泵出口压力和电机转速信息，实时调整伺服电机转速，进而实时控制齿轮泵输出流量；在空程和压制初期的情况下，高低压定量齿轮双泵同时工作，实现系统大流量控制；而在压制状态下，降低伺服电机的转速，实现单、双泵的切换，从而控制压机的行程和速度。

系统中设置一套小流量供油支路，在压制状态下通过流量切换阀块动作，高压泵起作用，系统由大流量的插装阀组控制切换到伺服换向阀小流量精密控制状态。

专用控制器的控制方法采用分段控制的方法，即行程控制段和压力控制段；行程控制段即在系统快下过程中引入伺服泵控，此时伺服电机高速旋转，双泵以大流量输出，从而活塞杆快速下行；在慢下前期仍是泵控，此时流量因为控制器的运行指令而降低，在接近目标位移时，系统切入压力控制段，此时以压力控制为主，但位移传感器可以随时对位移进行校正。

系统的行程控制中加入死区补偿的措施，整个行程控制中采用自整定的智能PID控制，并包含有死区补偿器。

系统的压力控制采用多闭环的压力控制，以压力闭环为主反馈，压制力观测器为内环反馈，采用分段PID控制，PID参数由泵PQ工作状态自动调整；压制力由上、下腔压力差、位置/速度信号重构后用于反馈。

本发明结构合理，工作性能优异，能有效提高粉末成形用液压机压制精度。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是能源驱动装置控制形式图。

图2是小流量精密驱动支路图。

图3是分段控制示意图。

图4是行程控制流程图。

图5是多闭环压力控制框图。

图6是液压伺服回路总图。

具体实施方式

如图6所示液压伺服回路包括：专用控制器1，伺服电机2，过滤器3，高低压双齿轮定量泵4，冷却器5，流量切换阀块6，插装阀组7，伺服换向阀8，双向液压锁9，普通换向阀10，插装阀组11、12、13、14，液控单向阀18，压力传感器16，压力继电器17，位移传感器19，液压主缸20，PLC控制器22，油箱23等。该系统能采用伺服电机与定量泵组成的伺服电机泵能源供应装置，根据液压机状态和工艺程序，通过压力传感器16、位移传感器19将系统的压力信号、位置信号反馈给PLC控制器22，从而根据系统各阶段负载自动调整流量。

有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统，在液压系统中设置伺服电机泵机构，伺服电机泵机构包括上位机PLC控制器，上位机PLC控制器与下位机专用控制器连接，专用控制器与执行器伺服电机连接，伺服电机驱动高低压定量齿轮双泵；其中PLC控制器负责外环控制(系统控制)这包括系统的压力和主缸的位移、速度控制，即接收位移传感器、压力传感器实时信号，通过控制算法的实施，一方面输出电压指令(模拟量)给专用控制器，另一方面输出信号直接控制系统各种阀的动作。专用控制器负责内环控制，这包括执行上位机控制指令的过程中接收来自于内环压力传感器和转速编码器反馈的泵出口压力和电机转速信息，实时调整伺服电机转速，进而实时控制齿轮泵输出流量。在空程和压制初期的情况下，高低压定量齿轮双泵同时工作，实现系统大流量控制；而在压制状态下，降低伺服电机的转速，实现单、双泵的切换，从而控制压机的行程和速度。

为了进一步提高系统的控制精度，设计了一套小流量供油支路，即在压制状态下流量切换阀块6动作，高压泵起作用，系统由大流量的插装阀组控制切换到伺服换向阀8小流量精密控制状态(如图2所示)，使系统得到及时的响应。

专用控制器的控制方法采用分段控制的方法，即行程控制段和压力控制段。行程控制段即在系统快下过程中引入伺服泵控，此时伺服电机高速旋转，双泵以大流量输出，从而活塞杆快速下行；在慢下前期仍是泵控，此时流量因为控制器的运行指令而降低，在接近目标位移时，系统切入压力控制段，此时以压力控制为主，但位移传感器可以随时对位移进行校正，从而达到较好的位置控制精度。通过实施分段控制的策略不仅可以有效降低能耗，而且行程控制和压力控制相互协调使得控制精度进一步提高。

系统的行程控制中加入死区补偿的措施。整个行程控制中采用自整定的智能PID控制，并包含有死区补偿器，并可对系统的电磁阀等死区和主缸由于自重的原因造成的误差进行灵活的补偿。

系统的压力控制采用多闭环的压力控制，以压力闭环为主反馈，压制力观测器为内环反馈，采用分段PID控制，PID参数由泵PQ工作状态自动调整；压制力由上、下腔压力差、位置/速度信号重构后用于反馈，以改善系统的阻尼等特性。

当快速下行时，伺服电机双泵同时工作流量切换阀块6的YA10得电，插装阀组14的YA6得电，插装阀组13的YA4得电系统大流量输出，油液进入主缸20的无杆腔，主缸活塞快速下行。待连于主缸活塞的滑块到达预先设定值S2时，主缸活塞由快下转入慢下，此时插装阀组13的YA4失电、YA3得电，PLC控制器接收到主缸压力传感器和位移传感器反馈的信号运算后，下达控制指令给专用控制器调节伺服电机泵的流量输出，使得主缸下腔溢流几乎为零。主缸活塞继续下行，达到设定值S3时，系统进入压制状态，此时流量切换阀块6的的YA10失电，仅高压泵对系统工作。进入压制状态之前为行程控制阶段，此阶段以位移控制为主，压力控制为辅；进入压制阶段后为压力控制阶段，此阶段以压力控制为主，行程控制为辅。进入压制阶段初期，高压泵输出的压力油仍通过插装阀组14进入主缸的上腔，压制力由差动缸上、下腔压力压制力由差动缸上、下腔压力、位置/速度信号重构后用于反馈。由于要同时满足零件的密度和高度的要求，压机必须既是定压压机，又是定程压机，即系统中有位置、速度控制和压力控制两个基本闭环控制回路，因此在每一个控制回路中，分别以位置和压力其中一个为主，另一个为辅。下面给出了本设备的压力控制策略。

