特種陶瓷液壓機液壓頂出系統控制方法研究

李建輝，柴 博，劉 嬌

(遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

隨著科技的日益發展，社會進步的步伐加快，一般的原材料已經難以滿足社會新技術，這就使得改進現有的材料并且開發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異的性能，它屬于一種無機非金屬材料，用天然或者合成的化合物經過高溫高壓下燒結并且成型而制成.它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等一系列優點. 特種陶瓷的優點決定了它在材料領域的發展成為人們著重關注的焦點.特種陶瓷液壓機頂模裝置的主要作用是將壓制好的坯體頂出模腔，同時頂出缸下降實現粉料的填充.該裝置可以調整磚坯的厚度，從而影響陶瓷的質量.特種陶瓷原料通常是較細的粉末，壓制成型后脫模時容易碎裂和分層，因此要求頂出機構工作可靠性高、精度高[3-4].

1 工作原理

圖1是頂出機構的簡化液壓原理圖[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 頂出機構原理圖Fig.1 The principle diagram of the ejection device

減壓插裝閥組由一個二通插裝閥和減壓閥組成，主要作用是減少系統的壓力并且起到回路保護的作用；蓄能器給系統提供能量，保證頂出系統的供油壓力.

2 頂出系統穩定性分析

頂出系統采用非對稱閥控制非對稱液壓缸的結構，建立數學模型并且將各個數據帶入得到頂出機構的傳遞函數為[7-8]

(1)

式中：P為壓力(MPa)；U為電壓(V).

利用Simulink環境下的線性時不變分析工具LTI對此陶瓷液壓機頂出系統進行時域與頻域響應分析，結果如圖2所示.

圖2 開環系統伯德圖Fig. 2 Bode diagram open loop system

由圖2可知，頂出系統的幅值穿越頻率為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°.通過判斷可知該系統穩定，只有穩定的系統才可以進行后續的研究.

3 模糊PID控制器設計

PID控制是工業控制中使用頻率最高的方法，它是一種線性控制器，輸入和輸出產生的偏差會按照比例、積分、微分的作用進行線性調整，得出控制量，然后對被控量進行調整的一種方法.模糊PID對于一些復雜的非線性系統控制具有較好的效果.模糊控制結構圖如圖3所示[9-10].

對于閥控液壓缸來說，不管是頂出狀態還是動梁的下降狀態，都有3個變量. 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的基本論域為[-12,+12], 模糊論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，設定語言值為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}.并且簡記為：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} ，分別表示實際的位移值相對于設定值為{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論域為[-0.2,+0.2], 模糊論域設定為{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，語言值設定為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}.并且簡記為：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB} ，分別表示實際的位移值相對于設定值為{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.單個的輸出量為電壓U[63，64]，基本論域為[-10，+10]，模糊論域為{-3，-2，-1,0，+1，+2，+3}.設定語言值為{正大，正中，正小，零，負小，負中，負大}.并且簡記為：{PB,PM,PS,ZO,NS,NM,NB} ，表示執行的動作表述為{閥門右位開度極大，閥門右位開度很大，閥門右位開度大，閥門關閉，閥門左位開度大，閥門左位開度很大，閥門左位開度極大}.KU=10/2.69=3.71， 輸入與輸出都選用三角形隸屬函數，采用Mamdani的模糊推理方式和重心法這種反模糊化方法進行解模糊計算.模糊控制表見表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 頂出系統的AMESim-Simulink聯合仿真研究

根據規則以及液壓系統原理建立的液壓仿真模型圖如圖4所示[11].

利用圖4頂出系統的AMESIM仿真模型，模擬真實環境下特種陶瓷液壓機的頂出與下降的流程并進行仿真.設置頂出位移為50 mm，第1次下降30 mm，第2次下降15 mm，第3次下降5 mm，根據位置階躍仿真圖像顯示的結果，采用模糊PID控制方法和PID控制方法進行比較. 仿真時間設置為1.4 s，仿真實驗分為兩組，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的偏差曲線.圖5是模擬真實系統空載時的仿真圖.控制指標見表2.

圖4 仿真圖Fig.4 Simulation diagram

表2 控制指標表
Tab. 2 Control index table

控制方法頂出指標第1次下降指標第2次下降指標第3次下降指標超調量M/%上升時間tr/s穩態誤差Δ/mm超調量M/%上升時間tr/s穩態誤差Δ/mm超調量M/%上升時間tr/s穩態誤差Δ/mm超調量M/%上升時間tr/s穩態誤差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控制在空載時各項指標都較差；模糊PID控制雖然在頂出階段有少許的穩態誤差，但在3次下降的時候都沒有，顯示了這種控制方法的優越性.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的偏差曲線都會跟隨時間逐漸向零附近靠近，從表3可以看出，在頂出階段與3個下降階段模糊PID的偏差與PID的偏差相比小很多. 說明模糊PID的調節比PID的調節更好，適應能力強，魯棒性較好，穩定性較高.

5 特種陶瓷液壓機模糊PID控制系統的實驗驗證

為了驗證特種陶瓷液壓機頂出控制系統的數學模型和仿真分析是否正確，在ZGLRY-160-22樣機上進行試驗，設備如圖7所示.

圖7 實驗設備Fig. 7 Experimental equipment

頂出機構位移實驗采用模糊PID進行調控，輸入設計的模糊PID控制器的參數，與仿真分析一樣，設定頂出的位移為50mm，第1次下降為30mm，第2次下降為15mm，第3次下降為5mm，啟動試驗壓機泵站，得到真機頂出曲線如圖8所示，真機的試驗數值和計算機模擬仿真數值的對比分析見表4.對比表中允許真實實驗有誤差，穩態誤差在千分位即可，時間在毫秒級即可.

表4 實驗與仿真對比表
Tab. 4 Comparison table of experiment and simulation

數據來源與誤差頂出指標第1次下降指標第2次下降指標第3次下降指標超調量M/%上升時間tr/s穩態誤差Δ/mm超調量M/%上升時間tr/s穩態誤差Δ/mm超調量M/%上升時間tr/s穩態誤差Δ/mm超調量M/%上升時間tr/s穩態誤差Δ/mm實驗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

由實驗與仿真對比分析可知：真機上升時間稍長，而且有一定的穩態誤差，但是誤差都在允許范圍內. 真機實驗的精度沒有仿真的精度高，也沒有仿真的時間快，主要是由于實際現場實驗的許多非線性因素引起的，例如閥、管道、油泵等.但是我們所設計的模糊PID控制器在真機試驗中已經能滿足需求，證明了模糊PID控制器可行.

6 結束語

本文所設計的模糊PID控制器可以克服現場的非線性因素諸如油液摩擦力的變化、負載參數變化等影響，效果較好，結構簡單易行.模糊PID控制器能達到系統高精度、無超調的要求，對生產高質量

高性能的陶瓷已很有現實意義.此控制方法可以用在其他環境惡劣并且對精度要求高的場合，也為其他有需要的工程機械設備提供了一種新的控制思路和方法.