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1．引言
THP10-10000萬噸數控等溫鈦合金鍛造液壓機，是我國“十五”期間發展新型航空航天高新技術工程中所需的重大設備，適用于航空材料等溫超塑性成型新工藝，也適用于有色金屬、武器裝備、船舶、化工機械等溫鍛造超塑成型工藝及其它成型工藝[6]。該機采用新型組合大型框架帶缸滑塊主機結構，滑塊采用5油缸驅動。主油缸是一個可產生60M牛頓壓力的單缸，輔助油缸是4個可產生10M牛頓壓力的單缸，一般工作油壓25Mpa（8000噸壓力），最高工作油壓31.5Mpa（10000噸壓力）。該機要求在等溫鍛造工作速度范圍為0.005mm/s～0.5mm/s內實現恒速控制，即在0.005mm/s～0.5mm/s中的任何一個速度上，在被壓材料形變過程中該速度均應保持不變（恒速度控制）。
2．系統設計
2．1系統分析
該機在等溫鍛造時的動力源為一臺電子比例變量泵。根據液壓原理可知，電液速度控制系統分閥控系統和泵控系統兩類。閥控系統用于精度和響應速度高但功率小的場合，泵控系統用于要求效率高、功率大的場合，從現場實際情況分析來看，擬采用閥控系統，即采用閥控液壓缸來達到對速度控制的目的。
由液壓原理知，當閥控液壓缸以速度為輸出時，液壓缸不具有積分特性，因而液壓速度控制系統只具有比例特性而不具有積分特性，其開環傳遞函數近似為[1]
  ——電液速度控制系統開環增益；Ki—— 伺服放大器增益；
Ksv—— 伺服閥增益；
Kfv—— 檢測環節增益；
AP—— 活塞面積；
可見，沒有加校正環節的液壓控制系統為0型系統，即使對階躍的指令輸入也存在穩態誤差，為使0型系統變為Ι型系統，液壓速度控制系統不能只采用比例伺服放大器，而應采用比例積分放大器，即電壓放大器應采用PI調節器。但采用PI調節器后，隨之而來的是系統的動態響應大為降低。從實際系統的設計要求來看，液壓機速度變化范圍從0.005mm/s到0.5mm/s，最大速度與最小速度之間相差100倍，也就是說，在液壓機工作過程中，根據工作現場的實際需要，有可能出現較大的速度變化，因此要求系統要有較高的動態響應，而同時在恒速運行時又要求速度波動很小，即要求系統的穩態指標要高。為了達到設計要求，擬采用積分分離PID控制算法。
2．2 PID控制原理
在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。常規PID控制系統原理框圖如圖1所示[2]。
 圖1 模擬PID控制系統原理框圖 PID控制器是一種線形控制器，它根據給定值r（t）與實際輸出值c（t）構成偏差： 將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線形組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制。其控制規律為
 式中： KP—— 比例系數；
TI—— 積分時間常數；
TD—— 微分時間常數；
簡單來說，PID控制器各校正環節的作用如下：
比例環節 及時成比例地反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差；積分環節 主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數TI。TI越大，積分作用越弱，反之則越強；微分環節 能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。 由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，因此模擬PID控制式中的積分和微分項不能在計算機中直接使用，需要進行離散化處理。以一系列的采樣時刻點kT代表連續時間t，以和式代替積分，以增量代替微分對模擬PID表達式處理后，可得位置式PID控制算法的離散表達式為[3][4]： 式中：T— 采樣周期；
k— 采樣序號，k =0，1，2···；
u（k）— 第k次采樣時刻的計算機輸出值；
e（k）— 第k次采樣時刻輸入的偏差值；
e（k-1）—第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；
