CN104100584A - 一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锻造液压机活动横梁速度控制技术领域，公开了一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统及方法。该锻造液压机活动横梁的速度控制系统，包括液压缸、油箱、可编程逻辑控制器、比例流量泵、比例放大器、至少一个比例流量阀、功率放大器、PID控制器、位移传感器，比例流量泵的入口连接油箱，出口分别连接所有比例流量阀的入口；液压缸的工质入口分别连接所有比例流量阀的出口；可编程逻辑控制器的信号输入端电连接位移传感器，信号输出端分别电连接比例放大器的、所有PID控制器，比例放大器的输出端电连接比例流量泵；每个PID控制器的输出端电连接对应的功率放大器的输入端，每个功率放大器的输出端电连接对应的比例流量阀。

Description

一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统及方法

技术领域

本发明属于锻造液压机活动横梁速度控制技术领域，特别涉及一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统及方法。

背景技术

锻造液压机在进行恒应变速率等温锻造时，其活动横梁的速度按指数规律下降，即需要实现无级调速。但是，一些锻造液压机的活动横梁速度只有有限的几种，不能满足恒应变速率等温锻造的工艺需求。为了实现活动横梁的无级调速，通常采用阀控(节流控制)和泵控(容积控制)两种方式。阀控方式控制精度较高，可以满足等温锻造工艺对活动横梁工作速度的要求；但由于节流调速回路不可避免地存在着溢流损失和节流损失，致使其效率很低，油温上升快。泵控方式主要采用比例流量泵实现活动横梁的无级调速。既没有溢流损失，又没有节流损失，其工作效率决定于泵和油缸的效率，效率较高，发热少，广泛应用于功率较大的液压系统中。但比例流量泵惯性大，动态性能不及比例流量阀，低速稳定性差，且控制精度比阀控方式要低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统及方法。本发明能在满足活动横梁速度控制精度的前提下，大大减少能耗和液压系统发热量。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统，包括液压缸、管路和用于提供工质的油箱、可编程逻辑控制器、比例流量泵、在比例流量泵控制端设置的比例放大器、至少一个比例流量阀、在每个比例流量阀控制端设置的对应的功率放大器、在每个功率放大器输入端设置的对应的PID控制器、以及用于测量活动横梁位移的位移传感器，所述比例流量泵的入口通过管路连接油箱；所述每个比例流量阀的入口对应设置有一个电液换向阀，每个比例流量阀通过管路、以及对应的电液换向阀连接比例流量泵的出口；液压缸的工质入口通过管路分别连接所有比例流量阀的出口；

所述可编程逻辑控制器的信号输入端电连接位移传感器，所述可编程逻辑控制器的信号输出端分别电连接比例放大器的输入端以及所有电液换向阀的控制端，所述可编程逻辑控制器的模拟量输出模块分别电连接所有PID控制器的输入端；所述比例放大器的输出端电连接比例流量泵的控制端；每个PID控制器的输出端电连接对应的功率放大器的输入端，所述每个功率放大器的输出端电连接对应的比例流量阀的控制端。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

所述一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统，还包括至少一个定量泵，每个定量泵的入口通过管路连接油箱，所有定量泵的出口汇成一个总管道，总管道分别连接所有的电液换向阀；每个定量泵的入口处设置有对应的电磁溢流阀，所述可编程逻辑控制器的数字量输出模块分别电连接所有电磁溢流阀的控制端。

所述一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统还包括触摸屏，所述可编程逻辑控制器通过I/O接口电连接触摸屏。

所述每个PID控制器为带参数自整定功能的PID控制器。

所述位移传感器采用无接触式位移传感器；

所述比例流量泵采用A7V117EP1RPFOO型斜轴式轴向柱塞比例流量泵，所述比例放大器采用VT-2000比例放大器；

所述比例流量阀的个数为2，其中一个比例流量阀采用EFG-10-500型比例流量阀，另一个比例流量阀采用2FRE10-40B/60L型比例流量阀。

技术方案二：

一种锻造液压机活动横梁的速度控制方法，基于上述一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统，包括以下步骤：

