六面頂壓機(jī)超高壓模糊PID控制系統(tǒng)的研究

王克武，李樂(lè)寶，許宏

(1.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇連云港222006;2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310018）

六面頂壓機(jī)超高壓模糊PID控制系統(tǒng)的研究

王克武1，李樂(lè)寶2，許宏2

(1.連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇連云港222006;2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州 310018）

針對(duì)液壓系統(tǒng)超高壓控制中動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)性差的問(wèn)題，建立了壓力控制節(jié)流閥的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了基于模糊PID的智能控制系統(tǒng)，并利用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真。結(jié)果表明:采用基于模糊PID的智能控制系統(tǒng)大大改善了液壓控制動(dòng)態(tài)性能，提高了穩(wěn)態(tài)精度。

六面頂壓機(jī);模糊PID;超高壓

立方氮化硼 (CBN）是硬度僅次于金剛石的超硬材料，作為超硬材料家族的一員，它與金剛石一樣，也是在高溫高壓 (4.5～5.0 GPa）條件下合成的［1－2］。它除了具有高硬度和耐磨性外，還具有較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，被廣泛應(yīng)用于黑色金屬加工領(lǐng)域［3］。對(duì)實(shí)現(xiàn)高精、高效、節(jié)能及自動(dòng)化的機(jī)械加工起到了重大的推動(dòng)作用，因而國(guó)外把它作為重點(diǎn)發(fā)展和普及的重要材料［4］。

目前，普遍采用的生產(chǎn)設(shè)備是六面頂壓機(jī)，是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成［2，5－6］，其 6個(gè)液壓缸在空中對(duì)稱(chēng)分布，通過(guò)電液比例節(jié)流閥控制其運(yùn)動(dòng)。由于控制采用液壓系統(tǒng)，因而不可避免地存在泄漏的現(xiàn)象［7－8］，進(jìn)而使得壓機(jī)要不斷地補(bǔ)油，造成壓力脈動(dòng)，影響合成晶體的質(zhì)量。因而為獲得高品質(zhì)的CBN，實(shí)現(xiàn)高精度壓力控制至關(guān)重要。

液壓系統(tǒng)壓力的控制存在著非線性、動(dòng)態(tài)突變性等特點(diǎn)，經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論很難滿足液壓系統(tǒng)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性和穩(wěn)態(tài)精度要求［9］。為了有效解決CBN壓機(jī)合成晶體補(bǔ)壓過(guò)程中液壓控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能差的難題，文中以Y-500型六面頂壓機(jī)為研究對(duì)象，建立了壓機(jī)超高壓模糊PID智能控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高精度壓力的控制。

1 壓機(jī)控制結(jié)構(gòu)模型

壓機(jī)壓力控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中只畫(huà)出其中一個(gè)液壓缸壓力控制系統(tǒng)，因只研究壓力，故對(duì)壓機(jī)壓力控制模型做了簡(jiǎn)化，并沒(méi)有給出所有部件。壓力的控制是由DSP發(fā)出控制信號(hào)，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器和比例放大板，通過(guò)電液比例節(jié)流閥來(lái)控制的。

圖1 壓機(jī)壓力控制結(jié)構(gòu)圖

2 節(jié)流閥的數(shù)學(xué)模型

在液壓控制方面，通常采用電液比例閥控制液壓系統(tǒng)中的壓力精度。在此系統(tǒng)中，因比例閥的頻寬與液壓固有頻率相近，因而把比例閥的傳遞函數(shù)看成二階振蕩環(huán)節(jié)［10］:

式中:P(s）為電液比例節(jié)流閥穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近壓力;U(s）為電液比例節(jié)流閥穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)輸入壓力;Km為電液比例節(jié)流閥放大系數(shù);ωsm為電液比例節(jié)流閥的等效無(wú)阻尼固有頻率;ξsm為電液比例節(jié)流閥等效阻尼因數(shù)。

3 超高壓模糊PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在超高壓模糊PID控制器中，是把控制電壓的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，PID的控制參數(shù)Δkp、Δki、Δkd為輸出，滿足不同e和ec對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，從而使得被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。超高壓模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2 超高壓模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

圖中:Y為壓力輸出，這樣PID環(huán)節(jié)的kp、ki、kd三個(gè)參數(shù)最終為:kx=kx0+Δkx(x代表p、i、d），kx0為PID控制的初值。

將e、ec和 Δkp、Δki、Δkd的變化范圍分別整定到模糊論域 ［－5，5］和 ［－1，1］，在模糊論域內(nèi)定義7個(gè)模糊集合，對(duì)應(yīng)的語(yǔ)言變量為:負(fù)大(NB），負(fù)中 (NM），負(fù)小(NS），零 (Z）， 正 小(PS），正中 (PM），正大(PB）。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，模糊控制器的3個(gè)輸出分別乘以量化因子，它可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行調(diào)整。隸屬度函數(shù)采用三角形的分布函數(shù)，如圖3所示。

