快锻系统压力位移复合控制节能研究

姚　静　曹晓明　李　彬　孔祥东　周　芳

1.河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,秦皇岛,066004　2.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),秦皇岛,0660043.燕山大学,秦皇岛,066004



快锻系统压力位移复合控制节能研究

姚静1,2,3曹晓明3李彬3孔祥东1,2,3周芳3

1.河北省重型机械流体动力传输与控制实验室,秦皇岛,0660042.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学),秦皇岛,0660043.燕山大学,秦皇岛,066004

摘要：针对锻造液压机普通电液比例阀控系统快锻工作过程中，系统定压输出、回程缸背压腔压力过大,系统传动效率低的问题，提出了一种基于压力位移复合的控制策略，在保证控制精度的前提下，同时进行了回程缸背压腔压力控制和泵口压力负载敏感控制。通过建立液压机压力位移复合控制的整体数学模型，对其节能机理进行了研究，并分析了影响其节能效果的两个重要因素——回程缸背压腔压力pb和泵口与工作腔压力差值Δp。实验结果表明，基于压力位移复合控制的液压机快锻系统加载时系统位置误差达到1.5mm，与传统的电液比例阀控系统相比，装机功率降低至传统电液比例阀控系统装机功率的52.3%，功耗也降低为普通比例阀控系统的49.2%。

关键词：复合控制；快锻；液压机；节能

0引言

液压机广泛应用于国民经济各领域,在工业生产中已占据举足轻重的地位[1-3]。目前,锻造液压机液压系统装机功率通常高达数千千瓦，但其液压系统传动效率只能达到2%～10%[4],所以其节能研究已成为当务之急。

目前,对锻造液压机液压系统的节能研究尚处于起步阶段。姚静等[5]设计出采用蓄能器的快锻压机新型节能回路，并对其快锻控制性能进行了仿真和试验研究;裴华军等[6]在HSHP-1000T液压机上配置了蓄能器,通过对比分析得出蓄能器的引入在一定程度上降低了系统装机功率的结论;张哲[7]提出了基于变频调节的泵阀复合控制快锻液压系统,该系统能耗仅为电液比例快锻系统的30%左右;文献[8-11]应用伺服直驱泵控技术实现了对液压机和压铸机的节能改造,并通过仿真和实验证明了该液压机与之前相比可节能20%以上，压铸机较改造前节能46.3%;管成[12]提出了液压机机械-液压复合式节能控制系统,配合使用飞轮和蓄能器,达到液压机液压系统节能的目的;Ali等[13]提出了变压力的伺服位移控制系统，有效减小了动力源的溢流损失。

另外锻造液压机泵控系统回路中没有溢流和节流环节,相对于阀控系统在节能上有巨大优势，其传动效率可达40%～60%。但是该类系统投资和维护成本较高，所以目前国内外绝大部分锻造液压机液压控制系统还是以阀控系统为主。因此，依旧急需寻求有效的途径解决阀控比例快锻液压机能耗低的问题，以提高系统能量利用率。

1快锻系统原理

1.1普通快锻系统

普通电液比例阀控系统如图1所示,快锻过程中该系统单纯采用位移闭环控制，通过传感器检测活动横梁位移，反馈至位移控制器与输入信号比较，根据位置误差的大小及正负实时控制4个比例阀的开度和动作。每个比例阀使用单独的PID控制器，根据锻压的工艺要求对阀分别进行控制。液压源则采用定压定流量输出，系统的输出压力和流量分别取决于各执行器中工作所需的最高压力和最大工作流量，由此引发的功率不匹配造成了能量的严重浪费。

0.6MN普通电液比例阀控快锻系统加载的压力、位移实验曲线如图2所示,图中,p1为主缸压力曲线,p2为回程缸压力曲线,ps为泵口压力曲线。从图2可知,系统的跟随性良好,系统位置误差约1mm,时间滞后约0.1s。但工作腔与泵口始终存在巨大压差,尤其是主缸压力，大部分时间处于低压状态，仅在压下接触锻件的极短时间内需要高压，故泵源定压定流量输出将势必需要通过节流阀转换为低压油以供工作腔使用，由此产生巨大的节流损失；另外，系统单纯采用位移闭环控制，回程缸背压腔压力较大，直接导致排液阀节流损失增大，系统压力随之升高，溢流损失增大，继续降低了系统的传动效率。因此针对上述问题，基于液压机本身负载口独立控制的结构特点，拟从压力位移复合控制策略入手，通过理论分析和实验验证，研究其节能效果。