S1：可编程逻辑控制器控制开启任意一个电液换向阀，并控制关闭其余的电液换向阀；比例流量泵将工质从油箱抽出，并将工质送入处于开启状态的电液换向阀中，工质通过电液换向阀之后被送入至相应的比例流量阀中，工质通过比例流量阀之后，被送入至液压缸中，工质的压力通过液压缸活塞传递至活动横梁，活动横梁开始移动加载；锻造液压机对锻件进行恒应变速率等温锻造；位移传感器实时测量活动横梁的位置，可编程逻辑控制器在每个采样周期获取一次来自位移传感器的活动横梁位置数据；

S2：可编程逻辑控制器存储有锻件初始高度、以及锻件应变速率，可编程逻辑控制器根据锻件初始高度、锻件应变速率、以及进行等温锻造的时间，计算出进行等温锻造时活动横梁的速度设定值；可编程逻辑控制器在每个采样周期计算一次活动横梁的速度设定值；可编程逻辑控制器将当前采样周期计算出的活动横梁的速度设定值输出至对应的PID控制器；

S3：可编程逻辑控制器根据液压系统泄漏流量设定值、以及当前采样周期得出的活动横梁的速度设定值，计算得出进行等温锻造时比例流量泵排量值；可编程逻辑控制器根据进行等温锻造时比例流量泵的排量值，向比例放大器发送对应的控制信号，从而控制比例流量泵的排量；

可编程逻辑控制器计算出活动横梁在当前采样周期内的位移量，所述活动横梁在当前采样周期内的位移量为：当前采样周期与上一采样周期活动横梁的速度设定值的差值，将活动横梁在当前采样周期内的位移量除以采样周期长度，得出当前采样周期活动横梁的速度过程值；可编程逻辑控制器将当前采样周期活动横梁的速度过程值输出至对应的PID控制器；

S4：对应的PID控制器根据当前采样周期计算出的活动横梁的速度设定值与当前采样周期活动横梁的速度过程值的偏差，向对应的功率放大器发送对应的控制信号，功率放大器对控制信号进行放大，并将放大后的控制信号发送至对应的比例流量阀，以此控制对应的比例流量阀的流量；

S5：重复步骤S1至步骤S4，直至恒应变速率等温锻造的过程结束。

本技术方案的特点和进一步改进在于：

在步骤S1中，当至少一个电磁溢流阀处于打开状态时，对应的定量泵将工质从油箱吸出，并将工质泵入至相应的电液换向阀中，工质通过对应的电液换向阀被送入至相应的比例流量阀中；

在步骤S3中，可编程逻辑控制器根据当前采样周期得出的活动横梁的速度设定值，以及液压缸活塞的直径，计算得出当前采样周期液压系统理论流量值；根据当前采样周期液压系统理论流量值、液压系统泄漏流量设定值、以及定量泵的排量，得出当前采样周期需要处于打开状态的电磁溢流阀的个数n，n为自然数；然后根据当前采样周期需要处于打开状态的电磁溢流阀的个数n，控制每个电磁溢流阀的工作状态。

本发明的有益效果为：能在满足活动横梁速度控制精度的前提下，大大减少能耗和液压系统发热量。

附图说明

图1为本发明的一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统的结构示意图；

图2为本发明的A7V117EP1RPFOO型斜轴式轴向柱塞比例流量泵的电路—排量曲线示意图；

图3为本发明的EFG-10-500型比例流量阀的工作特性曲线示意图；

图4为2FRE10-40B/60L比例流量阀的工作特性曲线示意图；

图5为本发明在等温锻造恒应变速率工作模式下，泵及比例流量阀的实用方案示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

锻造液压机在进行恒应变速率等温锻造时，其活动横梁的速度按指数规律下降，即需要实现无级调速。但是，一些锻造液压机的活动横梁速度只有有限的几种，不能满足恒应变速率等温锻造的工艺需求。例如，现有技术中，31.5MN锻造液压机的活动横梁速度只有表1中的六种，不能满足等温锻造的工艺要求。

表1 31.5MN锻造液压机的活动横梁速度

为了实现活动横梁的无级调速，通常采用阀控(节流控制)和泵控(容积控制)两种方式。阀控方式控制精度较高，可以满足等温锻造工艺对活动横梁工作速度的要求；但由于节流调速回路不可避免地存在着溢流损失和节流损失，致使其效率很低，油温上升快。泵控方式主要采用比例流量泵实现活动横梁的无级调速。既没有溢流损失，又没有节流损失，其工作效率决定于泵和油缸的效率，效率较高，发热少，广泛应用于功率较大的液压系统中。但比例流量泵惯性大，动态性能不及比例流量阀，低速稳定性差，且控制精度比阀控方式要低。

