基于FCS和多模式預測控制的25MN快鍛液壓機組控制系統研究

蘇振華，王冬梅，郭曉鋒，高尚暉，李培力

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

快鍛液壓機是從20世紀60年代開始發展的一種鍛壓設備，主要用于自由鍛件的壓制和鋼錠開坯的鍛造，尤其適合合金含量較高材料的鍛造［1-2］。近年來，隨著我國航天航空、造船業、軍工、新能源等行業的發展，鍛壓行業迎來了一個前所未有的發展機遇［3-4］。80年代以來，隨著液壓控制技術和微電子控制技術的迅猛發展，尤其是工業PLC的廣泛應用，導致快鍛液壓機的自動化程度飛速提高。由于快鍛液壓機機械和液壓系統復雜、系統慣性大，鍛造工作中系統很容易出現震蕩和噪音等問題，鍛造速度和尺寸精度難以滿足加工要求，所以研制出一套專門應用于快鍛液壓機的控制系統是十分必要的。本文主要針對25 MN快鍛液壓機組控制系統進行研究，為進一步設計和應用打下堅實的基礎。

1 快鍛液壓機組簡介

25 MN快鍛液壓機組主要完成鐓粗、拔長、沖孔、彎曲等自由鍛工序，機械程度化高，運行速度快。機組組成圖如圖1所示，主要包括以下幾個部分［5］:

(1)壓機本體 (主機)是壓制工件的主要裝置，其機械結構采用梁柱組合上傳動機架，主要由上砧旋轉裝置、橫向移砧裝置、移動工作臺等組成;

(2)液壓系統用于驅動主機，主要是以大通徑比例插裝閥為主控的比例閥控系統，由主泵模塊、輔助泵模塊、主工作缸模塊、回程缸模塊、蓄勢器模塊、沖液閥模塊等組成;

圖1 25 MN快鍛液壓機機組組成圖Fig.1 Composition diagram of 25 MN fast forging hydraulic press set

(3)操作機是機組中最重要的輔機，用于夾持工件，主要完成大車前進/后退、鉗桿正旋/右旋、鉗桿上升/下降、鉗桿上傾/下傾、鉗桿左移/右移、鉗桿左擺/右擺、鉗口松開/夾緊七個動作，其中大車移動精度為±10 mm，鉗口旋轉精度為±1°;

(4)運料回轉小車主要負責將加熱爐中的鍛件運送至鍛造壓機砧臺上或使鍛件調頭;

(5)回轉升降臺主要負責工件的調頭;

(6)電控系統;

(7)通風、照明、鍛件測溫、排污、報警等公用設施。

2 工作原理

25 MN快鍛液壓機由三個柱塞缸組成驅動，一個主缸和兩個側缸，回程缸是兩個柱塞缸。主缸的進油和排油工作和側缸的進出液工作是分開的。快鍛液壓機主要完成鐓粗、常鍛和快鍛三種工序。鐓粗時主缸和兩個側缸同時工作;常鍛可以分為主缸常鍛和三缸常鍛;快鍛時僅僅兩個側缸工作。25 MN快鍛液壓機采用蓄勢器快鍛回路，能量利用率較高。快鍛液壓機一般在鐓粗和常鍛方式下工作，快鍛常用于精整工序。25 MN快鍛液壓機液壓系統簡圖如圖2所示，液壓機鐓粗和常鍛的工作過程類似，本文以鐓粗為例說明其工作過程，鐓粗動作順序［6］主要分為:

(1)空程下降。液壓機主要靠本身自重下行，主缸進液比例閥SV1、側缸進液比例閥SV4工作，回程缸比例閥SV5工作在右位，下降速度的大小主要是取決于回程比例閥的開口大小;

圖2 25MN快鍛液壓機液壓系統簡圖Fig.2 Hydraulic system of 25 MN fast forging hydraulic press set

(2)加壓。上砧接觸工件后，主缸進液比例閥SV1和側缸進液比例閥SV4工作，工作缸(主缸和側缸)的壓力迅速上升，壓機上砧的加壓速度主要由主缸進液比例閥SV1和側缸進液比例閥SV4的開口大小決定;

(3)卸壓和回程。由于加壓時工作缸的壓力很高，加壓完畢后需要先卸掉工作缸的壓力才能順利回程。卸壓時，主缸進液比例閥SV1、側缸進液比例閥SV4關閉，主缸排液比例閥SV2、側缸排液比例閥SV3開啟，卸壓時間主要由SV2，SV3的開口大小決定;卸壓完畢后，控制回程缸比例閥SV5工作在左位，系統回程。回程速度的大小主要取決于回程比例閥的開口大小。

