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300MN模锻水压机动梁驱动系统动态响应特性及速度控制研究

黄长征  
【摘要】: 300MN模锻水压机是我国国防建设和基础建设的关键设备,其动梁驱动及速度控制技术是它的关键技术之一。动梁驱动系统流量大,工作框架系统所受载荷巨大、变形大,锻压力不断变化,以及各参数之间耦合关系非常复杂等特点,是一个复杂的机电液耦合系统;当前该水压机无锻压自动化和等温锻压功能,其驱动系统的动态响应特性不明;动梁速度控制系统载荷瞬变、惯性巨大,控制滞后、控制精度低、鲁棒性差。因此,以动梁驱动及速度控制系统为研究对象,围绕其控制机理、动态响应特性、控制策略进行了研究,以提高速度控制精度,为实现模锻自动化、等温锻压或模拟等温锻压提供技术基础。 论文的主要研究内容和结论如下: (1)分析国内外巨型模锻水压机动梁速度控制技术及液压系统特性研究的现状和发展趋势,针对控制系统惯性巨大、载荷瞬变、水路长而导致控制滞后、鲁棒性差、控制精度低等特点,基于“油控水”控制方式,采用“液压缸+齿轮齿条机构+凸轮机构+转角位移检测装置”的分配阀芯开启度控制方式,提出了内环采用PID-H_∞控制凸轮轴转角、外环采用PFC控制动梁速度的双闭环串级控制策略。 (2)考虑流体的可压缩性、粘性阻力、泄漏及工作框架系统变形等因素,分空程、锻压和提升三种工况,建立分配阀口、液压管道、液压缸的流量方程,建立动梁和上横梁的动力学方程,建立动梁驱动系统动态模型,进行仿真和试验研究。同时,对锻压行程的动梁速度、位移,工作缸压力,以及分配阀口压力差的动态响应特性进行仿真分析。仿真和试验研究表明,动梁速度等参数在阀芯开启瞬间瞬变载荷的作用下产生振荡,响应时间约0.7秒,控制精度受到影响。 (3)分析300MN模锻水压机动梁速度控制系统液压操作控制原理和结构,通过计算和仿真可知,液压操作系统存在瞬变载荷,且是影响控制系统的鲁棒性和控制精度的主要因素。建立瞬变载荷作用下的液压操作控制模型,分别采用单一PID和PID—H_∞两种控制策略,仿真和试验研究表明,采用PID—H_∞串级控制能很好抑制瞬变载荷的影响。同时基于液压操作系统载荷巨大、瞬变的特征,提出凸轮升程与转角成线性关系的一种巨型水压机分配阀芯开启凸轮升程曲线,以曲线最大压力角为优化目标,建立优化模型,优化设计升程曲线。 (4)针对300MN模锻水压机动梁速度控制滞后、鲁棒性差和控制精度低的特点,提出并设计基于PFC-(PID-H_∞)双闭环串级动梁速度控制系统,从模型失配、干扰、轨迹跟踪等方面进行仿真研究。研究表明,控制系统具有良好的稳态精度、动态品质、鲁棒性和跟踪性能。 (5)根据主分配器双轴同步、通道多、流量大的特点,优化设计阀芯开启图和阀体。研制基于总线技术的多系统协同的多主站结构的复杂网络分布式三级计算机动梁速度控制系统,以及基于比例流量控制原理液压操作系统。采用WINCC组态软件研制基于拓扑结构、多视窗分级的人机界面的动梁速度监控系统。集成这些系统,实现了300MN模锻水压机动梁速度控制。 (6)在不同速度、不同工艺条件下,对300MN模锻水压机PFC-(PID-H_∞)动梁速度控制系统进行试验研究。研究表明,试验与仿真结果相互吻合,证明了控制模型、策略的正确性、可靠性和实用性。测试表明,分配器凸轮轴转角控制动态精度和静态精度均为±1°,分配阀芯位置控制静态精度±0.2mm、动态精度±0.5mm,在不同负载下速度控制精度为(0.26~1.35)mm/s。


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