本发明实施例中，以31.5MN锻造液压机为例，说明锻造液压机的控制系统及控制方法。采用比例流量泵和比例流量阀组合的速度控制方式(比例流量泵粗调系统流量，开环控制，比例流量阀精调系统流量，闭环控制)，即满足了速度控制精度，大大减少了系统发热。锻造液压机在进行恒应变速率等温锻造时活动横梁的速度为，其中，h0为锻件初始高度，为锻件应变速率，t为时间。当锻件初始高度h₀为500mm，锻后高度h为10mm时，可以按照上述活动横梁的速度的计算公式得出各应变速率所对应的活动横梁最大速度、活动横梁最小速度、液压系统理论流量最大值、液压系统理论流量最小值(参见表2)。

由表2可知，如果要在31.5MN锻造液压机上进行各种材料(指锻件)的恒应变速率等温锻造 $(h_0\≤500\mathrm{mm},1\×{10}^{-4}{s}^{-1}\≤\stackrel{\·}{\mathrm{\ϵ}\≤1\×{10}^{-2}{s}^{-1}}),$ ，其活动横梁速度应能够在0.001mm/s～5mm/s之间无级调节(对应液压系统理论流量的调节范围为0.095L/min～475L/min)。最大速度是最小速度的5000倍，可见活动横梁速度的调节范围相当宽。

表1—2 各应变速率下活动横梁最大、最小速度及流量

参照图1，为本发明的一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统的结构示意图。该锻造液压机活动横梁的速度控制系统包括液压缸、管路和油箱。其中，油箱用于提供工质，而液压缸设置有活塞和活动横梁，在工质液体的压力下，活动横梁开始移动，从而实现锻件的锻造。该锻造液压机用于进行恒应变速率等温锻造。工质可以根据需要进行选择，例如，工质为油液，液压缸为油缸。

本发明实施例中，该锻造液压机活动横梁的速度控制系统主要采用比例流量泵。其中，比例流量泵的入口通过管路连接油箱，比例流量泵用于将工质从油箱中泵出，比例流量泵在对应的控制信号下能够改变自身的排量。例如，比例流量泵采用北京华德液压工业集团有限责任公司生产的A7V117EP1RPFOO型斜轴式轴向柱塞比例流量泵。特性参数如下：额定压力：35MPa，最小排量(V_gmin)～最大排量(V_gmax)：0～117mL/r(毫升每转)，调节时间(V_gmax～V_gmin)：0.25s，参照图2，为本发明的A7V117EP1RPFOO型斜轴式轴向柱塞比例流量泵的电路—排量曲线示意图。图2中横坐标表示排量V_g与最大排量(117mL/r)之比值，纵坐标表示该比例流量泵的输入电流(mA)。

由表2可知，当锻件初始高度h₀为500mm，锻后高度h为10mm，锻件应变速率在10^-2s^-1～10^-4s^-1之间时，液压系统理论流量最大值为475L/min。如果按该流量选择比例流量泵，根据表2，当锻件应变速率较小或在等温锻造的后期阶段，比例流量泵的排量与液压系统实际所需的流量会相差太大，出现“大马拉小车”现象。因此，在本发明实施例中，还设置有至少一个定量泵，例如选用3个流量为160L/min的定量泵，采用比例流量泵与定量泵的组合，既可满足液压系统大流量的要求，又可减小比例流量泵及其驱动电机的体积和功率。所需定量泵的数量根据液压系统最大流量值来决定，本发明实施例中，比例流量泵的最大流量大于或等于定量泵的流量(160L/min)。

本发明的锻造液压机活动横梁的速度控制系统还包括两个比例流量阀：第一比例流量阀和第二比例流量阀，其中，第一比例流量阀采用日本油研(YUKEN)公司生产的EFG-10-500型比例流量阀(流量调节范围：5～500L/min；)，该比例流量阀带压力温度补偿，设定流量将不受压力及温度变化的影响。参照图3，为本发明的EFG-10-500型比例流量阀的工作特性曲线示意图。图3中，横坐标为输入控制信号的电流值，纵坐标为该比例流量阀的流量。第二比例流量阀采用德国力士乐(REXROTH)公司生产的2FRE10-40B/60L型比例流量阀，其流量调节范围为0～60L/min。参照图4，为2FRE10-40B/60L比例流量阀的工作特性曲线示意图。图4中，横坐标为输入控制信号的电压与输入控制信号的最大电压值之比，纵坐标表示该比例流量阀的流量。

