王海明,嚴(yán)建文,,劉 瓊,,盧洪濤,蘇 昱

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232000;2.合肥合鍛智能制造股份有限公司,安徽 合肥 230601)

PCB是現(xiàn)代電子行業(yè)不可或缺的原材料,PCB使用的基材CCL覆銅板以及多層PCB的壓合需要使用到專用的層壓機(jī)。層壓機(jī)的層壓精度和層壓工藝對(duì)于線路板質(zhì)量起著決定性作用[1]。PCB基板壓制過(guò)程的壓力波動(dòng)不大于0.4%。線路板層壓機(jī)液壓伺服系統(tǒng)壓力控制的難點(diǎn)是消除負(fù)載變化對(duì)于系統(tǒng)的影響。液壓系統(tǒng)非線性強(qiáng),常規(guī)PID控制應(yīng)用廣泛,但難以適應(yīng)線路板層壓機(jī)大范圍調(diào)壓工況[2]。

本文對(duì)線路板層壓機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析,針對(duì)層壓機(jī)壓制環(huán)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力控制,在壓力閉環(huán)控制中引入分離積分和速度補(bǔ)償復(fù)合控制策略[3-4],利用仿真對(duì)控制方案進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了分級(jí)目標(biāo)壓力曲線下較好的跟蹤效果。

1 系統(tǒng)組成

線路板層壓機(jī)屬于多層上壓式壓機(jī),液壓回路由低壓大流量液壓泵和高壓小流量液壓泵聯(lián)合驅(qū)動(dòng),液壓工作原理如圖1所示。

1.低壓泵,2.高壓泵,3.單向閥,4.濾油器,5.二位四通電磁閥,6.插裝閥,7.溢流閥,8.液控單向閥,9.節(jié)流閥,10.柱塞缸,11.電磁球閥,12.三位四通電磁閥,13.伺服閥,14.冷卻器

層壓機(jī)工作過(guò)程分為快上、慢上、壓制、泄壓和回程5個(gè)步驟。層壓工序啟動(dòng)時(shí),進(jìn)入快上步驟,電磁球閥11和二位四通電磁閥5得電,三位四通電磁閥12左側(cè)得電,高壓泵與低壓泵液壓回路接通,兩泵同時(shí)供油,柱塞缸驅(qū)動(dòng)層壓機(jī)滑塊快速上行。滑塊位移到達(dá)慢速行程位時(shí)進(jìn)入慢上步驟。此時(shí)二位四通閥5失電,切除低壓大流量液壓泵液壓回路,高壓小流量液壓泵單獨(dú)工作,滑塊運(yùn)動(dòng)速度減慢。隨著滑塊上行,熱壓板接近閉合,液壓系統(tǒng)壓力上升,達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)進(jìn)入壓制環(huán)節(jié)。熱層壓機(jī)在壓制環(huán)節(jié)依據(jù)熱壓工藝采用多級(jí)分段加壓、保壓、降壓控制[5],泄壓時(shí)三位四通電磁閥12失電,切斷高壓泵供油,由伺服閥控制系統(tǒng)壓力穩(wěn)步下降。系統(tǒng)壓力降至設(shè)定值時(shí)進(jìn)入回程步驟?；爻汰h(huán)節(jié)三位四通電磁閥12右側(cè)得電接通,液控單向閥8打開(kāi),油液回流入油箱,滑塊受重力作用回程復(fù)位。

2 控制原理

2.1 控制策略

常規(guī)閥控液壓伺服系統(tǒng)多采用PID控制策略。依賴偏差進(jìn)行的閉環(huán)反饋控制存在一定的“滯后性”[6],液壓系統(tǒng)非線性強(qiáng),固定參數(shù)的PID控制在小范圍調(diào)壓工況下效果較好。層壓機(jī)壓制過(guò)程中調(diào)壓幅值變動(dòng)接近20 MPa,工況變動(dòng)范圍大。PID參數(shù)超出一定范圍后還會(huì)引起系統(tǒng)振蕩等問(wèn)題,影響系統(tǒng)穩(wěn)定性,難以通過(guò)調(diào)節(jié)比例-積分-微分系數(shù)取得良好的控制效果。

為抑制超調(diào)、減小偏差,在壓力閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上,加入分離積分和速度前饋補(bǔ)償控制。給定壓力信號(hào)的初始階段,系統(tǒng)偏差較大,固定的積分環(huán)節(jié)會(huì)過(guò)度積累引起超調(diào),對(duì)PID控制設(shè)置分離積分可有效減少超調(diào)[7],加入速度前饋模塊對(duì)分離積分閉環(huán)反饋的控制量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫綇?fù)合控制模型,系統(tǒng)框架如圖2所示。其中,速度前饋補(bǔ)償信號(hào)相對(duì)值αv由期望壓力曲線pd和滑塊運(yùn)行速度v計(jì)算而來(lái)。pL為柱塞缸負(fù)載壓力,ep為期望壓力與實(shí)際壓力的偏差,kv為補(bǔ)償信號(hào)相對(duì)值增益,ud為閉環(huán)反饋控制信號(hào),uv為前饋補(bǔ)償控制信號(hào),u為伺服閥控制信號(hào)。

圖2 速度補(bǔ)償與積分分離復(fù)合控制框架

2.2 控制器設(shè)計(jì)

設(shè)定向上為正方向。忽略油液泄露和油液壓縮,液壓缸流量計(jì)算如公式(1)。

QL=vA,

(1)

式中:QL為柱塞缸負(fù)載流量;A為柱塞缸活塞面積。

高壓油泵在設(shè)定轉(zhuǎn)速下的油液排量QP為定值?？紤]到液壓缸為柱塞缸,當(dāng)負(fù)載壓力工作在設(shè)定范圍,溢流閥不工作時(shí),液壓系統(tǒng)流量關(guān)系如式(2)。

