一种数字式水压挤压机速度控制系统和方法 【技术领域】
本发明属于机电液集成控制领域，具体涉及一种数字式水压挤压机速度控制系统和方法。
背景技术
大型水压挤压机作为大型基础性装备，是一个国家制造能力的重要标志，对于航空、航天、船舶、石化、电力、军工等领域的发展发挥着关键作用。挤压速度控制对于挤压产品生产有着重要意义，一方面，从挤压工艺角度分析，挤压速度与挤压型材的材料成分、截面形状、挤压比等因素密切相关；另一方面，为避免挤压制品出现波纹而影响产品质量，在同一挤压过程中挤压速度必须相对稳定。所以，在挤压过程中，挤压速度的大小须严格控制。
目前，国内外对于中小型油压挤压机的速度控制进行了不少研究，取得了较大进展，较为成熟的挤压机速度控制技术主要有变频驱动容积调速方式、变量泵容积调速方式、电液比例插装阀调速方式等，上述调速方式已在中小型油压挤压机速度控制中得到成功应用。但对于大型挤压机(万吨级以上)，由于其工作液体量巨大、泄漏量大，而液压油费用高，考虑到经济等方面因素，其传动介质多为乳化液或水。由于其传动介质的特殊性，上述已有的成熟调速方式并不适用于大型水压挤压机。目前，国内外对于大型水压挤压机速度控制速度控制系统大都停留在开环控制阶段，控制精度低，生产效率低。而速度闭环新系统开发存在以下难点：(1)速度闭环系统需要稳定、可靠的信号检测及控制系统，而大型水压挤压机工作环境相对较恶劣，传统的模拟式检测、控制元器件本身在恶劣环境下容易受到外界的干扰，其检测、控制信号在远距离传输过程中也极易受到恶劣环境的干扰而使得信号不准确，系统可靠性差；(2)传统的大型水压挤压机节流阀开口度控制方式大多采用直流电机带动蜗轮蜗杆，再经减速器减速后以螺母丝杆副机构驱动传动杠杆，从而控制节流阀阀芯开度，间接控制流量，传动链过长、精度低、阀的稳定性差，无法满足速度高精度闭环控制的要求。
为提高速度控制精度和生产效率，有必要克服现有技术之不足，提出新方法，建立新系统，实现大型水压挤压机挤压速度的精确闭环控制。
【发明内容】
本发明要解决技术问题是提供一种数字式水压挤压机速度控制系统和方法，该系统抗干扰能力强，可靠性高，实用性强，实现了特殊环境下水压挤压机挤压速度的高精度闭环控制。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种数字式水压挤压机速度控制系统，其特征在于，包括速度给定装置、测速装置、控制器和速度调节机构；所述的速度给定装置和测速装置均与控制器的输入端连接；控制器的输出端接速度调节机构；
所述的测速装置采用用于测量水压挤压机活动横梁移动速度的数字式磁滞伸缩传感器；
所述的速度调节机构包括比例换向阀、节流阀、液压油缸和水节流阀；
所述的液压油缸包括活塞以及由活塞隔开的第一活塞腔和第二活塞腔；第一活塞腔上的第一控制油口和第二活塞腔上的第二控制油口分别接比例换向阀的2个液体输出端口；比例换向阀与节流液压泵站连接；比例换向阀的电池铁与控制器的输出端连接；
比例换向阀的液体输出端口与第一控制油口、第二控制油口的通路上设有节流阀
所述的节流阀包括可活动的阀芯和液流通道；随着阀芯的运动导致液流通道的开口度变化；所述的阀芯与液压油缸的活塞杆相连。
所述的数字式磁滞伸缩传感器包括传感器头、传感杆和可以沿传感杆滑动的滑块磁铁；传感器头与传感杆连接，传感器头与传感杆均固定在静止物上；在水压挤压机活动横梁上设有一个凸起的连接块；连接块与所述的滑动磁铁通过铰链相接。
所述的控制器采用非对称的PID控制器；所述的非对称的PID控制器在输入误差大于零和小于零的状态下具有不同的PID参数；所述的输入误差为测量的速度值与给定值的差。
速度给定装置和测速装置均通过Profibus-dp工业现场总线与控制器通信，所述的控制器采用PLC。
一种数字式水压挤压机速度控制方法，其特征在于，采用数字式磁滞伸缩传感器测量水压挤压机活动横梁的移动速度，即反馈速度；将该反馈速度与预先给定的速度值均输入到控制器中；控制器输出控制量给速度调节机构，由速度调节机构驱动水压挤压机的横梁动作；
所述的速度调节机构包括比例换向阀、节流阀、液压油缸和水节流阀；