圖3 隸屬度函數(shù)分布圖

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)制定模糊規(guī)則，模糊控制規(guī)則制定的原則為:曲線振蕩很頻繁，增大Δkp值，曲線漂浮繞大彎，減小 Δkp值;曲線偏離回復(fù)慢，增大Δki值，曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，減小Δki值;曲線振蕩頻率快，減小Δkd值，動(dòng)差大而波動(dòng)慢，增大Δkd值。制定的模糊控制規(guī)則表見(jiàn)表1—3。

表1 Δk p的模糊控制規(guī)則表

表2 Δk i的模糊控制規(guī)則表

表3 Δk d的模糊控制規(guī)則表

由以上表格可得以下49條模糊控制規(guī)則:

4 仿真研究

圖4 常規(guī)PID控制Simulink仿真模型

仿真時(shí)，輸入幅值為5的階躍信號(hào)，信號(hào)從t=0時(shí)開(kāi)始輸入。當(dāng)把圖4中的PID控制器換成圖5所示的模塊時(shí)，系統(tǒng)就變成了模糊PID控制系統(tǒng)。

圖5 模糊PID控制器仿真結(jié)構(gòu)圖

為系統(tǒng)加入正弦信號(hào)重復(fù)上述仿真，采用傳統(tǒng)PID和模糊PID控制的響應(yīng)曲線比較如圖6所示。

圖6 響應(yīng)曲線比較

從兩圖中可以看出:針對(duì)兩種信號(hào)，模糊PID控制比常規(guī)PID控制具有更小的超調(diào)甚至無(wú)超調(diào)，響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)精度高，控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制。

5 結(jié)論

針對(duì)立方氮化硼在高溫高壓環(huán)境合成過(guò)程中復(fù)雜液壓系統(tǒng)超高壓控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊PID智能控制器，并進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明:與常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比，采用模糊PID控制的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、超調(diào)小、精度高、魯棒性強(qiáng)，系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能都有了明顯的提高。

【1】姜偉，盤(pán)瑛，李立惟．壓力對(duì)立方氮化硼復(fù)合片耐磨性和導(dǎo)電性的影響［J］．超硬材料工程，2011，23(3）:16－18．

【2】郭瑋，郭偉力，王琰弟．細(xì)顆粒CBN的高壓高溫合成研究［J］．超硬材料工程，2010，22(4）:10 －12．

【3】RONG X Z，YANG T．TEM Investigation of High-pressure Reaction-sintered cBN-AIComposites［J］．Journal of Materials Science，2004，39:4705 －4710．

【4】CHOU Y，KEVIN，EVANS Chris J．Cubic Boron Nitride ToolWear in Interrupted Hard Cutting［J］．Wear，1999，225/226/227/228/229:234－245．

【5】趙玉成，孫金峰，王明智．含納米金剛石的立方氮化硼聚晶的制備［J］．高壓物理學(xué)報(bào)，2007，21(4）:409 －413．

【6】楊大鵬，吉曉瑞，李英愛(ài)．鋰基觸媒體系中不同形狀立方氮化硼晶體的高壓合成［J］．高壓物理學(xué)報(bào)，2010，24(3）:237－240．

【7】楊樂(lè)庭．人造金剛石壓機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］．上海:東華大學(xué)，2010．

【8】徐振欽，馮勇，樂(lè)貴高．基于虛擬試驗(yàn)的液壓泄漏因素評(píng)估與定量研究［J］．機(jī)床與液壓，2009，37(11）:93 －96，109．

【9】ENDELT B，NIELSEN K B，DANCKERT J．Mew Framework for On-line Feedback Controlof a Deep-drawing Operation［J］．Journal of Materials Processing Technology，2006，177:426 －429．

【10】許益民．電液比例控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

Study on Ultrahigh Pressure Fuzzy PID Control System for Cubic Press

WANG Kewu1，LILebao2，XU Hong2

(1.College of Machinery and Electronic Engineering，Lianyungang Technical College，Lianyungang Jiangsu 222006，China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University， Hangzhou Zhejiang 310018，China）

A mathematicalmodel of throttle valve for controlling pressure and intelligent fuzzy PID control system were built，to solve the undesirable dynamic response and low steady-state precision of the ultrahigh-pressure control for hydraulic system．The simulation of the intelligent fuzzy PID control system was carried out based on MATLAB/Simulink．The result shows that the dynamic response and steady-state precision are greatly improved by adopting fuzzy PID．

Cubic press;Fuzzy PID;Ultrahigh pressure

TP211

A

1001－3881(2013）4－127－3

10．3969/j.issn.1001 －3881.2013.04.040

2012－01－07

浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目 (Z106853）

王克武 (1963—），男，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)、先進(jìn)裝備及技術(shù)等方面的研究。E－mail:wkw939@126.com。