特種陶瓷液壓機(jī)液壓頂出系統(tǒng)控制方法研究

李建輝，柴 博，劉 嬌

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

隨著科技的日益發(fā)展，社會(huì)進(jìn)步的步伐加快，一般的原材料已經(jīng)難以滿足社會(huì)新技術(shù)，這就使得改進(jìn)現(xiàn)有的材料并且開(kāi)發(fā)新型材料變得十分必要[1-2].特種陶瓷材料具有比普通陶瓷材料更加優(yōu)異的性能，它屬于一種無(wú)機(jī)非金屬材料，用天然或者合成的化合物經(jīng)過(guò)高溫高壓下燒結(jié)并且成型而制成.它具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等一系列優(yōu)點(diǎn). 特種陶瓷的優(yōu)點(diǎn)決定了它在材料領(lǐng)域的發(fā)展成為人們著重關(guān)注的焦點(diǎn).特種陶瓷液壓機(jī)頂模裝置的主要作用是將壓制好的坯體頂出模腔，同時(shí)頂出缸下降實(shí)現(xiàn)粉料的填充.該裝置可以調(diào)整磚坯的厚度，從而影響陶瓷的質(zhì)量.特種陶瓷原料通常是較細(xì)的粉末，壓制成型后脫模時(shí)容易碎裂和分層，因此要求頂出機(jī)構(gòu)工作可靠性高、精度高[3-4].

1 工作原理

圖1是頂出機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化液壓原理圖[5-6].

1.液壓泵；2.溢流閥；3.蓄能器；4.減壓插裝閥組；5.電磁閥；6.頂出缸圖1 頂出機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 The principle diagram of the ejection device

減壓插裝閥組由一個(gè)二通插裝閥和減壓閥組成，主要作用是減少系統(tǒng)的壓力并且起到回路保護(hù)的作用；蓄能器給系統(tǒng)提供能量，保證頂出系統(tǒng)的供油壓力.

2 頂出系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

頂出系統(tǒng)采用非對(duì)稱(chēng)閥控制非對(duì)稱(chēng)液壓缸的結(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型并且將各個(gè)數(shù)據(jù)帶入得到頂出機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)為[7-8]

(1)

式中：P為壓力(MPa)；U為電壓(V).

利用Simulink環(huán)境下的線性時(shí)不變分析工具LTI對(duì)此陶瓷液壓機(jī)頂出系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域與頻域響應(yīng)分析，結(jié)果如圖2所示.

圖2 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)伯德圖Fig. 2 Bode diagram open loop system

由圖2可知，頂出系統(tǒng)的幅值穿越頻率為130 rad/s,幅值裕度Gm為9.34 dB,相位穿越頻率為34.6 rad/s，相位裕度Pm為69.8°.通過(guò)判斷可知該系統(tǒng)穩(wěn)定，只有穩(wěn)定的系統(tǒng)才可以進(jìn)行后續(xù)的研究.

3 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制是工業(yè)控制中使用頻率最高的方法，它是一種線性控制器，輸入和輸出產(chǎn)生的偏差會(huì)按照比例、積分、微分的作用進(jìn)行線性調(diào)整，得出控制量，然后對(duì)被控量進(jìn)行調(diào)整的一種方法.模糊PID對(duì)于一些復(fù)雜的非線性系統(tǒng)控制具有較好的效果.模糊控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[9-10].

