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1．引言
THP10-10000万吨数控等温钛合金锻造液压机，是我国“十五”期间发展新型航空航天高新技术工程中所需的重大设备，适用于航空材料等温超塑性成型新工艺，也适用于有色金属、武器装备、船舶、化工机械等温锻造超塑成型工艺及其它成型工艺[6]。该机采用新型组合大型框架带缸滑块主机结构，滑块采用5油缸驱动。主油缸是一个可产生60M牛顿压力的单缸，辅助油缸是4个可产生10M牛顿压力的单缸，一般工作油压25Mpa（8000吨压力），最高工作油压31.5Mpa（10000吨压力）。该机要求在等温锻造工作速度范围为0.005mm/s～0.5mm/s内实现恒速控制，即在0.005mm/s～0.5mm/s中的任何一个速度上，在被压材料形变过程中该速度均应保持不变（恒速度控制）。
2．系统设计
2．1系统分析
该机在等温锻造时的动力源为一台电子比例变量泵。根据液压原理可知，电液速度控制系统分阀控系统和泵控系统两类。阀控系统用于精度和响应速度高但功率小的场合，泵控系统用于要求效率高、功率大的场合，从现场实际情况分析来看，拟采用阀控系统，即采用阀控液压缸来达到对速度控制的目的。
由液压原理知，当阀控液压缸以速度为输出时，液压缸不具有积分特性，因而液压速度控制系统只具有比例特性而不具有积分特性，其开环传递函数近似为[1]
  ——电液速度控制系统开环增益；Ki—— 伺服放大器增益；
Ksv—— 伺服阀增益；
Kfv—— 检测环节增益；
AP—— 活塞面积；
可见，没有加校正环节的液压控制系统为0型系统，即使对阶跃的指令输入也存在稳态误差，为使0型系统变为Ι型系统，液压速度控制系统不能只采用比例伺服放大器，而应采用比例积分放大器，即电压放大器应采用PI调节器。但采用PI调节器后，随之而来的是系统的动态响应大为降低。从实际系统的设计要求来看，液压机速度变化范围从0.005mm/s到0.5mm/s，最大速度与最小速度之间相差100倍，也就是说，在液压机工作过程中，根据工作现场的实际需要，有可能出现较大的速度变化，因此要求系统要有较高的动态响应，而同时在恒速运行时又要求速度波动很小，即要求系统的稳态指标要高。为了达到设计要求，拟采用积分分离PID控制算法。
2．2 PID控制原理
在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图1所示[2]。
 图1 模拟PID控制系统原理框图 PID控制器是一种线形控制器，它根据给定值r（t）与实际输出值c（t）构成偏差： 将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线形组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制。其控制规律为
 式中： KP—— 比例系数；
TI—— 积分时间常数；
TD—— 微分时间常数；
简单来说，PID控制器各校正环节的作用如下：
比例环节 及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；积分环节 主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI。TI越大，积分作用越弱，反之则越强；微分环节 能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此模拟PID控制式中的积分和微分项不能在计算机中直接使用，需要进行离散化处理。以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分对模拟PID表达式处理后，可得位置式PID控制算法的离散表达式为[3][4]： 式中：T— 采样周期；
k— 采样序号，k =0，1，2···；
u（k）— 第k次采样时刻的计算机输出值；
e（k）— 第k次采样时刻输入的偏差值；
e（k-1）—第k-1次采样时刻输入的偏差值；
增量PID控制算法的离散表达式为：
 式中
   2．3 积分分离PID控制算法
在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差，提高精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内会有很大的偏差，会造成PID运算的积分累积，致使算得的控制量超过执行机构可能最大动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡。引进积分分离PID控制算法，既保证了积分作用，又减小了超调，使得控制性能有了较大的改善，其具体实现如下：
据实际情况，人为设定一阈值ε。在实际系统设计中，我们以
 的值来确定ε值的大小。当
 时，也即偏差值比较大时，采用PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。当
 时，也即偏差比较小时，采用PID控制，以保证系统的控制精度。将以上想法写成计算公式，即在积分项上乘一个系数β，β按下式取值：
 如位置PID控制，写成积分分离PID控制的表达式为[5]：
 当
 时，β＝0，液压机控制系统采用PD控制，PD控制的表达式为： 式中
   或 当
 时，β＝1，液压机控制系统采用PID控制，PID控制的算法采用增量式PID控制算法，其表达式为： 式中 ：
 或
 A、B、C值与前面表达式中的值相同。
有了以上表达式，便可编制出相关的控制程序，在液压机的实际试验中，PID算法的实现是采用PLC编程来完成的，编程框图如图2所示。
 图2 积分分离PID控制算法程序框图
1．实验验证
3．1 空载实验
空载实验结果如图3所示，纵轴为速度轴，单位：mm/s；横轴为实时时间轴，显示为当前的实际时间。从计算机打印的实时速度曲线来看，滑块从静止开始，速度从0mm/s跳变为0.5mm/s恒速度运行，在此过程中系统响应较快，且没有出现很明显的超调；运行一段时间后滑块速度从0.5mm/s跳变为0.1mm/s恒速运行，在此过程中出现相对较大的偏差，但滑块速度能很快又回到设定值，说明在此过程中系统的动态响应较好；在滑块速度从0.1mm/s 变为0.05mm/s恒速运行过程中，系统的响应时间有点长。与前面动态响应对比分析，主要是由于在低速时某些参数设置不是非常恰当所致，但从整个曲线来看，空载时已基本能满足恒速度控制的要求。  3．2 负载实验
负载实验，形变材料采用变形高温合金GH4169，尺寸为φ330×255，等温锻造温度为800℃，滑块运行速度为0.1mm/s恒速运行。从计算机打印的实时速度曲线来看（图4），刚开始速度有点偏大，但很快回到设定值，说明控制系统的动态响应在负载时也基本满足设计要求。在长达20多分钟的压制过程中，速度基本不变（图中所示时间约为6 分钟左右），也就是说，液压机在负载运行时，对于单一给定的某一速度值，控制系统对速度的控制，也基本满足恒速控制的设计要求，从材料最后的成型结果来看，精度控制在实际要求范围之内。
 图4 负载实验实时速度曲线
1．结束语
文中所述方案仅为万吨液压机在等温锻造恒速度、恒应变速率、变应变速率控制系统中的一个试验方案，在实际应用中，由于需要考虑系统压力损耗、负载抗力影响，不同条件下的泵流量控制，滑块下行过程中五缸同步等因素，所以等温锻造万吨液压机实际控制系统的复杂性远远高于文中所述，且总体性能比文中提及的要好出许多倍。在两年多的实际生产中，该液压机的控制系统运行稳定，性能良好，满足了复杂生产工艺的需要。
参考文献：
[1] 卢长耿主编 液压控制系统的分析与设计[M]. 北京： 煤炭工业出版社.1991
[2] 陶永华主编 新型PID控制及其应用[M]. 北京：机械工业出版社. 2002
[3] 俞忠原等编著 工业过程控制计算机系统[M]. 北京：北京理工大学出版社 .1995
[4] 郭敬枢主编 微机控制技术[M]. 重庆： 重庆大学出版社. 1994
[5] 黄国建等编著 微型计算机应用技术[M] 上海：上海交通大学出版社 .1995
[6] http://www.ctiin.com.cn（中国创新技术信息网）
作者简介： 田永康（1954-），男（汉），山西省，高级工程师，专业机床与液压 |