增量PID控制算法的離散表達式為：
 式中
   2．3 積分分離PID控制算法
在普通的PID數字控制器中引入積分環節的目的，主要是為了消除靜差，提高精度。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定值時，短時間內會有很大的偏差，會造成PID運算的積分累積，致使算得的控制量超過執行機構可能最大動作范圍對應的極限控制量，最終引起系統較大的超調，甚至引起系統的振蕩。引進積分分離PID控制算法，既保證了積分作用，又減小了超調，使得控制性能有了較大的改善，其具體實現如下：
據實際情況，人為設定一閾值ε。在實際系統設計中，我們以
 的值來確定ε值的大小。當
 時，也即偏差值比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調，又使系統有較快的響應。當
 時，也即偏差比較小時，采用PID控制，以保證系統的控制精度。將以上想法寫成計算公式，即在積分項上乘一個系數β，β按下式取值：
 如位置PID控制，寫成積分分離PID控制的表達式為[5]：
 當
 時，β＝0，液壓機控制系統采用PD控制，PD控制的表達式為： 式中
   或 當
 時，β＝1，液壓機控制系統采用PID控制，PID控制的算法采用增量式PID控制算法，其表達式為： 式中 ：
 或
 A、B、C值與前面表達式中的值相同。
有了以上表達式，便可編制出相關的控制程序，在液壓機的實際試驗中，PID算法的實現是采用PLC編程來完成的，編程框圖如圖2所示。
 圖2 積分分離PID控制算法程序框圖
1．實驗驗證
3．1 空載實驗
空載實驗結果如圖3所示，縱軸為速度軸，單位：mm/s；橫軸為實時時間軸，顯示為當前的實際時間。從計算機打印的實時速度曲線來看，滑塊從靜止開始，速度從0mm/s跳變為0.5mm/s恒速度運行，在此過程中系統響應較快，且沒有出現很明顯的超調；運行一段時間后滑塊速度從0.5mm/s跳變為0.1mm/s恒速運行，在此過程中出現相對較大的偏差，但滑塊速度能很快又回到設定值，說明在此過程中系統的動態響應較好；在滑塊速度從0.1mm/s 變為0.05mm/s恒速運行過程中，系統的響應時間有點長。與前面動態響應對比分析，主要是由于在低速時某些參數設置不是非常恰當所致，但從整個曲線來看，空載時已基本能滿足恒速度控制的要求。  3．2 負載實驗
負載實驗，形變材料采用變形高溫合金GH4169，尺寸為φ330×255，等溫鍛造溫度為800℃，滑塊運行速度為0.1mm/s恒速運行。從計算機打印的實時速度曲線來看（圖4），剛開始速度有點偏大，但很快回到設定值，說明控制系統的動態響應在負載時也基本滿足設計要求。在長達20多分鐘的壓制過程中，速度基本不變（圖中所示時間約為6 分鐘左右），也就是說，液壓機在負載運行時，對于單一給定的某一速度值，控制系統對速度的控制，也基本滿足恒速控制的設計要求，從材料最后的成型結果來看，精度控制在實際要求范圍之內。
 圖4 負載實驗實時速度曲線
1．結束語
文中所述方案僅為萬噸液壓機在等溫鍛造恒速度、恒應變速率、變應變速率控制系統中的一個試驗方案，在實際應用中，由于需要考慮系統壓力損耗、負載抗力影響，不同條件下的泵流量控制，滑塊下行過程中五缸同步等因素，所以等溫鍛造萬噸液壓機實際控制系統的復雜性遠遠高于文中所述，且總體性能比文中提及的要好出許多倍。在兩年多的實際生產中，該液壓機的控制系統運行穩定，性能良好，滿足了復雜生產工藝的需要。
參考文獻：
[1] 盧長耿主編 液壓控制系統的分析與設計[M]. 北京： 煤炭工業出版社.1991
[2] 陶永華主編 新型PID控制及其應用[M]. 北京：機械工業出版社. 2002
[3] 俞忠原等編著 工業過程控制計算機系統[M]. 北京：北京理工大學出版社 .1995
[4] 郭敬樞主編 微機控制技術[M]. 重慶： 重慶大學出版社. 1994
[5] 黃國建等編著 微型計算機應用技術[M] 上海：上海交通大學出版社 .1995
[6] http://www.ctiin.com.cn（中國創新技術信息網）
作者簡介： 田永康（1954-），男（漢），山西省，高級工程師，專業機床與液壓 |