基于模糊PID的闪光焊机液压系统的压力同步控制研究.pdf

2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第7期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 7 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 1 0 基于模糊 P I D的闪光焊机液压系统的压力同步控制研究 王睿 ，张军伟 ，梁涛 ，高忠林 1 ．河北工业大学控制科学与工程学院， 天津3 0 0 1 3 0 ； 2 ．天津七所高科技有限公司， 天津3 0 0 4 0 9 摘要介绍了闪光焊机的液压系统的组成及其工作原理，建立了闪光焊机液压系统的数学模型。针对闪光焊接的顶锻 阶段，提出了一种基于二级模糊自调整 P I D的控制模型，第一级模糊 P I D控制应用于基准通道，第二级模糊 P I D控制应用 于同步通道，实时地调整 P I D参数以达到系统的同步运动，该控制方法有效减少了两个系统的压力动态同步误差。 关键词闪光焊机；液压系统 ；模糊 P I D 中图分类号 T H 3 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 47 0 3 6 3 S t u dy o f S y nc hr o n o us Co n t r o l o f Hy d r a ul i c S y s t e m o f Fl a s h But t W e l de r Ba s e d o n Fuz z y PI D WANG Ru i ，Z HANG J u n we i ，L I ANG T a o ，GAO Z h o n g l i n 1 ． S c h o o l o f C o n t r o l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，He b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，T i a n j i n 3 0 0 1 3 0 ，C h i n a ； 2 ． T i a n j i n 7 0 7 Hi - t e c h C o ． ，L t d ． ，T i a n j i n ，3 0 0 4 0 9 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c o n f i g u r a t i o n a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m o f fla s h b u t t we l d e r we r e p r e s e n t e d， a n d t h e ma t h e ma t i c m o d e l o f h y d r a u l i c s y s t e m o f fl a s h b u t t w e l d e r w a s e s t a b l i s h e d ．T h e c o n t r o l mo d e l b a s e d o n t w o c l a s s f u z z y s e l f - a d j u s t m e n t P r o p o r t i o n I n t e g r a l - D i ff e r e n t i a l P I Dw a s i n t r o d u c e d b y a i mi n g a t t h e t o p f o r g i n g s t a g e o f t h e fl a s h b u t t w e l d i n g ．T h e F i r s t c l a s s f u z z y P I D c o n t r o l w a s u s e d f o r b e n c h m a r k a c c e s s ，a n d t h e s e c o n d c l a s s fo r s i m u l t a n e o u s a c c e s s ，t h e P I D p a r a me t e r s w e r e a d j u s t e d i n r e a l t i me t o a c h i e v e s i mu l t a n e o u s mo v e me n t o f t h e s y s t e m．T h e c o n t r o l me t h o d s a r e e f f e c t i v e i n r e d u c i n g t h e s y n c h r o n o u s d y n a mi c e r r o r o f p r e s s u T e o n t h e t wo s y s t e ms ． Ke y wo r d s F l a s h b u t t w e l d e r ； Hy d r a u l i c s y s t e m ； F u z z y P I D 闪光对焊作为一种高效的焊接手段被广泛地应用 于机电、建筑、冶金 、交通石油钻探等行业。闪光对 焊的原理固定夹具和活动夹具将被焊件夹紧，接通 焊接变压器 ，然后向前移动活动夹具 ，在焊件接触端 面轻微地接触时，开始通电加热，并在接触点加热处 形成液态金属过梁 ，过梁爆破产生火花喷射 ，形成 连 续 的闪光 ，此 阶段称为闪光对焊的闪光阶段。当闪光 加热达到一定温度时 ，活动夹具突然加速，以一定的 压力使焊件熔化的端面互相挤压，焊接区域发生塑性 变形 ，接合面处交互结 晶，形成牢 固的焊接接头 ，该 阶段称为闪光对焊的顶锻阶段u 。 1 闪光焊机的顶锻液压 系统组成 顶锻液压 系统是 闪光焊机 中非常重要的一个液压 回路 ，钢坯的闪光焊接是否成功 ，取决于钢坯的送进 速度是否与闪光曲线一致。