高娟娟，劉麗貞，王立新，劉福才

(1.燕山大學(xué)工業(yè)計算機控制工程河北省重點實驗室，河北秦皇島066004;2.滄州師范學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院，河北滄州 061001)

0 前言

隨著科技的發(fā)展，人們不斷地對工業(yè)制造技術(shù)提出更高的要求，節(jié)能環(huán)保、減輕重量、降低成本是現(xiàn)代先進制造技術(shù)發(fā)展趨勢之一。內(nèi)高壓正是在這樣的背景下開發(fā)出來的一種利用液體壓力使工件成形的塑性加工新工藝［1］。它以管件為坯料，使用專用設(shè)備向管件腔內(nèi)注入超高壓液體，同時軸向進給補料，把管坯壓入模具型腔使其成形為所需工件［2－3］。內(nèi)高壓成形能有效地降低零件重量、減少模具數(shù)量、提高生產(chǎn)效率，因此受到工程技術(shù)人員和科研工作者的廣泛重視［4－6］。

內(nèi)高壓成形控制系統(tǒng)是內(nèi)高壓成形技術(shù)的核心，控制系統(tǒng)是否可靠，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的成敗。如果加工的工件是對稱的，則需要軸向兩側(cè)缸位置同步。內(nèi)高壓成形過程中的兩側(cè)缸位置同步控制的效果，直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，因此，對于這個問題的研究，具有重要的意義。目前，國內(nèi)對內(nèi)高壓成形兩側(cè)缸位置同步控制方面的研究比較少，其中上海交通大學(xué)基于LabVIEW界面仿真工具包進行了內(nèi)高壓成形兩側(cè)缸位置同步控制的實時仿真研究及現(xiàn)場實驗［7－8］;哈爾濱工業(yè)大學(xué)對內(nèi)高壓成形液壓設(shè)備控制系統(tǒng)進行了試驗研究［9］，以及基于氣液增壓模擬試驗平臺進行了單側(cè)缸位置控制的試驗研究［10］。

文中基于多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，專門開發(fā)了兩側(cè)缸位置同步控制試驗平臺進行試驗研究。就內(nèi)高壓成形控制系統(tǒng)的主控制器而言，國內(nèi)主要采用工控機或者普通PLC如三菱PLC，對于工控機而言，由于沒有集成的算法模塊，編程工作特別繁瑣;而普通PLC可靠性相對差些，編程方式單一，指令復(fù)雜，且兼容性差。文中研究的試驗平臺采用德國西門子S7-300 PLC作為主控制器，該PLC具有強大的功能支持，速度快、穩(wěn)定性高、運算能力強，采用模塊化編程，具有傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)無法比擬的強大功能。此外，將S7-300 PLC與WinCC組態(tài)軟件相結(jié)合，能實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的在線監(jiān)控。由于S7-300 PLC編程軟件中集成了PID模塊，因此在進行PID試驗之前，首先對兩側(cè)缸位置控制系統(tǒng)進行PID仿真研究，包括建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，選擇同步控制策略，搭建仿真模型進行仿真，仿真結(jié)果表明了采用PID控制器及同步控制策略的可行性，進而進行了單側(cè)缸位置閉環(huán)PID控制及兩側(cè)缸位置同步PID控制試驗，為基于S7-300 PLC的內(nèi)高壓成形控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供了試驗依據(jù)。

1 多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗平臺組成及建模

1.1 多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗平臺組成

多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗平臺主要由液壓泵站、水平缸 (兩側(cè)缸)、檢測與反饋元件、計算機控制系統(tǒng)這幾部分組成，如圖1所示。

圖1 多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗平臺

在文中研究的多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的試驗平臺中，液壓控制元件采用比例方向換向閥，它造價較低、抗污染能力高、性能良好，廣泛應(yīng)用于需要較高同步精度的主機上［11］。液壓執(zhí)行元件是左右兩側(cè)液壓缸，分別都裝有位移傳感器和力傳感器，通過計算機控制系統(tǒng)進行精確位移控制，圖2所示為多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)試驗平臺的液壓原理圖。

圖2 多變量協(xié)調(diào)控制試驗平臺液壓原理圖

1.2 多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

圖2所示的多變量協(xié)調(diào)控制液壓系統(tǒng)由兩路相同的閥控缸液壓回路組成，故在對系統(tǒng)建模分析時以其中一個回路作為研究對象［12－14］。

比例方向換向閥開環(huán)數(shù)學(xué)模型為:

KVSe為等效彈簧剛度:KVSe=Kfe+KVS。

對閥芯位移實現(xiàn)閉環(huán)控制，反饋增益為KX，其傳遞函數(shù)方框圖如圖3所示。

圖3 比例換向閥控制傳遞函數(shù)框圖

當(dāng)U為輸入時上述回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

其閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

由上述所得單側(cè)缸比例位置控制系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

圖4 單側(cè)缸位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

2 兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)仿真研究

2.1 控制器及控制策略的選擇

在硬件一定的情況下，影響內(nèi)高壓成形過程中的兩側(cè)缸同步控制精度的因素主要是控制算法和控制策略的選擇。

就控制算法而言，內(nèi)高壓成形機是工程性很強的設(shè)備，其系統(tǒng)應(yīng)該在滿足性能指標(biāo)的前提下，控制方式應(yīng)當(dāng)盡量簡單可靠，控制策略易于實現(xiàn)，因此在文中對基于S7-300 PLC的內(nèi)高壓成形兩側(cè)缸位置同步控制試驗平臺的研究中，采用工業(yè)控制中結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成熟可靠、應(yīng)用最為廣泛的PID控制［10］。

就同步控制策略而言，“同等方式”和“主從方式”是兩種通常采用的控制方式，如果要獲得高精度的同步輸出，這兩種方法都有一定的局限性?！巴确绞健焙茈y達到較高的靜、動態(tài)控制特性，“主從方式”在響應(yīng)的過渡過程中，存在較大的動態(tài)同步誤差。文中采用“同等+主從”控制方式，以保證位置同步控制系統(tǒng)獲得較好的動、靜態(tài)品質(zhì)［15］。

文中的兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中，“同等”即給定信號相同，相同的位移給定信號分別與左右位移傳感器反饋位移值的差值作為左右側(cè)缸PID控制器的輸入; “主從”即以一側(cè)為主，輸出信號去影響另一側(cè)的輸出，文中仿真以右側(cè)缸位置控制為主，右側(cè)輸出位置信號Y1與左側(cè)輸出位置信號Y2作比較，差值經(jīng)PID控制器進行運算，其輸出信號與左側(cè)缸位置控制系統(tǒng)的PID控制器的輸出信號相加去控制左側(cè)比例換向閥。

2.2 控制系統(tǒng)仿真模型

文中采用PID控制器以及“同等+主從”的同步控制策略，基于得到的內(nèi)高壓成形單側(cè)缸位置控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，查閱相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的手冊并進行計算，在Matlab中的Simulink中搭建出兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示。

圖6 兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)仿真圖

2.3 仿真結(jié)果及分析

基于PID的內(nèi)高壓成形兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果分別如圖7、8所示。

圖7 階躍給定PID控制仿真曲線

圖8 斜坡給定PID控制仿真曲線

圖7的給定位移值為階躍信號，并在15 s及25 s時分別給右缸和左缸加入階躍擾動信號;圖8的給定位移值為斜坡信號，并在25 s及35 s時分別給右缸和左缸加入階躍擾動信號。

由PID仿真圖7可以看出，給定位移信號為階躍信號時，開始兩側(cè)缸位移同步，并在8 s左右穩(wěn)定達給定位移值;在15 s時，右側(cè)缸加入階躍擾動信號，左右位移值都有小幅變化，并在20 s左右回到給定值;在25 s時，左側(cè)缸加入相同的階躍擾動信號，其位移值有較小變化，并在28s左右回到給定值，期間右側(cè)缸位移值不變。

由仿真圖8可以看出，給定位移信號為斜坡信號時，開始兩側(cè)缸位置達到同步，但是跟給定值有少許偏差，之后都跟蹤上給定;在達到終值時，兩側(cè)缸都有少許超調(diào)，并能很快達到給定終值;同樣在加入階躍擾動之后，都能很快的回到給定終值。

通過分析仿真曲線可以看出，采用“同等+主從”的控制策略及PID控制器，系統(tǒng)能很好很快地跟蹤給定，且超調(diào)量較少，并能有效地抑制干擾，降低干擾信號對兩側(cè)缸位置同步控制的影響，同步控制精度高，為進行基于S7-300 PLC的兩側(cè)缸位置同步PID控制的試驗研究提供了理論依據(jù)。

3 兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)試驗研究

根據(jù)研制的多變量協(xié)調(diào)控制模擬試驗平臺，進行單缸位置PID控制及兩側(cè)缸位置同步PID控制試驗，S7-300 PLC與WinCC結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。試驗平臺以S7-300 PLC作為下位機，在編程軟件STEP7中進行模塊化編程，包括主程序，電機啟?？刂谱映绦?、系統(tǒng)保護子程序、模擬量檢測子程序、手動子程序及自動子程序等，并在組織塊OB35中調(diào)用PID模塊對左右缸位置進行閉環(huán)控制;以WinCC組態(tài)軟件作為上位機進行監(jiān)控界面的設(shè)計，包括啟動畫面、手動畫面、狀態(tài)畫面、報警畫面、曲線畫面、參數(shù)設(shè)置畫面等，WinCC部分監(jiān)控界面如圖10所示。