1.2基于压力位移复合控制的快锻系统原理

基于压力位移复合控制的快锻液压系统组成如图3所示，该系统主要由定量泵2、电液比例溢流阀3、比例换向阀6、位移传感器10、压力传感器11、液压缸主缸7、回程缸8、活动横梁9、NI采集系统5和计算机12等组成。液压缸进出油口分别连接单独的电液比例换向阀，打破传统液压缸进出油口单个比例换向阀节流面积耦合的束缚，增加了系统控制的自由度，为提出新的控制策略提供了可能。

2快锻液压系统建模

忽略液压阀和管道的泄漏和阻尼,建立快锻液压系统各元件的数学模型如下。

定量泵模型为

qs=nV-kps

(1)

式中,qs为液压泵的输出流量;n为电机转速;V为液压泵的排量;k为液压泵的泄漏系数;ps为泵口压力。

比例溢流阀简化模型如下。

(1)比例放大器及电磁线圈作为一个比例环节来处理,不考虑它的电滞后，电磁力可表示为

(2)

式中,Ku为电压放大系数;Ki为电磁铁电流增益;R为电阻环节等效阻值;Δui为电磁铁输入电流增量；Δy为电磁铁位移增量;Kuy为位移反馈系数。

(2)比例电磁铁衔铁部分与先导阀芯可以表示为一个二阶环节,力平衡方程可表示为

(3)

式中,A0为先导阀芯受力面积;Δpy为先导阀芯前后压差;Ksy为包括弹簧刚度和稳态液动力刚度的等效弹簧刚度;ζm为摩擦力和电磁铁线圈反电动势的等效阻尼;wm为先导衔铁部分固有频率。

(3)主阀的运动方程可简化为

(4)

式中，Δx为主阀芯位移增量;A′为主阀芯等效作用面积;Ksx为主阀弹簧刚度;Kfx为主阀口液动力位移系数;wxA为控制腔等效转折频率;Δp1为主阀进油口压力增量;Kqy为先导阀流量位移系数;wv为主阀运动的主导转折频率;Ax为主阀上腔作用面积。

主阀进口的流量平衡方程简化为

ΔqVp-ΔqVL=KqVxΔx+KqVpΔp1+

(5)

式中，ΔqVp为泵源输出流量;ΔqVL为系统工作所需流量;KqVx为主阀位移流量系数;KqVp为主阀压力流量系数;A为主阀芯下工作面积;V1为泵源至溢流阀油液体积;E为油液弹性模量。

根据式(2)～式(5)得到比例溢流阀总传递函数框图(图4)。图4中,Ky为主阀芯等效位移增益,Kpy为先导阀口压力增益,wy为先导阀等效固定频率,ζy为先导阀等效阻尼,K0为主阀等效流量增益,w0为主阀等效固定频率,ζ0为主阀等效阻尼。

电液比例方向阀模型如下：

(6)

式中,xvn为阀芯位移;in为输入电液比例换向阀的控制信号;Kv为比例环节放大系数;wvn为二阶环节固有频率;ξv为二阶环节阻尼系数。

通过主缸、回程缸油路电液比例方向阀的流量可表示为

(7)

式中,v为活动横梁速度,向下为正;q1为主缸油路通过阀的流量;q2为回程缸油路通过阀的流量;Cd为流量系数;Wi为第i个阀的阀口面积梯度;xvi为第i个阀的阀芯位移;ρ为油液密度;Δp1、Δp2为主缸油路阀两端压差;Δp3、Δp4为回程缸油路阀两端压差。

液压缸流量连续性方程:

(8)

(9)

式中,A1为主缸工作面积;A2为回程缸工作面积;Cip为内部泄漏系数;Cep为外部泄漏系数;ps为泵口压力;p1为主缸压力;p2为回程缸压力;βe为油液压缩系数;V1为主缸油液体积;V2为回程缸油液体积。

活动横梁力平衡方程如下：

(10)

式中,M为运动部分等效质量;y为活动横梁位移;Bp为黏性阻尼系数；K为负载弹性刚度；Ff为摩擦力；FL为任意外负载力。

3压力位移复合控制策略

本文充分利用快锻液压机负载口独立可控自由度高的优势，从降低排液腔背压和泵口工作压力的角度出发，在位置控制基础之上增加了回程缸背压腔的压力控制和泵口压力的负载敏感控制，降低了系统因回程缸背压腔压力过大和泵口定压输出造成的节流损失和溢流损失，从而有效降低了系统的装机功率，具体控制原理见图5。