3 系統網絡結構

在實際應用中，由人工智能操作工控機來控制操作機、鍛造液壓機、運料回轉小車、移動砧臺以及旋轉升降臺等進行工作。由于檢測和控制的對象較多，分布較為分散，控制難度相對比較大，因而采用PROFIBUS-DP總線的方式來進行建立控制體系［7］。體系結構按功能進行建立分站，對各個分站進行分開控制，實現集中監控，分散控制和分散管理。具有工作可靠、結構簡單、維護方便等優點。系統網絡結構圖如圖3所示，整個系統主要由PLC系統、工業控制計算機、觸摸屏、網絡控制模塊組成現場總線控制網絡。25 MN快鍛液壓機組控制系統是以研華工控機為上位機，PLC為下位機的現場總線控制系統，上位機通過PROFINET現場總線與下位機進行通信。快鍛壓機主站采用西門子S7-300系列工業可編程控制器，采用西門子ET200M系列產品來控制操作機以及其他分站的分布，主站和各個從站網絡間選用DP/DP Couple連接兩個PROFIBUS-DP。整個快鍛壓機系統以S7-300處理器為中心，組成PROFIBUS DP總線網絡來與遠程I/O進行控制，對壓機進行邏輯控制、順序控制和精度控制，安全可靠的運行系統。

圖3 系統網絡結構圖Fig.3 Structure diagram of system network

4 控制策略

25 MN快鍛液壓機鍛造速度要求80次/min，鍛造精度要求達到±1 mm。由于活動橫梁慣性大、液壓系統存在死區和非線性增益，采用傳統的PID控制很難滿足快鍛機控制要求，本快鍛壓機采用預測型多模式控制系統［8］，其結構圖如圖4所示。該系統主要包括預測部分、Bang-Bang控制、Fuzzy速度控制、Fuzzy位置控制、控制對象以及傳感器。以上五部分組成實時閉環系統，輸入為正弦曲線。根據快鍛液壓機的工作特性確定控制方式，大偏差范圍內采用Bang-Bang控制 (開關控制)，在趨向目標時采用速度控制，在接近目標時采用位置控制，預測模型決定控制方式的切換時機。鍛造開始工作時由于偏差e較大，即|e|≥Eb(Eb為Bang-Bang控制時e的邊界值)，所以系統的控制量取最大值，來進行非線性Bang-Bang控制;隨著偏差e值逐漸減少到Ep＜＜Eb范圍 (Ep為轉換位置控制時e的邊界值)時，進行Fuzzy速度控制;當e值減少到≤Ep時，就應用Fuzzy位置控制。運用這三種控制方法，既能縮短過渡時間，提高運行速度，又能保證系統超調量小，進行無超調量控制，使控制精度得到迅速提高。

圖4 多模式預測控制系統結構框圖Fig.4 Structure diagram of multi-model predictive control system

5 結束語

25 MN快鍛液壓機組PLC控制系統站與站之間采用先進的PROFIBUS-DP現場總線進行控制，運用傳感器控制技術以及預測多模式控制技術，實現了快鍛機在精鍛和粗鍛運動中平穩、無沖擊振動以及準確的位置和精度控制，顯著提高了快鍛機的可靠性。

［1］ 蔡墉．我國自由鍛液壓機和大型鍛件生產的發展歷程 ［J］．大型鑄鍛件，2007(1):37－44．

［2］ 林永新．鍛造設備制造技術的發展 ［J］．稀有金屬快報，2004，23(12):7－9．

［3］ 張金．世界鍛造業現狀及發展 ［J］．機械工人，2002(11):4－7．

［4］ 姚保森．我國鍛造液壓機的現狀及發展 ［J］．鍛壓裝備與制造技術，2006(3):28－30．

［5］ 高俊峰．我國快鍛液壓機的發展與現狀 ［J］．鍛壓技術，2008，33(6):1－5．

［6］ 陳柏金，鐘紹輝，靳龍，等．泵直接傳動式鍛造液壓機計算機控制 ［J］．機床與液壓，2001(2):47－48．

［7］ 熊曉紅，陳柏金，黃樹槐．基于現場總線的鍛造液壓機組計算機控制系統［J］．鍛壓技術，2002(1):48－51．

［8］ 陳柏金，黃樹槐，高俊峰，等．自由鍛造液壓機控制策略 ［J］．機械工程學報，2008，44(10):304－312．