本发明的锻造液压机活动横梁的速度控制系统还包括位移传感器、可编程逻辑控制器、两个PID控制器(第一PID控制器、第二PID控制器)以及触摸屏。其中，位移传感器设置在活动横梁上，用于实时测量活动横梁的位移，位移传感器采用德国Nouotechnik公司生产的无接触式位移传感器，型号为TLM 0600 001 421 101，量程为600mm，其输出信号的电流值为0～20mA。可编程逻辑控制器具有紧凑型CPU313C、PS307电源模块、模拟量输入输出模块、数字量输入输出模块。每个PID控制器采用带有参数自整定功能的欧陆表815S，从而具有很好的适应能力和很高的控制精度。触摸屏选用西门子触摸屏TP170B。

结合图1，在本发明实施例中，比例流量泵的入口通过管路连接油箱，液压缸的工质入口通过管路分别连接所有比例流量阀的出口。第一比例流量阀的入口对应设置有第一电液换向阀，第二比例流量阀的入口对应设置有第二电液换向阀。第一比例流量阀通过第一电液换向阀、管路连接比例流量泵的出口，第二比例流量阀通过第二电液换向阀、管路连接比例流量泵的出口。也就是说，每个电液换向阀具有一个比例流量泵进口端，每个电液换向阀通过比例流量泵进口端以及管路连接该比例流量泵的出口，每个电液换向阀的出口端连接对应的比例流量阀的入口。

对于本发明的3个定量泵来说，每个定量泵的入口通过管路连接油箱，所有定量泵的出口汇成一个总管道，总管道分别连接所有的电液换向阀(第一电液换向阀和第二电液换向阀)。每个电液换向阀具有总管道进口端，每个电液换向阀通过总管道连接所有的定量泵，例如，第一电液换向阀具有3个定量泵进总管道口端，第一电液换向阀通过这3个定量泵的总管道进口端对应连接3个定量泵。

结合图1，在本发明实施例中，在比例流量泵控制端设置有比例放大器，比例放大器的输出端电连接比例流量泵的控制端，该比例放大器采用VT-2000比例放大器。在第一比例流量阀的控制端电连接有第一功率放大器，第一功率放大器的输入端电连接第一PID控制器的输出端，第一功率放大器的输出端电连接第一比例流量阀的控制端，第一功率放大器的型号为AME-D-40-200。在第二比例流量阀的控制端电连接有第二功率放大器，第二功率放大器的输入端电连接第二PID控制器的输出端，第二功率放大器的输出端电连接第二比例流量阀的控制端，第二功率放大器的型号为YT5004-S20。

结合图1，在本发明实施例中，可编程逻辑控制器的信号输入端电连接位移传感器，可编程逻辑控制器的信号输出端分别电连接比例放大器的输入端、所有PID控制器的输入端。可编程逻辑控制器电连接触摸屏。例如，可编程逻辑控制器通过IW752接口电连接位移传感器的输出端，可编程逻辑控制器通过QW320、QW324接口电连接第一PID控制器的输入端，可编程逻辑控制器通过QW320、QW324接口电连接第二PID控制器的输入端。可编程逻辑控制器通过QW752接口电连接比例放大器的输入端。可编程逻辑控制器通过MPI接口电连接触摸屏。触摸屏用于向可编程逻辑控制器输入各种设定值和已知数据，也能够显示可编程逻辑控制器中计算出的实时数据。

结合图1，在本发明实施例中，可编程逻辑控制器的信号输出端电连接所有电液换向阀的控制端，每个定量泵的入口处设置有对应的电磁溢流阀，可编程逻辑控制器的信号输出端电连接所有电磁溢流阀的控制端。这样，可编程逻辑控制器能够通过电磁溢流阀来控制定量泵的工质供应。本发明实施例中，每个定量泵始终保持开启状态，如果其中一个电磁溢流阀或几个电磁溢流阀处于打开状态时，对应的定量泵能够将工质输送出去；如果其中一个电磁溢流阀或几个电磁溢流阀处于关断状态时，对应的定量泵处于空载运行状态，此时定量泵的运行功率几乎为零。

