采用SN8P2704A控制的陶芯壓注機壓力控制系統(tǒng)設(shè)計的研究?

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 咸陽 712000）

1 引言

熔模鑄造又名“失蠟鑄造”，是一種近凈型的鑄造方法，該方法具有生產(chǎn)出來的鑄件精度高、適應(yīng)于復(fù)雜薄壁鑄件的生產(chǎn)、生產(chǎn)靈活性高以及適應(yīng)性強等特點［1］。熔模鑄造由此得到了人們的高度認可，其被廣泛應(yīng)用于包括航天航空、軍用設(shè)備制造以及醫(yī)療器械在內(nèi)的多種領(lǐng)域。陶瓷芯在熔模鑄造中必不可少，陶芯壓注機生產(chǎn)出的陶瓷芯質(zhì)量的優(yōu)劣對熔模鑄造生產(chǎn)出來的產(chǎn)品有著密切的影響［2］。而對陶芯壓注機的壓力進行合理的控制，是提高其產(chǎn)品質(zhì)量的必要方法。在陶芯壓注機工作過程中，若充型壓力過大將會撐破模具使產(chǎn)品出現(xiàn)尺寸偏差以及飛邊等缺陷。若保壓壓力過小將會出現(xiàn)填充不滿以及產(chǎn)品彎曲等缺陷［3］。因此，如何對陶芯壓注機工作中的壓力進行有效的控制以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，成為了一項有意義的研究。

為了實現(xiàn)對壓注機壓力的準確控制，周起華［4］等通過對PID算法進行剖析，提出了模糊PID復(fù)合控制在壓注機電液伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用模糊復(fù)合的方法，以采集的壓力信號作為依據(jù)，實現(xiàn)對液壓缸保壓壓力的控制。又如姚喆［5］通過將模糊控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合，提出了模糊自適應(yīng)控制在壓注機電液控制系統(tǒng)切換中應(yīng)用研究，通過模糊自適應(yīng)控制適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化，以提高壓注機的壓力控制精度。以上方法能夠有效地實現(xiàn)對壓注機的壓力進行控制，但由于上述方法所用控制策略的學(xué)習(xí)能力較差，而且沒有對控制電路進行設(shè)定，使得上述方法不易實現(xiàn)，而且控制精度以及控制速度都不是很理想。

對此，本文提出了采用SN8P2704A控制的陶芯壓注機壓力控制系統(tǒng)設(shè)計的研究。通過對陶芯壓注機的工作機理進行剖析，明確控制對象。通過陶芯壓注機的工作過程進行分析，明確了控制要求。根據(jù)控制要求以及控制對象設(shè)計了壓力控制系統(tǒng)，并采用松翰單片機SN8P2704A作為中央控制器，聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進的PID算法作為控制策略，實現(xiàn)了本文所設(shè)計的壓力控制系統(tǒng)。最后，通過仿真實驗對本文所設(shè)計的壓力控制系統(tǒng)的有效性進行了驗證。

2 陶芯壓注機工作機理分析

陶芯壓注機主要由上料裝置、開合壓型裝置、電液伺服系統(tǒng)、冷卻保溫系統(tǒng)等組成，其中電液伺服系統(tǒng)主要由液壓缸、傳動機構(gòu)以及伺服閥等組成［6］。在陶芯壓注機工作工程中，可通過控制流入伺服閥的電信號對伺服閥的開度進行調(diào)控，伺服閥的開度將影響傳動機構(gòu)的動作，通過傳動機構(gòu)對液壓缸的行程進行控制，從而實現(xiàn)對陶芯壓注機工作過程中所需要的壓力進行控制［7］。

在陶芯壓注機工作過程中，壓力的控制包括對壓注壓力以及保壓壓力的控制。在壓注階段需要的壓力較大，以實現(xiàn)快速、飽滿的充型。而在保壓階段需要的壓力相對較小，以保證產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定以及表面平滑等。陶芯壓注機壓力的控制要求示意圖如圖1所示［8］。

圖1 陶芯壓注機壓力控制要求示意圖

3 壓力控制系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

通過對陶芯壓注機的工作機理進行分析可知，陶芯壓注機工作過程中的壓力控制，是通過電信號對伺服閥的開度進行控制，通過伺服閥的開度進而對傳動機構(gòu)的動作進行調(diào)控，從而實現(xiàn)對液壓缸行程的控制，完成對壓力的調(diào)控。同時，從陶芯壓注機壓力的控制要求可見，壓力控制系統(tǒng)對壓力的調(diào)控要實現(xiàn)分階段調(diào)控，而且控制速度以及控制精度要求較高。

對此，本文采用SN8P2704A作為中央控制器，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進的PID算法作為控制策略，設(shè)計了壓力控制系統(tǒng)。本文設(shè)壓力控制系統(tǒng)整體架構(gòu)的設(shè)計如圖2所示。從圖2可見，壓力傳感器采集到的實時壓力信號送入中央控制器后，壓力控制系統(tǒng)將啟動控制策略對壓力信號進行計算，SN8P2704A將根據(jù)得出的計算量，通過調(diào)控單元對伺服閥進行控制，從而實現(xiàn)對壓力快速、準確的調(diào)控。

