基于模糊PID算法的同步柔性沖壓裝置控制系統(tǒng)研究*

穆天馳 張東民 周偉民

(①上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418；②上海東風(fēng)汽車專用件有限公司，上海 201419)

國內(nèi)先進(jìn)沖壓車間擁有高度自動(dòng)化的沖壓生產(chǎn)線，計(jì)算機(jī)模擬仿真成為沖壓產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的必要手段，獲得廣泛應(yīng)用[1]。為了實(shí)現(xiàn)沖壓設(shè)備的高精度化，必須建立可靠的液壓同步控制技術(shù)。因此，近些年來各大高校、企業(yè)等相繼研發(fā)各式各樣的控制器并在液壓同步控制中應(yīng)用[2]，如目前使用最為廣泛的PID控制器。然而，多邊沖壓裝置的液壓同步控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電液相互耦合的系統(tǒng)，在不同工況下，受不規(guī)則摩擦、復(fù)雜偏載以及液壓系統(tǒng)參數(shù)的變化等因素影響會(huì)呈現(xiàn)出不同程度的非線性和時(shí)變性[3]。目前液壓同步系統(tǒng)控制的研究是基于簡化的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)控制器[4]，如李勝永等人通過建立簡化數(shù)學(xué)模型，利用遺傳算法對系統(tǒng)中PID控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，雖然提高了控制精度，但算法較為復(fù)雜，運(yùn)行效率低[5]。為此本文提出了一種三液壓缸同步控制的液壓回路和基于模型參考的自適應(yīng)模糊控制器[6-7]，并將其應(yīng)用于多邊同步?jīng)_壓裝置控制系統(tǒng)中。此外，借助AMESim和Simulink軟件搭建同步系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺(tái)，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。該算法下的控制系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提升零件沖壓加工精度，滿足企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)需求，擴(kuò)大了設(shè)備可加工沖壓件的范圍，有效降低成本，將產(chǎn)品合格率從原有的85%提升至95%，沖壓零件耐磨性和剛性強(qiáng)度增強(qiáng)，提升了零件的質(zhì)量。

1 同步控制系統(tǒng)原理與組成

主從控制主要應(yīng)用在需要實(shí)現(xiàn)同步控制的多個(gè)執(zhí)行元件，主要是在執(zhí)行元件中選取一個(gè)作為理想輸出，再將輸出結(jié)果反饋給其他執(zhí)行元件，其他執(zhí)行元件通過某種設(shè)定的控制方法跟蹤理想輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以達(dá)到同步控制的目的[8]。

同步柔性沖壓裝置的同步控制系統(tǒng)自身存在諸多問題，針對三液壓缸自身的差異性及工作時(shí)的不確定性，同時(shí)又要滿足同步伸縮需求的特點(diǎn)，因此以其中1個(gè)液壓缸的位移理想輸出作為控制信號(hào)，其他2個(gè)液壓缸的位移根據(jù)控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三液壓缸的同步控制。其控制框圖如圖1所示。

2 三氣液缸同步回路設(shè)計(jì)

2.1 蓄能器保壓回路建模

蓄能器保壓回路又為能量回收回路，它的作用是能夠在油泵輸出流量恒定的情況下，將系統(tǒng)某時(shí)間段內(nèi)過多的壓力暫時(shí)儲(chǔ)存于蓄能器中，減小溢流閥將過多的壓力卸除，在系統(tǒng)需要較大壓力時(shí)能夠使系統(tǒng)快速補(bǔ)充壓力，保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在某個(gè)區(qū)間內(nèi)，不但能夠降低液壓泵的輸出功率，而且可以有效達(dá)到節(jié)能的目的[9-10]。在蓄能器保壓回路中，輸入系統(tǒng)的壓力、蓄能器填充壓力和卸荷閥設(shè)定壓力三者間[11]，當(dāng)系統(tǒng)輸入壓力低于卸荷閥設(shè)定壓力(210 bar以下)的20%～28%時(shí)，油泵開始給蓄能器充壓，直至壓力達(dá)到卸荷閥設(shè)定值時(shí)，卸荷閥打開，并泄油直至下一個(gè)周期。蓄能器保壓回路AMESim模型如圖2所示。

2.2 液壓同步系統(tǒng)仿真模型建立

對柔性沖壓裝置的同步系統(tǒng)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)很難精確反應(yīng)出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，試驗(yàn)裝置花費(fèi)所需甚多，為了便于分析同步控制性能，借助于仿真度較高的Simulink和AMESim軟件對其進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，將柔性沖壓裝置沖壓時(shí)所需的力等效為帶有相同摩擦力的質(zhì)量塊作用到同步液壓缸上，則柔性沖壓裝置的液壓同步控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)如圖3所示。

