．引言
THP10-10000萬(wàn)噸數(shù)控等溫鈦合金鍛造液壓機(jī)，是我國(guó)“十五”期間發(fā)展新型航空航天高新技術(shù)工程中所需的重大設(shè)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(jī)械等溫鍛造超塑成型工藝及其它成型工藝[6]。該機(jī)采用新型組合大型框架帶缸滑塊主機(jī)結(jié)構(gòu)，滑塊采用5油缸驅(qū)動(dòng)。主油缸是一個(gè)可產(chǎn)生60M牛頓壓力的單缸，輔助油缸是4個(gè)可產(chǎn)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(jī)要求在等溫鍛造工作速度范圍為0.005mm/s～0.5mm/s內(nèi)實(shí)現(xiàn)恒速控制，即在0.005mm/s～0.5mm/s中的任何一個(gè)速度上，在被壓材料形變過(guò)程中該速度均應(yīng)保持不變（恒速度控制）。
2．系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1系統(tǒng)分析
該機(jī)在等溫鍛造時(shí)的動(dòng)力源為一臺(tái)電子比例變量泵。根據(jù)液壓原理可知，電液速度控制系統(tǒng)分閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)兩類。閥控系統(tǒng)用于精度和響應(yīng)速度高但功率小的場(chǎng)合，泵控系統(tǒng)用于要求效率高、功率大的場(chǎng)合，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析來(lái)看，擬采用閥控系統(tǒng)，即采用閥控液壓缸來(lái)達(dá)到對(duì)速度控制的目的。
由液壓原理知，當(dāng)閥控液壓缸以速度為輸出時(shí)，液壓缸不具有積分特性，因而液壓速度控制系統(tǒng)只具有比例特性而不具有積分特性，其開環(huán)傳遞函數(shù)近似為[1]
——電液速度控制系統(tǒng)開環(huán)增益；
Ki—— 伺服放大器增益；
Ksv—— 伺服閥增益；
Kfv—— 檢測(cè)環(huán)節(jié)增益；
AP—— 活塞面積；
可見，沒(méi)有加校正環(huán)節(jié)的液壓控制系統(tǒng)為0型系統(tǒng)，即使對(duì)階躍的指令輸入也存在穩(wěn)態(tài)誤差，為使0型系統(tǒng)變?yōu)?/span>Ι型系統(tǒng)，液壓速度控制系統(tǒng)不能只采用比例伺服放大器，而應(yīng)采用比例積分放大器，即電壓放大器應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器。但采用PI調(diào)節(jié)器后，隨之而來(lái)的是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)大為降低。從實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求來(lái)看，液壓機(jī)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(shuō)，在液壓機(jī)工作過(guò)程中，根據(jù)工作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，有可能出現(xiàn)較大的速度變化，因此要求系統(tǒng)要有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而同時(shí)在恒速運(yùn)行時(shí)又要求速度波動(dòng)很小，即要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要高。為了達(dá)到設(shè)計(jì)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(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[2]。
圖1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖
PID控制器是一種線形控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）構(gòu)成偏差：
將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過(guò)線形組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制。其控制規(guī)律為
式中： KP—— 比例系數(shù)；
TI——積分時(shí)間常數(shù)；
TD—— 微分時(shí)間常數(shù)；
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：
比例環(huán)節(jié) 及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI。TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)；微分環(huán)節(jié) 能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。
由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此模擬PID控制式中的積分和微分項(xiàng)不能在計(jì)算機(jī)中直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，以和式代替積分，以增量代替微分對(duì)模擬PID表達(dá)式處理后，可得位置式PID控制算法的離散表達(dá)式為[3][4]：
式中：T— 采樣周期；
k— 采樣序號(hào)，k =0，1，2···；
u（k）— 第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；
e（k）— 第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；