本发明的一种锻造液压机活动横梁的速度控制方法，包括以下步骤：

S1：可编程逻辑控制器控制开启任意一个电液换向阀，并控制关闭其余的电液换向阀；下面以开启第一电液换向阀为例进行说明。

比例流量泵将工质从油箱抽出，并将工质送入第一电液换向阀中，工质通过第一电液换向阀之后被送入至第一比例流量阀中。

定量泵将工质从油箱抽出，定量泵输出的压力油(工质)汇总至总管路后，被输入至第一电液换向阀，压力油(工质)通过第一电液换向阀之后被送入至第一比例流量阀中。

质通过比例流量阀之后，被送入至液压缸中，工质的压力通过液压缸活塞传递至活动横梁，活动横梁开始移动加载；锻造液压机对锻件进行恒应变速率等温锻造；位移传感器实时测量活动横梁的位置，可编程逻辑控制器在每个采样周期获取一次来自位移传感器的活动横梁位置数据(位移传感器将活动横梁位置数据以电流信号形式发送至可编程逻辑控制器)。

S2：可编程逻辑控制器存储有锻件初始高度、以及锻件应变速率，例如，可以通过触摸屏向可编程逻辑控制器输入锻件初始高度、以及锻件应变速率。可编程逻辑控制器根据锻件初始高度、锻件应变速率、以及进行等温锻造的时间，计算出活动横梁在对应时间内的速度设定值，其计算公式为：，其中，h₀为锻件初始高度，为锻件应变速率，t为时间。例如，可编程逻辑控制器在每个采样周期计算一次活动横梁在对应时间内的速度设定值，可编程逻辑控制器的模拟量输出模块以电压信号的形式向对应的PID控制器发送数据。

S3：可编程逻辑控制器根据当前采样周期得出的活动横梁的速度设定值，以及液压缸活塞的直径，计算得出当前采样周期液压系统理论流量值；根据当前采样周期液压系统理论流量值、液压系统泄漏流量设定值、以及定量泵的排量，得出当前采样周期需要处于打开状态的电磁溢流阀的个数n，n为自然数；然后根据当前采样周期需要处于打开状态的电磁溢流阀的个数n，控制每个电磁溢流阀的工作状态。同时，可编程逻辑控制器根据液压系统泄漏流量设定值、以及当前采样周期得出的活动横梁的速度设定值，计算得出进行等温锻造时比例流量泵排量值；可编程逻辑控制器根据进行等温锻造时比例流量泵的排量值，向比例放大器发送对应的控制信号，从而控制比例流量泵的排量。

具体地说，液压系统理论流量值Q_理论＝vπD²/4，该式中，v为当前采样周期得出的活动横梁的速度设定值，D为液压缸活塞的直径。而根据当前采样周期得出的活动横梁的速度设定值的计算公式，可知活动横梁在等温锻造初始时刻(t＝0)的速度设定值为活动横梁的最大速度设定值(此时，活动横梁的最大速度设定值为)，根据液压系统理论流量值的计算公式，与活动横梁的最大速度设定值对应的液压系统理论流量值为液压系统理论最大流量值Q_max。将该液压系统理论最大流量值Q_max与液压系统泄漏流量Q_xl设定值相加，即可得出液压系统最大流量值Q_zd，在进行一次恒应变速率等温锻造时所需打开的电磁溢流阀的个数与Q_zd、以及定量泵的排量有着密切的关系。例如，将Q_max除以定量泵的排量，其商为进行一次恒应变速率等温锻造时所需打开的电磁溢流阀的个数。假设定量泵的排量为160L/min，而进行一次恒应变速率等温锻造时计算出的液压系统最大流量值Q_zd为500L/min，则需要打开3个电磁溢流阀。