3 三缸同步性仿真分析

3.1 液壓系統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID建模

通過Simulink軟件按照上文提到的主從同步控制結(jié)構(gòu)結(jié)合模糊控制系統(tǒng)搭建仿真模型，如圖5所示。將圖4中的液壓系統(tǒng)以協(xié)同仿真模塊AME2SCOSIM模塊導(dǎo)入Simulink中，利用其與AMESim的各自求解器進(jìn)行聯(lián)合仿真。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

為測試同步系統(tǒng)的性能，在仿真中液壓缸的主要參數(shù)為：液壓缸內(nèi)徑60 mm，行程100 mm，負(fù)載均為500 kg，同時(shí)為更好地模擬澆注機(jī)工作過程中的外力干擾，在負(fù)載中加入相應(yīng)的最大靜摩擦力及動(dòng)摩擦系數(shù)；以幅值為0.3的正弦信號(hào)為輸入信號(hào)，測試同步控制系統(tǒng)性能。

3.3 同步液壓回路仿真結(jié)果分析

搭建AMESim與MATLAB聯(lián)合仿真平臺(tái)對模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。在以頻率為0.15 Hz，幅度為0.3，相位為-π/2 rad的正弦信號(hào)作為系統(tǒng)期望位移信號(hào)的情況下，仿真時(shí)間為20 s，采樣時(shí)間為0.01 s，在相同負(fù)載下三液壓缸的位移曲線仿真結(jié)果如圖4所示，3條位移曲線高度重合，模糊PID控制算法下的三液壓缸間的同步誤差在0.013 mm以下，同步精度提高90%，即每個(gè)液壓缸的沖壓精度大幅度提高。

結(jié)合圖3的液壓原理圖分析，在液壓泵出口端使用19功率傳感器，并時(shí)刻對功率進(jìn)行積分，所得總能耗仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示。采用蓄能器保壓回路，前5 s內(nèi)蓄能器釋放壓力，液壓泵對外輸出功率較小，5～10 s時(shí)間由于對系統(tǒng)和對蓄能器有做功，總能耗相對增加，但與常規(guī)液壓同步回路系統(tǒng)比較，運(yùn)行2個(gè)工作周期，即工作20 s總能耗降低20%，總體能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的目的。

4 裝置實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用模糊PID控制系統(tǒng)的裝置連續(xù)沖壓30個(gè)M8和M16規(guī)格螺母，用三坐標(biāo)測量儀按照沖壓順序測量三邊沖槽深度，并計(jì)算三邊沖槽深度與標(biāo)準(zhǔn)沖槽深度的差值。建立以三邊沖槽深度為試驗(yàn)變量，沖槽深度差值為目標(biāo)函數(shù)的期望模型，通過對期望模型的分析，得到新型控制系統(tǒng)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

記錄下30組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1所示。30個(gè)M8規(guī)格螺母均合格，M16規(guī)格螺母合格率接近98%，均滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求，同時(shí)從表中可以看出，模糊PID控制系統(tǒng)對沖壓裝置整體穩(wěn)定性的影響較為顯著。M8規(guī)格螺母最大偏差為0.006 mm，M16規(guī)格螺母最大偏差為0.012 mm，均小于仿真結(jié)果的0.013 mm。隨著沖壓螺母規(guī)格的增大，沖壓力和沖槽深度也隨之增大，規(guī)格較大的螺母相較于規(guī)格較小的螺母更易產(chǎn)生不合格品，穩(wěn)定性也沒有沖壓小規(guī)格螺母的好。根據(jù)正態(tài)分布期望圖可知，M8規(guī)格螺母沖槽深度均值為0.001 39 mm，標(biāo)準(zhǔn)差σ為0.001 98，M16規(guī)格螺母的沖槽深度均值為0.006 64 mm，標(biāo)準(zhǔn)差σ為0.014 99，均滿足3σ定理，如圖7和圖8所示。模糊PID控制系統(tǒng)對沖壓成形效果影響較為顯著，沖壓裝置的穩(wěn)定性得益于新的控制系統(tǒng)，有效降低了不合格品的產(chǎn)生，同時(shí)增大了可沖壓產(chǎn)品的范圍，提升了裝置的柔性程度[12]。

表1 三邊壓槽深度

5 結(jié)語

(1)針對此種特殊的沖壓件，設(shè)計(jì)了一種帶補(bǔ)償因子的雙重模糊PID主從同步液壓控制系統(tǒng)，確保了沖壓件的精度要求，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的合格率。

(2)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用此種液壓控制系統(tǒng)能夠提升氣液缸連續(xù)沖壓的穩(wěn)定性以及對不同規(guī)格螺母沖壓的一致性，沖槽深度與仿真分析結(jié)果較為相似。

(3)在沖壓控制系統(tǒng)上使得該設(shè)備能夠精確沖壓多種規(guī)格特殊的沖壓件，對于其他需要對多邊沖壓有精度要求的設(shè)備的控制系統(tǒng)的研究提供了一定的方案參考。