對(duì)于閥控液壓缸來(lái)說(shuō)，不管是頂出狀態(tài)還是動(dòng)梁的下降狀態(tài)，都有3個(gè)變量. 輸出量都是電磁閥的輸入電壓U，輸入量是位移的偏差e和偏差變化率ec.位移的偏差e的基本論域?yàn)閇-12,+12], 模糊論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，設(shè)定語(yǔ)言值為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}.并且簡(jiǎn)記為：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} ，分別表示實(shí)際的位移值相對(duì)于設(shè)定值為{超低，很低，偏低，正好，偏高，很高，極高}.Ke=6/12=0.5. 偏差變化率ec論域?yàn)閇-0.2,+0.2], 模糊論域設(shè)定為{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，語(yǔ)言值設(shè)定為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}.并且簡(jiǎn)記為：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} ，分別表示實(shí)際的位移值相對(duì)于設(shè)定值為{急速上升，高速上升，上升，不變，下降，高速下降，急速下降}.Kec=6/0.2=30.單個(gè)的輸出量為電壓U[63，64]，基本論域?yàn)閇-10，+10]，模糊論域?yàn)閧-3，-2，-1,0，+1，+2，+3}.設(shè)定語(yǔ)言值為{正大，正中，正小，零，負(fù)小，負(fù)中，負(fù)大}.并且簡(jiǎn)記為：{PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB} ，表示執(zhí)行的動(dòng)作表述為{閥門(mén)右位開(kāi)度極大，閥門(mén)右位開(kāi)度很大，閥門(mén)右位開(kāi)度大，閥門(mén)關(guān)閉，閥門(mén)左位開(kāi)度大，閥門(mén)左位開(kāi)度很大，閥門(mén)左位開(kāi)度極大}.KU=10/2.69=3.71， 輸入與輸出都選用三角形隸屬函數(shù)，采用Mamdani的模糊推理方式和重心法這種反模糊化方法進(jìn)行解模糊計(jì)算.模糊控制表見(jiàn)表1.

表1 模糊控制表
Tab. 1 Fuzzy control table

偏差變化率ec位移偏差e-6-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5+6-6-2.69-2.63-2.69-2.63-2.69-0.900.511.51.51.562.69-5-2.63-2.63-2.63-2.63-2.63-0.900.511.521.642.63-4-2.69-2.63-2.69-2.63-2.69-0.900.51.51.642.132.132.69-3-2.63-2.63-2.63-2.13-2.13-1.160122.132.632.132.63-2-2.69-2.63-2.69-2.13-2-10122.132.692.632.69-1-2.63-2.63-2.63-2.13-2-10122.132.632.632.630-2.69-2.63-2.69-2.13-2-10122.132.692.632.69+1-2.63-2.63-2.63-2.13-2-10122.132.632.632.63+2-2.69-2.63-2.69-2.13-2-10122.132.692.632.69+3-2.63-2.13-2.63-2.13-2-101.162.132.132.632.632.63+4-2.69-2.13-2.13-1.64-1.5-0.500.92.692.632.692.632.69+5-2.63-1.64-2-1.5-1-0.500.92.632.632.632.632.63+6-2.69-1.56-1.5-1.5-1-0.500.92.692.632.692.632.69

4 頂出系統(tǒng)的AMESim-Simulink聯(lián)合仿真研究

根據(jù)規(guī)則以及液壓系統(tǒng)原理建立的液壓仿真模型圖如圖4所示[11].

利用圖4頂出系統(tǒng)的AMESIM仿真模型，模擬真實(shí)環(huán)境下特種陶瓷液壓機(jī)的頂出與下降的流程并進(jìn)行仿真.設(shè)置頂出位移為50 mm，第1次下降30 mm，第2次下降15 mm，第3次下降5 mm，根據(jù)位置階躍仿真圖像顯示的結(jié)果，采用模糊PID控制方法和PID控制方法進(jìn)行比較. 仿真時(shí)間設(shè)置為1.4 s，仿真實(shí)驗(yàn)分為兩組，一組是空載，另一組是加載50 000 N的情況，仿真分析兩種情況下系統(tǒng)的偏差曲線.圖5是模擬真實(shí)系統(tǒng)空載時(shí)的仿真圖.控制指標(biāo)見(jiàn)表2.

圖4 仿真圖Fig.4 Simulation diagram

表2 控制指標(biāo)表
Tab. 2 Control index table

控制方法頂出指標(biāo)第1次下降指標(biāo)第2次下降指標(biāo)第3次下降指標(biāo)超調(diào)量M/%上升時(shí)間tr/s穩(wěn)態(tài)誤差Δ/mm超調(diào)量M/%上升時(shí)間tr/s穩(wěn)態(tài)誤差Δ/mm超調(diào)量M/%上升時(shí)間tr/s穩(wěn)態(tài)誤差Δ/mm超調(diào)量M/%上升時(shí)間tr/s穩(wěn)態(tài)誤差Δ/mmPID00.2140.02700.3040.02600.1970.02700.1420.028模糊PID00.1880.0100.298000.172000.1100

圖5 頂出位移圖Fig.5 Ejection displacement diagram

從圖5和表2可以看出，PID控制在空載時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)都較差；模糊PID控制雖然在頂出階段有少許的穩(wěn)態(tài)誤差，但在3次下降的時(shí)候都沒(méi)有，顯示了這種控制方法的優(yōu)越性.圖6為位置的誤差圖.