需要说明的是，在进行一次恒应变速率等温锻造，并不是始终都打开这3个电磁溢流阀。而是在该次恒应变速率等温锻造的初始时刻，打开3个电磁溢流阀，随着该次恒应变速率等温锻造的进行，控制3个电磁溢流阀逐个关闭，其具体工作过程如下：在一次恒应变速率等温锻造的过程中，可编程逻辑控制器在计算出液压系统理论流量值Q_理论之后，将液压系统理论流量值与液压系统泄漏流量设定值相加得到对应时间内液压系统总流量值Q_总。可编程逻辑控制器根据对应时间内液压系统总流量值Q_总、以及定量泵的排量，计算得出对应时间内需要处于打开状态的电磁溢流阀的个数n(将Q_总除以定量泵的排量，其商为对应时间内需要处于打开状态的电磁溢流阀的个数n)，n≥0。由此可知，如果处于该次恒应变速率等温锻造的初始时刻，则Q_总等于Q_zd。随着该次恒应变速率等温锻造的进行，活动横梁在对应时间内的速度设定值会逐渐降低，从而对应时间内液压系统理论流量值Q_理论和对应时间内液压系统总流量值Q_总也会随之降低。这样，对应时间内需要处于打开状态的电磁溢流阀的个数也会逐渐降低，(在逐个关闭电磁溢流阀时，在PLC中可以利用PLC定时器进行中断控制)。最终，所有的电磁溢流阀都会关闭。

本发明实施例中，在计算出对应时间内液压系统总流量值Q_总之后，将对应时间内液压系统总流量值Q_总减去对应时间内所有定量泵的排量，即得出对应时间内比例流量泵排量值Q_bl。

以下是进行一次恒应变速率等温锻造时泵(包括比例流量泵和定量泵)使用的具体实施例，在进行该次恒应变速率等温锻造，定量泵的个数为3，其流量为160L/min。参照图5，为本发明在等温锻造恒应变速率工作模式下，泵及比例流量阀的实用方案示意图。图5中，横坐标表示时间，纵坐标表示液压系统总流量值Q_总。以下分四种情况对图5进行说明：

1)当液压系统最大流量值Q_zd大于480L/min(即3个定量泵的流量之和)时，参见流量曲线1(曲线ABCDE)。在流量曲线1(曲线ABCDE)的AB段(时间从0～t₂)，Q_总大于480L/min，此时控制3个电磁溢流阀开启，3台定量泵和比例流量泵从充液箱中泵出压力油，此时比例流量泵排量值Q_bl＝Q_总-480。在流量曲线1的BC段(时间从t₂～t₃)，480L/min≥Q_总＞320L/min，此时控制2个电磁溢流阀开启，2台对应的定量泵和比例流量泵从油箱中泵出液体，此时Q_bl＝Q_总-320。在流量曲线1(曲线ABCDE)的CD段(时间从t₃～t₅)，320L/min≥Q_总＞160L/min，此时控制1个电磁溢流阀开启，1台对应的定量泵和比例流量泵从油箱中泵出压力油，此时，Q_bl＝Q_总-160。在流量曲线1的DE段(时间在t₅之后)，160L/min≥Q_总＞0L/min，控制所有电磁溢流阀关闭，只开启比例流量泵，此时Q_bl＝Q_总。

2)当480L/min≥Q_zd＞320L/min(即2个定量泵的排量)时，参见流量曲线2(曲线A′B′C′D′)，在流量曲线2的A′B′段(时间从0～t₁)，480L/min≥Q_总＞320L/min，此时控制2个电磁溢流阀开启，2台对应的定量泵和比例流量泵从油箱中泵出压力油，此时Q_bl＝Q_总-320。在流量曲线2的B′C′段(时间从t₁～t₄)，320L/min≥Q_总＞160L/min，此时控制1个电磁溢流阀开启，1台对应的定量泵和比例流量泵从油箱中泵出压力油，此时，Q_bl＝Q_总-160。在流量曲线2的C′D′段(时间在t₄之后)，160L/min≥Q_总＞0L/min，控制所有电磁溢流阀关闭，只开启比例流量泵，此时Q_bl＝Q_总。

3)320L/min≥Q_zd＞160L/min，参见流量曲线3，这时定量泵和比例流量泵的使用方案与情况1(或情况2)类似，在此不再重复。

4)160L/min≥Q_zd＞0L/min，参见流量曲线4，此时160L/min≥Q_总＞0L/min，控制所有电磁溢流阀关闭，只开启比例流量泵，此时Q_bl＝Q_总。

以下是两个比例流量阀的控制方案：可编程逻辑控制器计算出活动横梁在当前采样周期内的位移量，所述活动横梁在当前采样周期内的位移量为：当前采样周期与上一采样周期活动横梁的速度设定值的差值，将活动横梁在当前采样周期内的位移量除以采样周期长度，得出当前采样周期活动横梁的速度过程值；可编程逻辑控制器将当前采样周期活动横梁的速度过程值输出至对应的PID控制器(可编程逻辑控制器的模拟量输出模块以电压信号的形式向对应的PID控制器发送数据)；所述对应的PID控制器为与处于开启状态的电液换向阀对应的PID控制器，当第一电液换向阀处于开启状态时，所述对应的PID控制器为第一PID控制器。