所述的液压油缸包括活塞以及由活塞隔开的第一活塞腔和第二活塞腔；第一活塞腔上的第一控制油口和第二活塞腔上的第二控制油口分别接比例换向阀的2个控制输出端口；；比例换向阀与节流液压泵站连接；比例换向阀的电池铁与控制器的输出端连接；所述地节流阀包括可活动的阀芯和液流通道；随着阀芯的运动导致液流通道的开口度变化；所述的阀芯与液压油缸的活塞杆相连；
比例换向阀的控制输出端口与第一控制油口、第二控制油口的通路上设有节流阀
所述的控制器采用非对称的PID控制器；所述的非对称的PID控制器在输入误差大于零和小于零的状态下具有不同的PID参数。
数字式磁滞伸缩传感器通过德国siemens公司工业数据总线Profibus-dp实现与控制器通信，所述的控制器采用PLC。
本发明的有益效果：
本发明涉及的检测方法具有的优点如下：
(1)该系统为“数字式”系统，通过采用数字式检测、控制单元及Profibus_dp数字式工业现场总线，大大提高了系统的抗干扰能力和可靠性，解决了传统的“模拟式”系统难以适应大型水压挤压机恶劣工作环境的问题；
(2)挤压速度控制采用“油控水”方式，即通过伺服液压系统直接驱动大通径水节流阀阀芯运动控制大通径水节流阀开口度，实现挤压速度控制。该控制方式传动链短、精度高、稳定性好。
(3)控制单元采用可编程逻辑控制器PLC控制单元，结构简单清晰，并通过采用非对称PID闭环反馈控制策略，解决了挤压速度增加和减小调节过程中系统的非对称动态特性问题，提高了控制精度。根据125MN水压机挤压机现场实测数据，系统对阶跃信号的响应时间在0.8s左右，超调量为3.6％左右，达到了较为理想的控制效果，系统的响应曲线如图5所示。
【附图说明】
图1为本发明实施例中速度控制系统结构图；
图2为本发明实施例中测速传感器安装结构图；
图3为本发明实施例中“油控水”速度调节机构原理图；
图4为本发明实施例中速度非对称PID控制框图；
图5为本发明实施例中速度控制效果图。
其中，附图2中：1-槽钢，2-传感器头，3-滑块磁铁，4-活动横梁，5-连接块，6-铰链，7-传感杆。
附图3中：8-驱动液压泵站，9-比例换向阀，10-节流阀，
11-第一控制油口，12-第二控制油口，13-活塞杆，14-液压油缸，15-节流阀阀芯，16-第一节流阀口，17-第二节流阀口，18-节流阀座。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种数字式大型水压挤压机速度控制系统包括：速度给定装置、测速装置、控制单元、速度调节机构。控制单元将测速装置测得的实际速度与速度给定装置给定的速度进行比较运算，得到速度控制执行信号并输出到速度调节机构，速度调节机构通过“油控水”方式调节水节流阀阀芯开口度，实现水压挤压机挤压速度的闭环控制。
图1描述了本发明——一种大型水压挤压机速度控制系统的总体结构：系统包括：速度给定装置、测速装置、控制单元、速度调节机构等，各部分简述功能如下：
速度给定装置：由数字式触电摸屏构成，实现挤压速度的连续给定；
速度显示装置：由上位计算机实现挤压速度的实时显示；
测速装置：采用数字式磁滞伸缩传感器，实现挤压机挤压速度的高精度测量；
控制单元：采用可编程逻辑控制器PLC，用于将实际挤压速度与给定速度进行比较运算，得到速度控制执行信号并输出到速度调节机构；
速度调节机构：由比例放大器、比例换向阀、液压油缸、水节流阀构成，用于实现挤压机水节流阀的开口度控制，其工作原理为比例放大器接收控制器输出的控制信号，将信号放大后驱动比例换向阀动作，比例换向阀动作调节液压油缸活塞杆的位置，液压油缸活塞杆驱动水节流阀阀芯动作，从而实现水节流阀开口度的控制，最终完成挤压机速度调节。
液压油站：为速度调节机构提供液压动力。
图2描述了本发明——一种大型水压挤压机速度控制系统的测速装置结构：在挤压机机体上平行于挤压机活动横梁运动方向安装有一固定槽钢1，位移传感器固定在槽钢1上，位移传感器由传感器头2、传感杆7、滑块磁铁3组成，且滑块磁铁3可在传感杆7上自由滑动；一连接块5一端焊接于挤压机活动横梁4上，另一端与滑块磁铁3相联接。为了消除挤压机工作时活动横梁的冲击和振动对传感器的影响，在连接块5与滑块磁铁3联接处设有“双球铰”铰链装置6，该铰链装置由第一万向球铰、第二万向球铰、连接杆三部分组成，第一万向球铰与联接块5相联接，第二万向球铰与滑块磁铁3相联接，第一万向球铰与第二万向球铰通过连接杆相联接。通过“双球铰”铰链装置可将活动横梁运动时各方面的冲击振动对传感器滑动磁铁的影响，达到了保护传感器设备的目的。测速装置工作原理为：活动横梁运动时，通过连接块5及“双球铰”铰链装置6驱动滑块磁铁3在传感杆7上滑动，滑块磁铁3在传感杆7上的位置由磁滞伸缩原理测得并由传感器头2中的电路完成位移-速度转换、速度检测信号输出等功能，最终完成活动横梁速度的检测。