图5中,压力位移复合控制主要由位移控制器、回程缸背压腔压力控制器和泵口压力控制器三大部分组成。为了满足快锻工艺和系统节能两方面的要求，不同的工作状态下，控制量也发生变化。

压下时，位移反馈信号y与输入信号sinput比较,经位移控制器处理后输出作为阀1的控制信号,以保证活动横梁的控制精度。压力反馈信号p2与输入信号pb比较,经背压腔压力控制器处理后输出作为阀4的控制信号，控制背压腔压力保持低压pb。泵口压力控制器则首先根据位移偏差信号e判断液压机的工作状态,确定工作腔。在工作腔反馈压力基础上增加Δp后与泵口压力比较,调节比例溢流阀负载敏感控制。回程时，位移误差经位移控制器处理后输出信号，同时控制阀2和阀3,确保锻造的精度。泵口压力调节则同压下过程相同，仅工作腔发生变化，由主缸变为回程缸，实现泵口压力的负载敏感控制。

3压力位移复合控制节能机理分析

普通比例阀控快锻液压系统为定压定流量系统，依靠常规位置闭环进行快锻，工作中产生大量的节流损失和溢流损失。

压下时,根据式(7)主缸进液阀和回程缸排液阀流量q1、q2分别为

(11)

(12)

式中,p1、p2分别为主缸和回程缸的压力。

(13)

将式(10)代入式(13)中得泵口压力

Ff+FL-Mg)

(14)

同理，回程时泵口压力为

(15)

将式(10)代入式(15)后得回程阶段泵口压力为

(16)

普通比例阀控快锻液压系统为定压系统,系统的压力取决于最大工作压力,则泵口压力ps为ps=max(ps1,ps2)。

系统的输入功率为

P=psqs

(17)

相比于普通比例阀控快锻液压系统,采用压力位移复合控制的快锻液压系统，泵口压力恒大于工作腔压力定值Δp。由式(10) 、式(13) 、式(15)得系统压力为

(18)

系统的输入功率为

(19)

比较上述两种控制系统,压下时两系统的输入功率之差为

(20)

式中,pb、Δp为输入变量；α、p2为系统的状态变量；qs为定量泵输入流量,取45 L/min。

由式(20)得出,压下阶段系统的节能功率ΔP1与输入变量(Δp、pb)和状态变量(α、p2)有关。输入变量越大,ΔP1越小,因此输入变量(Δp、pb)越小,系统的节能效果越好。但为了保证快锻液压机能够按照输入信号正常工作,输入变量还需满足大于阀口全开流经阀口最大流量所形成的压降，查阅Moog伺服阀样本,输入变量(Δp、pb)最小设为2 MPa。以α、p2为横坐标轴，在0.6 MN快锻液压机工作范围内,压下时节能功率ΔP的曲面图如图6所示。ΔP曲面在零平面之上,恒为正,即压下阶段普通比例阀控系统的输入功率高于基于压力位移控制的快锻液压系统的输入功率。

(21)

由式(21)可以得出,系统回程阶段的节能功率恒大于零,ΔP2也与输入变量Δp有关,随着输入变量Δp的增大而减小。

由上述分析可得,压下、回程阶段普通比例阀控系统的输入功率均大于基于压力位移复合控制的快锻系统的输入功率。采用压力位移复合控制策略后有效降低了系统的装机功率，且节能效果与输入变量(Δp、pb)密切相关。在保证控制精度的前提下，输入变量越小，节能效果越好。

5实验研究

5.1实验采集系统介绍

为了进一步检验该控制策略的节能效果，依托现有的0.6MN中试快锻液压机实验平台进行了位移压力复合控制策略的节能研究。液压机实验平台最大设计锻造能力为0.6MN,总共分为三级锻造压力。其本体为三梁四柱预应力结构，液压系统为上传动,实验平台如图7所示，液压机及液压传动系统基本参数如表1所示。