圖2 壓力控制系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

4 硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

本文設(shè)計的硬件電路系統(tǒng)如圖3所示。硬件電路啟動后，其工作流程如下。

首先，通過人機交互接口中的液晶觸摸屏以及按鍵鍵盤將標定壓力工藝參數(shù)設(shè)置進入中央控制器。同時在壓力信號采集模塊中，壓力傳感器在不斷地對實時壓力信號進行采集，并且將采集到的壓力信號通過信號調(diào)理電路，將信號進行濾波、放大、整形處理。然后，中央控制器將不斷地對壓力信號采集模塊輸入的信號進行接收，并且啟動控制策略?？刂撇呗詫⒁詷硕▔毫に噮?shù)以及中央處理器接收到的壓力信號為依據(jù)進行計算，并將得出的計算結(jié)果反饋給中央控制器。最后，中央控制器根據(jù)控制策略給出的計算量對調(diào)控單元發(fā)出調(diào)控信號，調(diào)控信號經(jīng)過放大后將對可控硅的導(dǎo)通角度進行控制，從而使得流入伺服閥的電流信號得以控制，進而實現(xiàn)對伺服閥的開度進行了調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)壓力的調(diào)控。

從圖3可知，本文硬件電路主要由中央控制部分、人機交互接口部分、調(diào)控單元部分以及壓力信號采集部分組成。在中央控制部分，其核心為中央控制器的選擇。為了滿足壓力控制系統(tǒng)對壓力控制的快速準確性，本文選取了具有穩(wěn)定性能好、計算速度快等特點的SN8P2704A單片機作為中央控制器。在人機交互接口部分，采用了4X4的矩陣鍵盤作為按鍵鍵盤，以滿足壓力控制系統(tǒng)多種控制量的輸入，同時在該部分還配備了DC80480H070_02TF型液晶觸摸屏作為人機交互平臺，該液晶觸摸屏具有可視角度廣、分辨率高以及穩(wěn)定性好等特點，能夠適用于陶芯壓注機的工作環(huán)境。在壓力信號采集部分，其核心為壓力傳感器的選擇。為了滿足對現(xiàn)場壓力進行實時精確的采集，本文選取了具有高分辨率、高響應(yīng)度等特點的ZD-131型壓力變送器作為壓力傳感器。在調(diào)控單元，本文選取了松藤BTA80型大功率雙向可控硅作為執(zhí)行部件對伺服閥進行調(diào)控。

圖3 硬件電路設(shè)計示意圖

5 控制策略設(shè)計

控制策略是壓力控制系統(tǒng)的“靈魂”，通過其對采集的實時壓力信號以及標定壓力參數(shù)進行計算，從而得出硬件電路的控制信號。在這個過程中，控制策略的計算速度以及計算精度都將對壓力控制系統(tǒng)的性能造成影響。由此可見，設(shè)計一個計算速度快而且計算精度高的控制策略是非常必要的。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，PID算法是一個發(fā)展較早而且應(yīng)用較為廣泛的控制策略，其本質(zhì)是一種線性的控制方法。PID算法具有簡單易實現(xiàn)的特點，而且該算法的計算復(fù)雜度較低，使得控制效率較理想。常見的PID算法可表述為［9］

其中，KP、KI、KD分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

雖然PID算法具有其獨特的優(yōu)勢，但由于其對比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)較為依賴，而且這三個系數(shù)的確定需要通過大量的試驗才能選取合適，故而對PID算法的魯棒性以及控制精度造成了不良的影響。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一個三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制策略，其具有學(xué)習(xí)能力強，控制精度高的特點，能夠?qū)刂骗h(huán)境的變化進行自適應(yīng)。對此，本文將采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對PID算法中的KP、KI、KD三個參數(shù)進行修正，形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進的PID算法，并用于本文所設(shè)計的壓力控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的控制精度、控制效率以及魯棒性能。

對于圖4所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其輸出可表述為［10］

該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對應(yīng)的雅可比行列式的表述為［11］

設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)效率為φ，則PID算法中的KP、KI、KD三個參數(shù)修正過程為［12］

將修正后的KP、KI、KD引入原PID算法中后就行了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進的PID算法。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

6 仿真實驗

在此將利用目標追蹤的方法對本文所設(shè)計的壓力控制系統(tǒng)進行性能測試。并將文獻［13］中的壓力控制方法設(shè)立為對照組，用以和本文壓力控制方法進行實驗對比。實驗中輸入一個目標壓力曲線，然后利用本文方法以及文獻［13］中的方法，對設(shè)定的目標壓力曲線進行追蹤，通過對追蹤結(jié)果進行分析，以體現(xiàn)本文設(shè)計壓力控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

圖5 目標壓力曲線追蹤結(jié)果

實驗結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）為文獻［13］中方法的測試效果，圖5（b）為本文方法的測試效果。從圖5可見，雖然本文方法和對照組方法都能對目標壓力曲線進行追蹤，但是通過對比本文方法的追蹤結(jié)果（見圖5（b））和對照組中方法的追蹤結(jié)果（見圖5（a））可見，本文方法的壓力追蹤曲線波動更小，而且調(diào)節(jié)時間更短，更貼近于目標壓力曲線。說明本文方法對壓力的調(diào)節(jié)具有更好的實時性以及準確性，能夠?qū)μ招緣鹤C工作過程中的壓力進行精確快速的調(diào)節(jié)，為獲得優(yōu)良的產(chǎn)品提供有力的保障。

7 結(jié)語

為了實現(xiàn)對陶芯壓注機工作過程中的壓力進行良好控制，本文利用SN8P2704A中央控制器聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進的PID算法設(shè)計了壓力控制系統(tǒng)，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的合理性以及優(yōu)越性，表明了該系統(tǒng)能夠?qū)μ招緣鹤C工作時所需要的壓力進行實時準確的控制。