圖6 誤差圖Fig. 6 Error figure

表3 控制偏差表
Tab. 3 Control deviation table

控制方法頂出偏差/mm第1次下降偏差/mm第2次下降偏差/mm第3次下降偏差/mmPID0.006 80.0410.0070.007 9模糊PID0.003 70.000 80.000 50.002 1

由圖6可知，PID的偏差曲線與模糊PID的偏差曲線都會(huì)跟隨時(shí)間逐漸向零附近靠近，從表3可以看出，在頂出階段與3個(gè)下降階段模糊PID的偏差與PID的偏差相比小很多. 說(shuō)明模糊PID的調(diào)節(jié)比PID的調(diào)節(jié)更好，適應(yīng)能力強(qiáng)，魯棒性較好，穩(wěn)定性較高.

5 特種陶瓷液壓機(jī)模糊PID控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證特種陶瓷液壓機(jī)頂出控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真分析是否正確，在ZGLRY-160-22樣機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)備如圖7所示.

圖7 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig. 7 Experimental equipment

頂出機(jī)構(gòu)位移實(shí)驗(yàn)采用模糊PID進(jìn)行調(diào)控，輸入設(shè)計(jì)的模糊PID控制器的參數(shù)，與仿真分析一樣，設(shè)定頂出的位移為50mm，第1次下降為30mm，第2次下降為15mm，第3次下降為5mm，啟動(dòng)試驗(yàn)壓機(jī)泵站，得到真機(jī)頂出曲線如圖8所示，真機(jī)的試驗(yàn)數(shù)值和計(jì)算機(jī)模擬仿真數(shù)值的對(duì)比分析見(jiàn)表4.對(duì)比表中允許真實(shí)實(shí)驗(yàn)有誤差，穩(wěn)態(tài)誤差在千分位即可，時(shí)間在毫秒級(jí)即可.

表4 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比表
Tab. 4 Comparison table of experiment and simulation

數(shù)據(jù)來(lái)源與誤差頂出指標(biāo)第1次下降指標(biāo)第2次下降指標(biāo)第3次下降指標(biāo)超調(diào)量M/%上升時(shí)間tr/s穩(wěn)態(tài)誤差Δ/mm超調(diào)量M/%上升時(shí)間tr/s穩(wěn)態(tài)誤差Δ/mm超調(diào)量M/%上升時(shí)間tr/s穩(wěn)態(tài)誤差Δ/mm超調(diào)量M/%上升時(shí)間tr/s穩(wěn)態(tài)誤差Δ/mm實(shí)驗(yàn)00.1980.01500.3040.0100.2070.00100.1210.002仿真00.1880.0100.298000.172000.1100誤差00.010.00500.0050.0100.0350.00100.0110.002

圖8 頂出曲線Fig.8 Ejection curve

由實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比分析可知：真機(jī)上升時(shí)間稍長(zhǎng)，而且有一定的穩(wěn)態(tài)誤差，但是誤差都在允許范圍內(nèi). 真機(jī)實(shí)驗(yàn)的精度沒(méi)有仿真的精度高，也沒(méi)有仿真的時(shí)間快，主要是由于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的許多非線性因素引起的，例如閥、管道、油泵等.但是我們所設(shè)計(jì)的模糊PID控制器在真機(jī)試驗(yàn)中已經(jīng)能滿足需求，證明了模糊PID控制器可行.

6 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的模糊PID控制器可以克服現(xiàn)場(chǎng)的非線性因素諸如油液摩擦力的變化、負(fù)載參數(shù)變化等影響，效果較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易行.模糊PID控制器能達(dá)到系統(tǒng)高精度、無(wú)超調(diào)的要求，對(duì)生產(chǎn)高質(zhì)量

高性能的陶瓷已很有現(xiàn)實(shí)意義.此控制方法可以用在其他環(huán)境惡劣并且對(duì)精度要求高的場(chǎng)合，也為其他有需要的工程機(jī)械設(shè)備提供了一種新的控制思路和方法.