粉末成形液压机的压力对于压坯的尺寸和密度至关重要，但由于制品的反弹特性，系统压力必须反复调整，时刻检控才能保障制品密度的一致性。当系统以压力控制为主时，如图4所示是基于制品密度信息反馈的多闭环压力伺服控制策略。系统由三个闭环反馈，以压力闭环为主反馈，压制力观测器为内环反馈，采用分段PID控制，PID参数由泵PQ工作状态自动调整；压制力由差动缸上、下腔压力、位置/速度信号重构后用于反馈，以改善系统的阻尼等特性；制品密度信息在线反馈后修正名义压力指令，以使实际压力输出最优。

图中的分段PID控制器，采用智能化鲁棒分段PID控制策略，Pi、Qi为液压泵控制指令，P_UG、P_DG、P_P2、P_P3为比例增益，PI_1、PI_2、PI_3为积分增益，控制器按照泵当前工作状态自动调整增益，可方便地调整系统压力的响应特性，并对系统软参数的变化具有很强的鲁棒性。

在压力控制的末段，系统切换到小流量精密驱动支路，位移传感器将主缸的位移信息反馈给控制器，进行如下的分析计算：

当由于摩擦的影响，在目标值附近存在不敏感区，会产生固定的定位误差时要通过积分补充。PID算法如下：

$u^{\′}\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+K_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

式中，Kp为比例增益；Kd为微分系数；KI为积分系数

由于采用PLC控制，PID控制的实现需用数值逼近的方法，当闭环控制采样周期相当短时，用差分方程代替微分方程，其算法为

$u^{\′}\left(k\right)=K_p+K_d\frac{e\left(k\right)-e(k-1)}{T}+K_{i}T{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{k}e\left(i\right)---\left(2\right)$

式中T为闭环采样周期；k为采样序号。

在实际应用中，可能执行机构在控制输入很小时，会出现不动作的情况，这种死区会造成控制系统的不稳定和到达稳态时间加长，为消除其影响，一般在控制环节中采用死区补偿器，它是典型的非线性环节，死区ε是一个可调参数，视情况而定，但注意：ε太小，系统将产生很大的滞后；ε太大，容易振荡。

控制器选择PD算法，控制器采样周期选择为控制程序的扫描周期，Kp和Kd的选择注意：增大Kp将加快定位过程，有利于消除稳态位置误差，但过大目标位置会出现振荡；增大Kd，有利于加快定位过程，使超调减小，但系统抗干扰能力减弱，控制流程图见图4。

Claims (5)

1. 一种有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统，包括液压系统，其特征是：在液压系统中设置伺服电机泵机构，伺服电机泵机构包括上位机PLC控制器，上位机PLC控制器与下位机专用控制器连接，专用控制器与执行器伺服电机连接，伺服电机驱动高低压定量齿轮双泵；其中PLC控制器接收位移传感器、压力传感器实时信号，通过控制算法的实施，一方面输出电压指令给专用控制器，另一方面输出信号直接控制系统各种阀的动作；专用控制器执行上位机控制指令的过程中接收来自于内环压力传感器及转速编码器反馈的泵出口压力和电机转速信息，实时调整伺服电机转速，进而实时控制齿轮泵输出流量；在空程和压制初期的情况下，高低压定量齿轮双泵同时工作，实现系统大流量控制；而在压制状态下，降低伺服电机的转速，实现单、双泵的切换，从而控制压机的行程和速度。

2. 根据权利要求1所述的有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统，其特征是：系统中设置一套小流量供油支路，在压制状态下通过流量切换阀块动作，高压泵起作用，系统由大流量的插装阀组控制切换到伺服换向阀小流量精密控制状态。

3. 根据权利要求1所述的有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统，其特征是：专用控制器的控制方法采用分段控制的方法，即行程控制段和压力控制段；行程控制段即在系统快下过程中引入伺服泵控，此时伺服电机高速旋转，双泵以大流量输出，从而活塞杆快速下行；在慢下前期仍是泵控，此时流量因为控制器的运行指令而降低，在接近目标位移时，系统切入压力控制段，此时以压力控制为主，但位移传感器可以随时对位移进行校正。

4. 根据权利要求1、2或3所述的有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统，其特征是：系统的行程控制中加入死区补偿的措施，整个行程控制中采用自整定的智能PID控制，并包含有死区补偿器。

5. 根据权利要求1、2或3所述的有效提高粉末成形用液压机压制精度的液压伺服控制系统，其特征是：系统的压力控制采用多闭环的压力控制，以压力闭环为主反馈，压制力观测器为内环反馈，采用分段PID控制，PID参数由泵PQ工作状态自动调整；压制力由上、下腔压力差、位置/速度信号重构后用于反馈。

Images