图3描述了本发明——一种大型水压挤压机速度控制系统的速度调节机构结构，速度调节机构主要由比例放大器、比例先导流量阀、液压油缸、液压油站，大通径水节流阀构成。其特征为液压油缸活塞杆与大通径水节流阀阀芯联接于一体，通过活塞杆运动直接驱动节流阀阀芯运动从而控制节流阀开口度。其工作原理为：
当调节挤压速度增大时，比例先导阀9右侧电磁铁得一电流信号，在液压油站8的油压驱动下，液压油通过第二控制油口12进入液压油缸14，使活塞杆13上移，且进入液压缸的液压油流量与比例阀得到的电流信号大小成正比，即活塞杆移动速度与比例阀电流信号大小成正比。活塞杆13向上移动驱动大通径水节流阀阀芯15向上移动，使节流阀开口度增大。第二节流阀口17与高压水泵站相联，第一节流阀口16与挤压机工作缸相联，节流阀开口度增大后，高压水进入工作缸的流量增大，挤压速度增大。
当调节挤压速度减小时，比例换向阀9左侧电磁铁得到一电流信号，在液压油站8的驱动下，液压油通过控制油口11进入液压油缸14，使活塞杆13下移，且进入液压缸的液压油流量与比例阀得到的电流信号大小成正比，即活塞杆移动速度与比例阀电流信号大小成正比。活塞杆13向下移动驱动大通径水节流阀阀芯15向下移动，使节流阀开口度减小。第二节流阀口17与高压水泵站相联，第一节流阀口16与挤压机工作缸相联，节流阀开口度减小后，高压水进入工作缸的流量减小，挤压速度减小。
图4描述了本发明——一种大型水压挤压机速度控制系统的非对称PID控制原理图。控制单元可编程逻辑控制器PLC将给定速度与测速装置测得的实际速度进行比较运算，得到速度控制执行信号并输出到速度调节机构。
PID调节是控制领域中一种经典的调节方法，由比例、积分、微分三部分组成，设e(t)为给定挤压速度与实际挤压速度之差，则传统PID调节表达式如下：
PID参数设置是否合适将影响控制系统整体性能，传统的PID控制方法其PID参数在控制过程中保持不变，但在本系统中，由于节流阀阀芯及其随动部件自身重力和阀芯、活塞杆与配合件之间摩擦力的影响，节流阀在开启和关闭的过程阀芯的动态特性会不一样，即该系统为一个非对称动态系统，针对这个特征，在控制系统中对节流阀开启和关闭(即速度的增大和减小调节)过程设置不同的PID控制参数，分别对速度增大和减小过程进行控制，以提高系统的控制性能。
根据以上思路，设e(t)为设定速度和实际速度的差值，在正阶跃响应中e(t)为正，在负阶跃响应中e(t)为负，根据e(t)的正负状态对PID调节进行参数区配，其表达式如下：
U(t)=Kp(t)e(t)+∫t0tKi(τ)e(τ)dτ+Kd(t)de(t)dt]]>
Kp(t)＝Kp1，Ki(τ)＝Ki1，Kd(t)＝Kd1，|e(t)≥0
Kp(t)＝Kp2，Ki(τ)＝Ki2，Kd(t)＝Kd2，|e(t)＜0
式中：kp1-正阶响应比例系数 kp2-负阶响应比例系数
ki1-正阶响应积分系数 ki2-负阶响应积分系数
kd1-正阶响应微分系数 kd2-正阶响应微分系数
参数采用通过实验方法确定，以正阶跃响应为例，具体为采用Ziegler-Nichols方法，首先置ki1＝kd1＝0，然后逐渐增大比例系数kp1，观察系统响应，当系统开始振荡，记下此时的比例系数为Km，系统振荡频率ωm，控制参数计算公式如下：
KP1＝0.6KmKD1=KP1π4ωm]]>KI1=KP1ωmπ]]>
图5描述了本发明——一种大型水压挤压机速度控制系统的速度控制效果。通过现场实验并采用Ziegler-Nichols方法对125MN挤压机速度控制系统进行PID参数整定，得KP1＝9，KI1＝36，KD1＝0.6；KP2＝14，KI2＝25，KD2＝1.3，由图5可知，该系统对阶跃信号的响应的时间在0.8s左右，超调量为3.6％左右，能满足系统要求。