QP=QV+QL,

(2)

式中:QV為伺服閥實(shí)際流量。

設(shè)α(-1≤α≤1)為伺服閥控制信號(hào)相對(duì)值,伺服閥實(shí)際單邊流量Q計(jì)算如公式(3)所示。

(3)

式中:Δpn為伺服閥單邊額定壓差;Qn為伺服閥額定壓差下的額定流量;Δp為伺服閥實(shí)際壓差。

閥控柱塞缸液壓回路中,伺服閥承擔(dān)了絕大部分壓降,忽略濾油器等器件壓降,伺服閥壓差Δp近似等于實(shí)際壓力pL。使用期望壓力信號(hào)pd代替實(shí)際壓力pL。伺服閥總流量QV為閥門A口與B口流量總和。伺服閥開(kāi)口速度補(bǔ)償信號(hào)相對(duì)值αv計(jì)算如式(4)所示。

(4)

分離積分通過(guò)對(duì)PID積分環(huán)節(jié)設(shè)置控制系數(shù)β實(shí)現(xiàn),當(dāng)偏差不高于設(shè)定閾值ε時(shí)啟用積分環(huán)節(jié),當(dāng)偏差超過(guò)設(shè)定閾值ε時(shí)關(guān)閉積分環(huán)節(jié)。系數(shù)β表達(dá)式如式(5)。

(5)

由式(4)、(5)可得到復(fù)合控制輸出信號(hào)u的表達(dá)式如式(6)。

(6)

式中:kp、ki分別為比例和積分系數(shù)。

3 仿真與分析

使用AMEsim軟件搭建的簡(jiǎn)化閥控柱塞缸液壓系統(tǒng)模型如圖3所示。利用AMEsim元件庫(kù)中的活塞模塊、質(zhì)量塊和容積腔搭建柱塞缸模型[8]。柱塞缸設(shè)置在層壓機(jī)底部,工作時(shí)柱塞缸推動(dòng)滑塊上行運(yùn)動(dòng)。活塞桿桿徑設(shè)為0,質(zhì)量塊角度設(shè)為-90°,模擬柱塞桿、滑塊等器件的重力作用。使用彈性負(fù)載和阻尼模塊搭建負(fù)載模型,模擬實(shí)際壓制中的負(fù)載變化。定量泵輸出油液進(jìn)入柱塞缸,通過(guò)電信號(hào)控制伺服閥閥芯位移來(lái)控制油液回流,進(jìn)而控制柱塞缸入口壓力。

圖3 閥控系統(tǒng)AMEsim仿真模型

基于AMEsim閥控液壓系統(tǒng)模型,利用Simulink中的S-Function模塊搭建聯(lián)合仿真接口[9]。分別搭建常規(guī)PID壓力控制模型和復(fù)合控制算法模型,復(fù)合控制Simulink模型如圖4所示。

圖4 復(fù)合控制Simulink模型

設(shè)定仿真步長(zhǎng)0.01 s,仿真總時(shí)長(zhǎng)400 s,給定分段壓力信號(hào)模擬線路板層壓機(jī)熱壓工藝期望壓力信號(hào)。復(fù)合控制和常規(guī)PID控制策略壓力曲線如圖5所示。兩種控制策略壓力曲線與目標(biāo)曲線的偏差如圖6所示。

圖5 壓力控制曲線

圖6 偏差曲線

由圖5可知,對(duì)于給定的目標(biāo)壓力曲線,PID控制在信號(hào)穩(wěn)定時(shí)具有較好的跟隨性,但在斜坡信號(hào)與保壓信號(hào)切換時(shí),會(huì)引起較大的波動(dòng),系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。由圖6可知,升壓信號(hào)切換為140 bar保壓信號(hào)時(shí),PID控制超調(diào)為1.147 bar,超出設(shè)計(jì)要求的0.4%的控制精度,偏差曲線波動(dòng)較大。復(fù)合控制在切換為140 bar保壓信號(hào)時(shí)壓力超調(diào)為0.087 bar,壓力進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間更短,偏差整體較為平穩(wěn),不同期望壓力下均具有較好的跟隨性能。

基于設(shè)計(jì)的仿真過(guò)程,在280 s時(shí)于負(fù)載端引入10 000 N的負(fù)載突變信號(hào),比較PID控制和復(fù)合控制效果,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 引入干擾信號(hào)后的局部壓力曲線

由圖7中曲線可知,引入負(fù)載突變信號(hào)后,復(fù)合控制下的系統(tǒng)壓力幅度變化相比于PID控制顯著減小,且能在0.7 s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定,抗干擾能力更強(qiáng),經(jīng)速度補(bǔ)償后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差減小,能夠滿足線路板層壓機(jī)工作要求,證明了復(fù)合控制模型的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)線路板層壓機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行研究,分析了高低壓雙泵液壓系統(tǒng)工作原理,建立了層壓機(jī)閥控液壓系統(tǒng)壓制環(huán)節(jié)仿真模型,基于PID控制構(gòu)建了分離積分和速度補(bǔ)償復(fù)合控制策略。仿真結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)PID控制,復(fù)合控制對(duì)于層壓機(jī)壓制環(huán)節(jié)不同工況下的升壓、保壓和降壓階段,均具有較好的跟蹤性能和控制精度,在斜坡信號(hào)與保壓信號(hào)切換時(shí)偏差波動(dòng)幅值減少80%以上。引入干擾信號(hào)后,復(fù)合控制策略相較于PID控制壓力波動(dòng)更小,調(diào)節(jié)時(shí)間更短,滿足線路板層壓機(jī)設(shè)計(jì)要求。