引言
傳統密煉機料斗翻轉力由蝸輪蝸桿提供,機器在密閉空間內長時間工作,極易產生粉塵污染,導致電機負載增大進而嚴重燒毀電機或出現限位開關失靈現象,影響橡膠熔煉安全、成本和進度。
基于此,對料斗翻轉擬采用液壓缸驅動代替蝸輪蝸桿傳動;為提高料斗卸料率,需精確控制料斗翻轉角度,故引入閉環控制技術[1]。結合相關機械翻轉理論技術[2-3]和PID調節控制理論[4],本文提出了一種基于角度控制的密煉機料斗翻轉閉環控制系統,基于AMESim軟件搭建了密煉機料斗翻轉角度PID閉環控制系統,研究了基于翻轉液壓缸角度的PID閉環控制特性,重點分析了基于料斗翻轉角度控制特性的影響因素,仿真了料斗轉動慣量、翻轉阻尼及PID控制器微分系數對翻轉角度波動程度的影響,對密煉機料斗翻轉裝置研制及系統優化設計具有指導意義。
1
基于角度控制的密煉機料斗翻轉液壓系統
基于角度控制的密煉機料斗翻轉機構示意圖如圖1所示,此時翻轉液壓缸活塞處于縮回狀態,密煉機料斗已翻轉卸料。設定密煉機料斗翻轉角度為θ。
密煉機料斗翻轉角度PID控制液壓系統如圖2所示[5-8],使用角度傳感器及其傳輸通道構成翻轉角度閉環控制液壓系統,設定密煉機料斗翻轉角度目標值為θ0。
圖2中電機帶動定量泵工作,泵提供液壓缸動作流量和壓力,比例換向閥換至左位,液壓缸活塞縮回,料斗逆時針旋轉卸料;比例換向閥換至右位,液壓缸活塞伸出,料斗順時針旋轉至待裝料狀態。
料斗翻轉角度閉環控制邏輯圖如圖3所示。
密煉機料斗翻轉角度閉環控制:密煉機翻轉液壓系統通過角度傳感器實時輸出料斗翻轉角度θ,通過反饋通道到達求和運算器,與其目標角度值θ0比較輸出角度誤差eθ,eθ傳輸到PID控制器控制閥芯實時動作,直至料斗翻轉角度逼近目標角度值。
2
基于角度控制的料斗翻轉液壓系統建模
基于AMESim軟件的液壓庫搭建如圖4所示的基于角度控制的密煉機料斗翻轉閉環控制系統仿真模型,系統仿真參數如表1所示。
3
基于角度控制的翻轉控制特性仿真分析
在基于角度控制的密煉機料斗翻轉PID閉環控制系統仿真模型中,設置料斗理想目標角度值為132°,輸入PID參數值:kp=10、ki=0.05、kd=0.01,時間間隔0.01 s,仿真3 s得到如圖5所示的基于角度閉環控制的料斗翻轉控制特性曲線,其中圖5(a)為基于角度閉環控制的料斗翻轉角度及液壓缸位移變化曲線,圖5(b)為基于角度閉環控制的料斗翻轉角速度及液壓缸速度變化曲線。
由圖5可知,基于翻轉角度閉環控制的料斗翻轉系統,料斗翻轉角度逼近目標值的響應時間約1.6 s,滯后0.2 s,實際料斗翻轉角度為132.4°,料斗翻轉過程中液壓缸活塞縮回速度可達0.44 m/s,滯后位置控制系統0.04 m/s,料斗翻轉速度約為11.14 r/min,滯后位置控制系統0.9 r/min,料斗翻轉啟動和結束時沖擊振動嚴重。
4
翻轉特性影響因素研究
通過減小料斗轉動慣量消除翻轉啟停沖擊,設置料斗轉動慣量分別為20、40、60、80 kg·m2進行基于角度控制的料斗翻轉仿真,得到如圖6所示的料斗轉動慣量對料斗翻轉角度的影響。
由圖6可知,減小料斗轉動慣量對減小料斗翻轉角度具有明顯的效果。
在實際中可設計料斗形狀使其裝料重心與旋轉鉸接點盡可能小,進而減小料斗轉動慣量,降低料斗翻轉振動。
通過增加阻尼消除翻轉啟停沖擊,設置料斗旋轉阻尼為100、400、700、1 000 N·m/(r/min)進行仿真,得到如圖7所示的料斗翻轉阻尼對翻轉角度的影響。
由圖7可知,當料斗翻轉阻尼為400 N·m/(r/min)以上時,料斗翻轉停止波動基本消除。
設置PID控制器微分項系數分別為0.01、0.1、1、5進行仿真,得到如圖8所示的PID微分項系數對翻轉角度的影響。
由圖8可知,增大PID微分項系數,料斗翻轉停止沖擊逐漸消除,當微分項系數為0.1時,料斗翻轉波動得到有效控制。
5
結論
傳統密煉機料斗機械翻轉驅動力由電機帶動蝸輪蝸桿傳動裝置提供,機器長時間工作會因粉塵污染導致負載增大,進而造成蝸輪蝸桿傳動卡死,燒壞電機。針對此不足,采用液壓控制油缸提供料斗翻轉驅動力,設計了一種密煉機料斗液壓翻轉角度PID閉環控制系統,對料斗翻轉角度、翻轉速度、液壓缸位移及液壓缸速度變化情況進行了仿真,重點研究了基于角度控制料斗翻轉特性的影響因素及其規律,對液壓控制式密煉機料斗翻轉裝置研制具有理論指導意義,主要得出以下結論:
(1)減小料斗轉動慣量、增大料斗旋轉阻尼,料斗翻轉振動得到有效控制;
(2)PID微分項系數選取0.1,料斗翻轉角度曲線穩態誤差較小。
審核編輯:劉清
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原文標題:基于液壓控制的密煉機料斗翻轉特性影響因素研究
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