圖9 S7-300 PLC與WinCC結(jié)構(gòu)圖

圖10 WinCC監(jiān)控界面

在內(nèi)高壓成形過程中，兩側(cè)缸在推進時受到的外界負(fù)載力是變化的，所以為得到更準(zhǔn)確的試驗結(jié)果，在進行兩側(cè)缸位置控制系統(tǒng)的模擬試驗時，在兩側(cè)缸之間加入彈簧模擬變化的負(fù)載力［10］。

3.1 單缸位置控制試驗結(jié)果分析

對于兩側(cè)缸位置控制系統(tǒng)的模擬試驗平臺，兩液壓缸最大行程為200 mm，最大壓力輸出為14 MPa，調(diào)節(jié)右側(cè)電磁比例溢流閥，使右液壓缸輸出壓力控制在10 MPa以內(nèi)，控制左液壓缸回程到原位，將彈簧左側(cè)座與左液壓缸上固定的力傳感器貼合，然后控制右液壓缸向前移動，使其上固定的力傳感器與彈簧右側(cè)座貼合，此時右位移傳感器讀數(shù)為115 mm，彈簧壓縮量為0。測得彈簧壓縮量為50 mm時，力傳感器輸出8.4 kN，考慮到力傳感器最大量程為10 kN，所以在試驗過程中，將彈簧壓縮量控制在50 mm以內(nèi)。

為模擬內(nèi)高壓成形加載過程中，側(cè)缸推進位移跟蹤不同斜率的斜坡響應(yīng)信號，利用液壓缸對不同斜率的斜坡信號的響應(yīng)來測試系統(tǒng)的性能。另外，為了得到在不同范圍負(fù)載力下的斜坡響應(yīng)，分別選擇彈簧壓縮量為0、10 mm時作為位移的零位，通過在線調(diào)整PID模塊的3個參數(shù)GAIN、TI和TD，最終得到右液壓缸對不同斜坡信號的響應(yīng)曲線，分別如圖11、12所示，其中實線為給定位移曲線，虛線為右側(cè)缸響應(yīng)曲線。

從單缸試驗結(jié)果可以看出，對于不同的斜率以及不同的負(fù)載力的條件下，采用位置閉環(huán)PID控制，單缸都能很好的跟蹤位置給定，定位精度保證在±0.05mm，滿足控制要求。

圖11 單缸彈簧壓縮量為0 mm作為初始位移

圖12 單缸彈簧壓縮量為10 mm作為初始位移

3.2 兩側(cè)缸位置同步控制試驗結(jié)果分析

為進行兩側(cè)缸位置同步控制系統(tǒng)的模擬試驗，將彈簧置于兩側(cè)液壓缸中間，并控制兩側(cè)液壓缸向前移動使其上的力傳感器分別與彈簧左右側(cè)座貼合。此時測得左右位移傳感器讀數(shù)都為60 mm，彈簧壓縮量為0，以此作為位移的零位進行試驗。

由于彈簧壓縮量控制在50 mm以內(nèi)，所以將兩側(cè)缸的位移量都設(shè)為25 mm，分別采用“同等方式”及“同等+主從”這兩種控制策略進行兩側(cè)缸位置同步控制試驗，分別得到如圖13及圖14所示的響應(yīng)曲線，其中實線為給定位移曲線，虛線為右側(cè)缸位移響應(yīng)曲線，點線為左側(cè)缸位移響應(yīng)曲線。

從兩側(cè)缸位置同步PID控制的試驗結(jié)果可以看出，采用“同等方式”和“同等+主從”這兩種控制策略，在不同斜率的條件下，兩側(cè)缸都能較好地跟蹤位置給定，且同步誤差較小;另外，由于外界因素如左側(cè)采用的是手動電磁溢流閥，右側(cè)采用的是比例溢流閥造成兩側(cè)壓力輸出控制的不同，以及彈簧負(fù)載的性能等因素的干擾，在達到最終位置時有時還有一些擾動，兩種方式都能很快的消除擾動，抗干擾能力強。但是相比較而言，采用“同等+主從”的控制策略，同步控制精度更高，控制效果更好，抑制干擾能力更強。

圖13 “同等方式”兩側(cè)缸位置同步控制試驗曲線

圖14 “同等+主從”兩側(cè)缸位置同步控制試驗曲線

4 結(jié)束語

應(yīng)用自主研制的多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的試驗平臺，建立了內(nèi)高壓成形側(cè)缸位置控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用PID控制器及“同等+主從”的控制策略進行Simulink仿真，仿真結(jié)果表明，采用PID控制具有試驗的可行性;基于S7-300 PLC進行單缸位置PID控制試驗及兩側(cè)缸位置同步PID控制試驗，試驗結(jié)果表明，采用S7-300 PLC作為主控制器，選擇“同等+主從”的控制策略，進行PID位置閉環(huán)控制，系統(tǒng)能很好地跟蹤位置給定，同步控制精度高、誤差小，并能很快地消除外界干擾，能夠滿足控制要求，為基于S7-300 PLC的內(nèi)高壓成形控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供了試驗依據(jù)。

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