六面頂壓機超高壓模糊PID控制系統的研究

王克武，李樂寶，許宏

(1.連云港職業技術學院機電工程學院，江蘇連云港222006;2.中國計量學院機電工程學院，浙江杭州 310018）

六面頂壓機超高壓模糊PID控制系統的研究

王克武1，李樂寶2，許宏2

(1.連云港職業技術學院機電工程學院，江蘇連云港222006;2.中國計量學院機電工程學院，浙江杭州 310018）

針對液壓系統超高壓控制中動態響應性能和穩態性差的問題，建立了壓力控制節流閥的數學模型，設計了基于模糊PID的智能控制系統，并利用MATLAB/Simulink進行仿真。結果表明:采用基于模糊PID的智能控制系統大大改善了液壓控制動態性能，提高了穩態精度。

六面頂壓機;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，還具有較高的熱穩定性和化學惰性，被廣泛應用于黑色金屬加工領域［3］。對實現高精、高效、節能及自動化的機械加工起到了重大的推動作用，因而國外把它作為重點發展和普及的重要材料［4］。

目前，普遍采用的生產設備是六面頂壓機，是由六方氮化硼和觸媒在高溫高壓下合成［2，5－6］，其 6個液壓缸在空中對稱分布，通過電液比例節流閥控制其運動。由于控制采用液壓系統，因而不可避免地存在泄漏的現象［7－8］，進而使得壓機要不斷地補油，造成壓力脈動，影響合成晶體的質量。因而為獲得高品質的CBN，實現高精度壓力控制至關重要。

液壓系統壓力的控制存在著非線性、動態突變性等特點，經典和現代控制理論很難滿足液壓系統控制的動態響應性和穩態精度要求［9］。為了有效解決CBN壓機合成晶體補壓過程中液壓控制系統動態性能差的難題，文中以Y-500型六面頂壓機為研究對象，建立了壓機超高壓模糊PID智能控制系統，以實現高精度壓力的控制。

1 壓機控制結構模型

壓機壓力控制結構如圖1所示，圖中只畫出其中一個液壓缸壓力控制系統，因只研究壓力，故對壓機壓力控制模型做了簡化，并沒有給出所有部件。壓力的控制是由DSP發出控制信號，經由D/A轉換器和比例放大板，通過電液比例節流閥來控制的。

圖1 壓機壓力控制結構圖

2 節流閥的數學模型

在液壓控制方面，通常采用電液比例閥控制液壓系統中的壓力精度。在此系統中，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看成二階振蕩環節［10］:

式中:P(s）為電液比例節流閥穩態工作點附近壓力;U(s）為電液比例節流閥穩態工作點輸入壓力;Km為電液比例節流閥放大系數;ωsm為電液比例節流閥的等效無阻尼固有頻率;ξsm為電液比例節流閥等效阻尼因數。

3 超高壓模糊PID控制系統的設計

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Δkp、Δki、Δkd為輸出，滿足不同e和ec對控制器參數的不同要求，從而使得被控對象具有良好的動、靜態性能。超高壓模糊PID控制結構圖見圖2。

圖2 超高壓模糊PID控制結構圖

圖中:Y為壓力輸出，這樣PID環節的kp、ki、kd三個參數最終為: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］，在模糊論域內定義7個模糊集合，對應的語言變量為:負大(NB），負中 (NM），負小(NS），零 (Z）， 正 小(PS），正中 (PM），正大(PB）。根據經驗，模糊控制器的3個輸出分別乘以量化因子，它可以通過實驗的方法進行調整。隸屬度函數采用三角形的分布函數，如圖3所示。

圖3 隸屬度函數分布圖

根據實際經驗制定模糊規則，模糊控制規則制定的原則為:曲線振蕩很頻繁，增大Δkp值，曲線漂浮繞大彎，減小 Δkp值;曲線偏離回復慢，增大Δki值，曲線波動周期長，減小Δki值;曲線振蕩頻率快，減小Δkd值，動差大而波動慢，增大Δkd值。制定的模糊控制規則表見表1—3。

表1 Δk p的模糊控制規則表

表2 Δk i的模糊控制規則表

表3 Δk d的模糊控制規則表

由以上表格可得以下49條模糊控制規則:

4 仿真研究

圖4 常規PID控制Simulink仿真模型

仿真時，輸入幅值為5的階躍信號，信號從t=0時開始輸入。當把圖4中的PID控制器換成圖5所示的模塊時，系統就變成了模糊PID控制系統。

圖5 模糊PID控制器仿真結構圖

為系統加入正弦信號重復上述仿真，采用傳統PID和模糊PID控制的響應曲線比較如圖6所示。

圖6 響應曲線比較

從兩圖中可以看出:針對兩種信號，模糊PID控制比常規PID控制具有更小的超調甚至無超調，響應速度快，穩態精度高，控制效果明顯優于常規PID控制。

5 結論

針對立方氮化硼在高溫高壓環境合成過程中復雜液壓系統超高壓控制的特點，設計了模糊PID智能控制器，并進行了仿真。結果表明:與常規PID控制系統相比，采用模糊PID控制的系統動態響應速度快、超調小、精度高、魯棒性強，系統動靜態性能都有了明顯的提高。

【1】姜偉，盤瑛，李立惟．壓力對立方氮化硼復合片耐磨性和導電性的影響［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］．高壓物理學報，2007，21(4）:409 －413．

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

【7】楊樂庭．人造金剛石壓機控制系統的研究與設計［D］．上海:東華大學，2010．

【8】徐振欽，馮勇，樂貴高．基于虛擬試驗的液壓泄漏因素評估與定量研究［J］．機床與液壓，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．電液比例控制系統分析與設計［M］．北京:機械工業出版社，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

浙江省自然科學基金重點資助項目 (Z106853）

王克武 (1963—），男，副教授，主要從事機械設計制造與自動化機械設計、先進裝備及技術等方面的研究。E－mail:wkw939@126.com。