对应的PID控制器根据当前采样周期计算出的活动横梁的速度设定值与当前采样周期活动横梁的速度过程值的偏差，向对应的功率放大器发送对应的控制信号，功率放大器对控制信号进行放大，并将放大后的控制信号发送至对应的比例流量阀，以此控制对应的比例流量阀的流量；

以下是两个比例流量阀使用的一个具体实施例：1)当锻件的应变速率在1×10^-2s^-1和6×10^-3s^-1之间，且Q_理论在475L/min和5.7L/min之间时，第一电液换向阀开启，由第一比例流量阀(EFG-10-500型比例流量阀)控制流入至液压缸的工质流量；第二电液换向阀关闭，第二比例流量阀(2FRE10-40B/60L比例流量阀)的控制端的输入信号的电压值为0，第二比例流量阀的开度为0。

2)当锻件的应变速率在6×10^-3s^-1和1×10^-3s^-1之间，且Q_理论在285L/min和0.95L/min之间时，比例流量阀EFG-10-500和2FRE10-40B/60L组合使用。Q_总＞60L/min时，用第一比例流量阀(EFG-10-500型比例流量阀)控制流入至液压缸的工质流量，而第二比例流量阀不向外输出工质。情况2，Q_总≤60L/min，由第二比例流量阀(2FRE10-40B/60L比例流量阀)控制流入至液压缸的工质流量，而第一比例流量阀(EFG-10-500型比例流量阀)控制端的输入信号的电流值为0，第一比例流量阀的开度为0，第一比例流量阀不向外输出工质。编程时应先根据流量曲线计算出Q_总＝60L/min的时间点，程序中利用PLC定时器中断实现EFG-10-500向2FRE10-40B/60L的切换。

3)当锻件的应变速率在1×10^-3s^-1和1×10^-4s^-1之间，且Q_理论在47.5L/min和0.095L/min之间时，由第二比例流量阀(2FRE10-40B/60L比例流量阀)控制流入至液压缸的工质流量，而第一比例流量阀不向外输出工质。

S4：重复步骤S1至步骤S3，直至恒应变速率等温锻造的过程结束。

本发明实施例采用PLC、带自整定的PID控制器、比例流量阀、位移传感器等组成速度闭环控制系统，对液压机活动横梁速度进行控制，以满足等温锻造工艺对活动横梁速度的要求。同时用比例流量泵粗调液压系统流量，比例流量泵采用开环控制方式。由于采用了比例流量泵和比例流量阀组合的速度控制方式，在满足活动横梁速度控制精度的前提下，大大减少了能耗和系统发热。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统，包括液压缸、管路和用于提供工质的油箱，其特征在于，包括：可编程逻辑控制器、比例流量泵、在比例流量泵控制端设置的比例放大器、至少一个比例流量阀、在每个比例流量阀控制端设置的对应的功率放大器、在每个功率放大器输入端设置的对应的PID控制器、以及用于测量活动横梁位移的位移传感器，所述比例流量泵的入口通过管路连接油箱；所述每个比例流量阀的入口对应设置有一个电液换向阀，每个比例流量阀通过管路、以及对应的电液换向阀连接比例流量泵的出口；液压缸的工质入口通过管路分别连接所有比例流量阀的出口；

所述可编程逻辑控制器的信号输入端电连接位移传感器，所述可编程逻辑控制器的信号输出端分别电连接比例放大器的输入端以及所有电液换向阀的控制端，所述可编程逻辑控制器的模拟量输出模块分别电连接所有PID控制器的输入端；所述比例放大器的输出端电连接比例流量泵的控制端；每个PID控制器的输出端电连接对应的功率放大器的输入端，所述每个功率放大器的输出端电连接对应的比例流量阀的控制端。

2.如权利要求1所述的一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统，其特征在于，还包括至少一个定量泵，每个定量泵的入口通过管路连接油箱，所有定量泵的出口汇成一个总管道，总管道分别连接所有的电液换向阀；每个定量泵的入口处设置有对应的电磁溢流阀，所述可编程逻辑控制器的数字量输出模块分别电连接所有电磁溢流阀的控制端。