e（k-1）—第k-1次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；
增量PID控制算法的離散表達(dá)式為：
式中
2．3 積分分離PID控制算法
在普通的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差，提高精度。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)會(huì)有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分累積，致使算得的控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。引進(jìn)積分分離PID控制算法，既保證了積分作用，又減小了超調(diào)，使得控制性能有了較大的改善，其具體實(shí)現(xiàn)如下：
據(jù)實(shí)際情況，人為設(shè)定一閾值ε。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們以的值來(lái)確定ε值的大小。
當(dāng)時(shí)，也即偏差值比較大時(shí)，采用PD控制，可避免過(guò)大的超調(diào)，又使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)。
當(dāng)時(shí)，也即偏差比較小時(shí)，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。
將以上想法寫成計(jì)算公式，即在積分項(xiàng)上乘一個(gè)系數(shù)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(dá)式為[5]：
當(dāng)時(shí)，β＝0，液壓機(jī)控制系統(tǒng)采用PD控制，PD控制的表達(dá)式為：
式中
或
當(dāng)時(shí)，β＝1，液壓機(jī)控制系統(tǒng)采用PID控制，PID控制的算法采用增量式PID控制算法，其表達(dá)式為：
式中：
或
A、B、C值與前面表達(dá)式中的值相同。
有了以上表達(dá)式，便可編制出相關(guān)的控制程序，在液壓機(jī)的實(shí)際試驗(yàn)中，PID算法的實(shí)現(xiàn)是采用PLC編程來(lái)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3．1 空載實(shí)驗(yàn)
空載實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，縱軸為速度軸，單位：mm/s；橫軸為實(shí)時(shí)時(shí)間軸，顯示為當(dāng)前的實(shí)際時(shí)間。從計(jì)算機(jī)打印的實(shí)時(shí)速度曲線來(lái)看，滑塊從靜止開始，速度從0mm/s跳變?yōu)?/span>0.5mm/s恒速度運(yùn)行，在此過(guò)程中系統(tǒng)響應(yīng)較快，且沒(méi)有出現(xiàn)很明顯的超調(diào)；運(yùn)行一段時(shí)間后滑塊速度從0.5mm/s跳變?yōu)?/span>0.1mm/s恒速運(yùn)行，在此過(guò)程中出現(xiàn)相對(duì)較大的偏差，但滑塊速度能很快又回到設(shè)定值，說(shuō)明在此過(guò)程中系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好；在滑塊速度從0.1mm/s 變?yōu)?/span>0.05mm/s恒速運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間有點(diǎn)長(zhǎng)。與前面動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比分析，主要是由于在低速時(shí)某些參數(shù)設(shè)置不是非常恰當(dāng)所致，但從整個(gè)曲線來(lái)看，空載時(shí)已基本能滿足恒速度控制的要求。
3．2 負(fù)載實(shí)驗(yàn)
負(fù)載實(shí)驗(yàn)，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(yùn)行速度為0.1mm/s恒速運(yùn)行。從計(jì)算機(jī)打印的實(shí)時(shí)速度曲線來(lái)看（圖4），剛開始速度有點(diǎn)偏大，但很快回到設(shè)定值，說(shuō)明控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)在負(fù)載時(shí)也基本滿足設(shè)計(jì)要求。在長(zhǎng)達(dá)20多分鐘的壓制過(guò)程中，速度基本不變（圖中所示時(shí)間約為6 分鐘左右），也就是說(shuō)，液壓機(jī)在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，對(duì)于單一給定的某一速度值，控制系統(tǒng)對(duì)速度的控制，也基本滿足恒速控制的設(shè)計(jì)要求，從材料最后的成型結(jié)果來(lái)看，精度控制在實(shí)際要求范圍之內(nèi)。
圖4 負(fù)載實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)速度曲線
1．結(jié)束語(yǔ)
文中所述方案僅為萬(wàn)噸液壓機(jī)在等溫鍛造恒速度、恒應(yīng)變速率、變應(yīng)變速率控制系統(tǒng)中的一個(gè)試驗(yàn)方案，在實(shí)際應(yīng)用中，由于需要考慮系統(tǒng)壓力損耗、負(fù)載抗力影響，不同條件下的泵流量控制，滑塊下行過(guò)程中五缸同步等因素，所以等溫鍛造萬(wàn)噸液壓機(jī)實(shí)際控制系統(tǒng)的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)際生產(chǎn)中，該液壓機(jī)的控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好，滿足了復(fù)雜生產(chǎn)工藝的需要。