電液比例閥的雙閉環控制技術及應用

在干粉成型液壓機中，電液比例閥是核心執行組件，其控制性能對產品的質量具重大影響。采用單閉環控制的干粉成型液壓機在投人生產之初能夠較好滿足生產、質量需要，但是隨著產品精度要求的提高和生產節拍的加快，干粉成型液壓機不能適應新產品要求。為此，對干粉成型液壓機中電液比例閥采用了雙閉環控制方法進行控制，就達到了較高的精度。

1．單閉環系統的控制特性

在干粉自動成型液壓機中，電液比例閥用于精度需求最高的下主缸，單閉環系統計算機控制原理圖如圖33所示，系統控制框圖如圖34所示。該系統的負載主要是慣性負載，其他負載可忽略不計，由此，簡化后的函數框圖如圖35所示。

由此可以得到系統的開環傳遞函數為

                          （5-6）

式中：K_a為比例放大環節的電放大系數；K為油的彈性模量；k′為比例閥主閥放大系數，k為比例閥內彈簧剛度；G₁(s)為比例放大環節，G₁(s)=k_a；G₂(s)為電液比例閥的傳遞函數，C₂(S)= (k′)/（fs+k）；G₃(s)為液壓缸和慣性負載的傳遞函數。為

式中：K_q為流量常數,f為液壓油摩擦系數；A為液壓缸的作用面積；ω_h為液壓缸的固有頻率；ξ_h為液壓缸的阻尼系數。

則單閉環系統的閉環傳遞函數為

                 （5-7）

式中：H(s)為位移傳感器的傳遞函數，H(s)=K_fx。

2. 雙閉環控制系統

在原單閉環系統內再加入一個小閉環，增加比例閥閥心的位置反饋，形成局部小閉環，嵌入原系統內，形成了新的雙閉環控制系統。對比例閥閥心的位置反饋控制可以提高比例閥的響應頻率，從而改進整個系統的控制特性。原系統內的比例放大器改為PID調節器，使改進后的系統增益可調，參數調整方便。改進后的雙閉環控制系統電路圖如圖36所示，系統控制框圖如圖37所示，系統傳遞函數框圖如圖38所示。

由比例閥的開環傳遞函數，可得小閉環系統的閉環傳遞函數為

                             （5-8）

式中：G_PID(s)為小閉環中PID調節器傳遞函數。為

K_p2、T₂、T_d2均為常數；H₂(s)為比例環節，H₂(s)=K_fx2。

則大閉環的開環傳遞函數為

          G′(s)=G′₁(s)×Ф_i(s)×G₃(s)                 (5-9)

大閉環的閉環傳遞函數為

            Ф′(s)=G′(s)/[1+G′(s)×H₁(s)]               (5-10)

3．系統仿真分析

根據式(5-6)和式(5-7)，對單閉環和雙閉環系統采用MATLAB軟件進行了仿真分析，其中單閉環系統的階躍響應曲線如圖39所示。單閉環控制系統的控制精度為±0.05mm。對雙閉環系統采取同樣的處理方法，得到的階躍響應曲線如圖40所示。從兩種系統的階躍響應曲線得出如下仿真分析結果：單閉環系統：穩定時間1.5s，穩態誤差±0.05mm；雙閉環系統：穩定時間1.2s，穩態誤差±0.015mm。

4．實驗及結論

在干粉自動成型液壓機上進行兩種系統對比實驗，測試結果為：單閉環系統穩定時間1.72s，10次重復測量穩態誤差±0.05mm，系統壓力不穩、振動較大，產品的密度一致性偏差大；雙閉環系統穩定時間1.2s，10次重復測量穩態誤差±0.02mm，系統壓力較穩、振動較小，產品的密度一致性偏差小。

改造為雙閉環系統后，系統穩定時間縮短了21%，控制精度得以提高，對保證產品質量、加快生產節奏起到重要作用。