电气控制部分采用了NI公司的CompactPIO控制采集平台，控制采集系统使用LabVIEW图形化开发工具，为快速开发硬件测量电路和控制操作界面，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，提高了工作效率。CompactPIO控制器与上位机连接，相互通信完成位移、压力信号的可视化监视。活动横梁两侧安装位移传感器，反馈电信号至位移控制器，联合位移输入信号完成活动横梁的位置控制；主缸、回程缸、泵口处分别接有压力传感器，检测各点的工作压力，实时反馈压力电信号至各压力控制器，完成回程缸背压腔的压力控制和泵口压力的负载敏感控制。同时压力传感器反馈信号记录各部分的压力变化情况，结合液压机速度变化计算各部分的功率损耗。实验台的具体原理及控制采集系统如图8所示。

5.2压力位移复合控制的节能实验研究

在快锻液压机液压系统中，位移控制用来保证快锻精度要求,是系统工作的基本前提。因此，在此率先验证了复合控制策略在控制特性方面的可行性，之后再展开相关的节能研究。首先，为满足系统的最大流量需求,根据式(7),实验中泵口与工作腔的压差Δp设为2MPa,回程缸背压腔压力pb设为2MPa,泵口安全阀压力设为10MPa。给定位移信号为正弦曲线,频率为1Hz,幅值为30mm。

图9所示分别为加载时快锻液压机压力位移复合控制系统的位移和压力曲线。图9a中sinput为给定位移曲线,y为跟随位移曲线。液压机的系统位置误差约1.5mm,压下阶段滞后较小,约0.1s,回程阶段滞后增大,约0.25s。这是由于压下阶段切换至回程阶段,回程加速度最大,所需的回程压力最大。而此时回程缸压力因压下阶段背压腔的压力控制，压力处于较低状态，建压需要一定的时间。同时，泵口压力也因压下阶段泵口压力负载敏感调节,处于低压状态，建压时间较长，导致回程位移的滞后严重。实验过程中,通过改变PID控制器比例系数,能够一定程度上改善上述状况，但滞后始终存在。

实验中各压力曲线如图9b所示,从图9b可以看出,在压下和回程过程中,泵口压力分别与主缸压力和回程缸压力基本保持恒定压差,实际差基本与设定的压差2MPa一致。压下阶段,回程缸压力基本保持2MPa左右不变，与普通比例阀控系统相比,回程缸背压有所降低，在1s时主缸压力升高,回程缸压力降低，压力波动明显，泵口压力紧随主缸压力变化。回程时,泵口压力因建压时间长,未能时刻保持高于回程缸2MPa的压力,但压力峰值高于回程缸压力2MPa,基本完成了回程缸背压腔的压力控制和泵口压力的负载敏感控制。

经统计计算采用了压力位移复合控制系统各部分能量消耗情况如表2所示。其中溢流损失为59.13%,主缸油路节流损失为17.45%,回程缸油路节流损失为11.67%,有用功所占比重为10.92%,其他为0.85%。

与普通电液比例阀控系统相比，两种回路的功耗对比如图11所示。受回程缸背压腔的压力控制和泵口压力负载敏感控制的影响，在相同的输入和负载工况下，系统的输入功率大大降低，仅为普通比例阀控系统的52.3%,功耗也降低为普通比例阀控系统的49.2%。采用压力位移复合控制的快锻液压系统节能效果显著。

5.3系统节能特性影响因素研究

由式(20)、式(21)可知,压力位移复合控制快锻系统的能耗特性与输入变量(Δp、pb)有关。下面分别针对以上两个参数对系统能耗展开变参研究。

5.3.1泵口压力与工作腔压力差Δp对能耗的影响

压机工作时,通过调节泵口电液比例溢流阀实现泵口压力的负载敏感控制,使得系统在压下和回程过程中,泵口压力分别与主缸压力和回程缸压力保持恒定的压差Δp。图12即为Δp不同时,系统的输入功率和损失功率曲线。由图12可以看出,随着Δp的增大,进液阀的节流损失增大,排液阀的节流损失几乎不发生变化,如图12a、图12b所示,即压下阶段的主缸进液阀节流损失和回程阶段的回程缸进液阀节流损失增大,回程阶段的主缸排液阀节流损失和压下阶段的回程缸排液阀节流损失几乎不变。其主要原因为Δp为进液阀两端的压降,直接影响进液阀的节流损失,而与排液阀无关。同时,Δp增大导致系统的压力升高,系统流量不变,溢流损失增大，造成多余的能量浪费，如图12c、图12d所示,与上述理论分析一致。图12c中Δp为1.5MPa时,输入功率虽然最小,但从其位移曲线(图13)中可以看出压降Δp为1.5MPa时,其控制特性急剧变差，未能满足式(7)中最大的流量需求。因此,Δp需在满足位移控制特性的前提下,越小越好。