3.如权利要求1所述的一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统，其特征在于，还包括触摸屏，所述可编程逻辑控制器通过I/O接口电连接触摸屏。

4.如权利要求1所述的一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统，其特征在于，所述每个PID控制器为带参数自整定功能的PID控制器。

5.如权利要求1所述的一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统，其特征在于，所述位移传感器采用无接触式位移传感器；

所述比例流量泵采用A7V117EP1RPFOO型斜轴式轴向柱塞比例流量泵，所述比例放大器采用VT-2000比例放大器；

所述比例流量阀的个数为2，其中一个比例流量阀采用EFG-10-500型比例流量阀，另一个比例流量阀采用2FRE10-40B/60L型比例流量阀。

6.一种锻造液压机活动横梁的速度控制方法，基于权利要求1所述的一种锻造液压机活动横梁的速度控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1：可编程逻辑控制器控制开启任意一个电液换向阀，并控制关闭其余的电液换向阀；比例流量泵将工质从油箱抽出，并将工质送入处于开启状态的电液换向阀中，工质通过电液换向阀之后被送入至相应的比例流量阀中，工质通过比例流量阀之后，被送入至液压缸中，工质的压力通过液压缸活塞传递至活动横梁，活动横梁开始移动加载；锻造液压机对锻件进行恒应变速率等温锻造；位移传感器实时测量活动横梁的位置，可编程逻辑控制器在每个采样周期获取一次来自位移传感器的活动横梁位置数据；

S2：可编程逻辑控制器存储有锻件初始高度、以及锻件应变速率，可编程逻辑控制器根据锻件初始高度、锻件应变速率、以及进行等温锻造的时间，计算出进行等温锻造时活动横梁的速度设定值；可编程逻辑控制器在每个采样周期计算一次活动横梁的速度设定值；可编程逻辑控制器将当前采样周期计算出的活动横梁的速度设定值输出至对应的PID控制器；

S3：可编程逻辑控制器根据液压系统泄漏流量设定值、以及当前采样周期得出的活动横梁的速度设定值，计算得出进行等温锻造时比例流量泵排量值；可编程逻辑控制器根据进行等温锻造时比例流量泵的排量值，向比例放大器发送对应的控制信号，从而控制比例流量泵的排量；

可编程逻辑控制器计算出活动横梁在当前采样周期内的位移量，所述活动横梁在当前采样周期内的位移量为：当前采样周期与上一采样周期活动横梁的速度设定值的差值，将活动横梁在当前采样周期内的位移量除以采样周期长度，得出当前采样周期活动横梁的速度过程值；可编程逻辑控制器将当前采样周期活动横梁的速度过程值输出至对应的PID控制器；

S4：对应的PID控制器根据当前采样周期计算出的活动横梁的速度设定值与当前采样周期活动横梁的速度过程值的偏差，向对应的功率放大器发送对应的控制信号，功率放大器对控制信号进行放大，并将放大后的控制信号发送至对应的比例流量阀，以此控制对应的比例流量阀的流量；

S5：重复步骤S1至步骤S4，直至恒应变速率等温锻造的过程结束。

7.如权利要求6所述的一种锻造液压机活动横梁的速度控制方法，其特征在于，所述锻造液压机活动横梁的速度控制系统还包括至少一个定量泵，每个定量泵的入口通过管路连接油箱，所有定量泵的出口汇成一个总管道，总管道分别连接所有的电液换向阀；每个定量泵的入口处设置有对应的电磁溢流阀，所述可编程逻辑控制器的数字量输出模块分别电连接所有电磁溢流阀的控制端；

在步骤S1中，当至少一个电磁溢流阀处于打开状态时，对应的定量泵将工质从油箱吸出，并将工质泵入至相应的电液换向阀中，工质通过对应的电液换向阀被送入至相应的比例流量阀中；

在步骤S3中，可编程逻辑控制器根据当前采样周期得出的活动横梁的速度设定值，以及液压缸活塞的直径，计算得出当前采样周期液压系统理论流量值；根据当前采样周期液压系统理论流量值、液压系统泄漏流量设定值、以及定量泵的排量，得出当前采样周期需要处于打开状态的电磁溢流阀的个数n，n为自然数；然后根据当前采样周期需要处于打开状态的电磁溢流阀的个数n，控制每个电磁溢流阀的工作状态。