5.3.2回程缸的背压pb对系统的影响

系统压下过程中,通过对回程缸排液阀的调节,实现背压腔压力的闭环控制,使其始终处于低压状态,减小排液阀节流损失。同时受回程缸背压腔压力pb的影响,主缸工作压力随之降低,减小了系统的输入压力,进而降低了输入功率。图14即为不同pb值时,系统的输入功率和损失功率曲线。从图14可以看出,pb越小，回程缸油路排液阀的节流消耗越低，同时输入功率和溢流消耗也减小,提高了系统的传动效率,回程缸背压控制节能效果明显。

6结论

(1)给出了普通电液比例快锻液压机能耗高的原因：一是主缸和回程缸负载特性差异大，且恒压源不能匹配负载压力变化；二是由于没有利用负载口独立控制,从而使主缸和回程缸两控制阀偶联，造成回程背压很高。

(2)提出了压力位移复合控制快锻原理,建立了其数学模型，给出了压力位移复合控制策略，即在位移控制基础之上加入系统回程缸背压控制和泵口压力的负载敏感控制，降低了节流和溢流损失。

(3)基于0.6MN快锻液压机实验平台,对采用压力位移复合控制的快锻系统展开了实验研究，结果表明，压力位移复合控制的快锻系统有用功仅占10%,溢流损失高达59%,但与普通电液比例快锻系统相比，在相同的输入和负载工况下,系统的输入功率大大降低，仅为普通比例阀控系统的52.3%,功耗也降低,为普通比例阀控系统的49.2%。并对系统的节能机理进行了理论分析和实验研究，得到Δp和pb对系统能耗的影响规律,即在满足系统控制特性的前提下，Δp、pb越小,系统的节能效果越明显，相反，节能效果越差。

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(编辑王艳丽)

ResearchonEnergySavingofPressureandDisplacementCompoundControlStrategyforFastForgingSystem

YaoJing1,2,3CaoXiaoming3LiBin3KongXiangdong1,2,3ZhouFang3

1.HebeiProvinceKeyLaboratoryofHeavyMachineryFluidPowerTransmissionandControl,Qinhuangdao,Hebei,0660042.KeyLaboratoryofAdvancedForging&StampingTechnologyandScience,MinistryofEducationofChina,Qinhuangdao,Hebei,0660043.YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei,066004

Keywords:compoundcontrolstrategy;fastforging;hydraulicpress;energy-saving

Abstract:Accordingtotheproblemsofconstantpressureoutput,returncylinder’slargepressureandlowtransmissionefficiencyinfastforgingprocessofforginghydraulicpress’sordinaryelectro-hydraulicproportionalvalvesystem,thispaperproposedapressureanddisplacementcompoundcontrolstrategy,andtookpressurecontrolforthereturncylinder’sback-pressurecavityandloadsensitivecontrolforthepump’sinletpressureunderthepremiseofensuringthecontrolprecision.Theenergy-savingmechanismwasstudiedandthetwoimportantfactors-thereturncylinder’sback-pressurecavitypressurepbandthepressuredifferenceΔpbetweenpumpoutletandtheworkingcavity-thatinfluencedtheeffectinvenessofenergysavingwereanalyzedthroughestablishingthecompletemathematicalmodelforhydraulicpress’spressureanddisplacementcompoundcontrol.Experimentalresultsshowthatthepositionerrorforloadingcanlimit1.5mmbasedonthefastforginghydraulicpress’spressureanddisplacementcompoundcontrolsystem,andinstalledpowerreducedto52.3%comparedtothetraditionalelectro-hydraulicproportionalvalvecontrolsystem,meanwhilepowerconsumptionisreducedto49.2%comparedtoordinaryproportionalvalvesystem.

收稿日期：2015-02-10

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51575471)；河北省青年自然科学基金资助项目(E2014203247)；高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(2011ZX04001-51-04)

作者简介:姚静(通信作者),女,1978年生。燕山大学机械工程学院副教授。主要研究方向为重型机械流体传动与控制系统和新型液压元件。发表论文20余篇。曹晓明,男,1990年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。李彬,男,1991年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。孔祥东，男，1959年生。燕山大学机械工程学院教授、博士研究生导师。周芳,女,1990年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。

中图分类号：TH137.5

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.02.020