在闪光阶段，为了保证闪 光稳定而激烈地进行，不得发生间断闪光和短路现 象，顶锻液压系统以较小的速度向前送进 ，确保钢坯 的送进速度等于钢坯 的烧化速度 。在顶锻 阶段 ，活动 夹具以较高的速度向前送进，迅速封闭熔化端面间 隙，并且以一定的压力使熔化的端面互相挤压 ，其产 生足够的塑性变形，达到永久连接的目的 。该阶 段必须满足两个 条件 第一要有足够大 的顶锻力 ，以 便使接头产生应有的塑性变形 ，第二要有足够大 的顶 锻速度 ，以排除氧化物和液态金属 。顶锻液压 系统在 整个闪光焊机液压系统中 占有 重要 的位 置。 闪光焊机的顶锻液压系统组成如图 1 所示 。顶锻 液压系统的油路分析 高压油液从 P口，经过单 向阀 1 ，流至先导减压 阀 2减 压 。当先 导 电磁 换 向阀 4左 路接通，液压油流人顶锻液压缸大腔 ，溢流阀3和串 联在 回油路上的节流阀控制调节流出顶锻液压缸的油 液流量 ，从而控制顶锻液压缸的送进速度；当先导电 磁换 向阀右路通 ，液压油 由单向阀流入顶锻液压缸 小 腔，顶锻液压缸大腔的液压油流入出油口。达到快速 返 回的 目的。 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 4 基金项目天津市应用基础及前沿技术研究计划项目 1 1 J C Y B J C 0 6 5 0 0 作者简介王睿 1 9 7 8 一 ，女，讲师，博士，主要从事焊接 自动控制方面的研究工作。通信作者张军伟，Em a i l j u n we i z h a n g h e b u t 1 6 3 ． c o rn。 第 7期 王睿 等基于模糊 P I D的闪光焊机液压系统的压力同步控制研究 3 7 1 一 单 向阀2 一 先 导减压 阀3 ～ 溢流 阀4 一 先 导 电磁换 向阀 5 一顶锻液压缸6 一钢坯7 一单 向节流阀8 一油箱 图 1 闪光焊机顶锻液压系统组成结构图 压力反馈 2闪光焊机的顶锻液压系统数学模型 闪光焊接 闪光 阶段 的实质是称作过梁的液态金属 在焊件间隙中形成和快速爆破的交替过程。在闪光开 始阶段 ，由于焊件端面温度较低，过梁从形成到爆破 所需 时间较长 ，因此必须在较低 的送进速度下才能激 发闪光 ，随着闪光的进行，端面温度逐渐升高，同样 功率下过梁从形成 到爆破 的时间逐渐缩短 ，所 以闪光 阶段一般采用加速送进以保证爆破的连续 。闪光焊 接 的闪光过程实质 为加速度位置 随动系统 。在闪光焊 接的顶锻阶段 ，活动夹具以较高的速度向前送进，迅 速封 闭熔化端 面间隙 ，并 以一定 的压力使熔化端面互 相挤压 ，使其产生足够的塑性变形。考虑闪光阶段和 顶锻阶段对系统的不同要求 ，提出了压力 一位置混合 控制策略，以达到高质量的闪光焊接，其原理如图2 所示 。 整形回路 1压力传感器 位置反馈 整形回路 1位置传感器 曩 图2 闪光焊接控制原理图 闪光焊机的顶锻液压系统的负载是惯性负载 ，其 驱动力控制框 图如 图 3所示 。 图 3 驱动力控制系统框 图 图中K 为控制放大器增益 ；K 为 电液控制阀的压 ji 『 力增益 ，K p ；K n 为力传感器的比例系数； 为 J Ce 机械谐振频率，tO ／ ／ m；6 为机械阻尼系数， 6 ／ 2 ／ ； tO o 为 综合 谐振频 率， 。 ／ ∞ zm V1 K h ；∞ 为液压谐振频率，∞ ／ ／ m ／ 4 ／ m； 为 综 合 阻 尼 系 数， Ko e Km， 、 B v K m A P ／ 1 ／ K h 4 A P ／ 1 ／ K h 3 基于二级模糊 P I D的闪光焊机的顶锻阶段的压 力同步控制 大截面钢坯 的闪光焊接属 于连续 闪光对焊 ，是实 现无头连续轧制的关键技术之一 。连续 闪光对焊 的焊 接工 艺主要 包含两个 阶段 闪光 阶段和顶锻 阶段 。顶 锻阶段要求活动夹具能够瞬间提供较大的顶锻力和顶 锻速度。焊 接截 面为 1 3 0 m m 1 3 0 m m 的方 形钢 坯 时 ，顶锻 时间一般 小于 1 s ，顶锻力要达到 5 0 0 k N以 上。钢坯 闪光焊接顶锻 阶段 的顶锻力 的大小直接影响 焊接的效果 。针对 闪光焊 机的顶锻液压 系统 ，其模糊 P I D控制策略如图4所示，是一种综合 “ 同等与主从 方式” 的二级模糊 P I D同步控制策略 。在 图4中 ，设 置系统的第 一个通道为基准通道 ，通道 P I D控制参数 为 K K K 叫；第二个通道为同步通道，通道 P I D 控制器参数为 K ， ，K ；r f 是系统理想 压力输 入，t 是时间变量，y t 是系统第 i i 1 ， 2 通道的 压力输出，“ t 是系统第 i i 1 ， 2 通道控制器的控 制输 出 ，e t r I t 一 Y t 是系统第 i i 1 ， 2 通道 的跟踪压力偏差 ，e t Y t 一Y t 是系统 两条 通道的同步 压 力 的偏 差 。这 样具 有 二级 结构 的模 糊 P I D控制策略可以解释为 1 第二通道与第一通道 “ 同等”地跟踪系统理想运动的输入 ； 2 第二通道 同时还 以第 一 通道 为基 准 ，进行 “ 主从 ” 通道 间 同 步误差的调整控制。也就是说基准通道的性能主要体 现整体系统的跟踪响应性能；同步通道的性能主要体 现 两通道 间同步误差 的动态抑制性 能 。 3 8 机床与液压 第4 2卷 图4 送进液压系统二级模糊 P I D控制原理框图 1 根据系统的跟踪性能和同步误差性能的要 求选取相应的模糊变量，并结合硬件的可实现性，选 取跟踪误差 e t 和通道 间的 同步误 差 e t 为模糊 控制器的输入 ，模糊控制器的输出控制量为各 P I D控 制参数 ， 。 ，这里为了提高系统硬件运算速度和 简化控制器设计略去了积分控制参数的设计。 2 变量模 糊化。 3 确定隶属度 函数和模糊 决策规则 ， 这里采用的是三角形函数。 4 模糊控制输出及其 解模糊 。 4结果分析 图5绘出了常规 P I D控制实际运行曲线。图 5 a 绘制了各通道压力跟踪 曲线 ，图 5 b 绘制 了两 通道压力跟踪误差曲线和两通道间的同步偏差曲线。 图6绘出了二级模糊 P I D控制实际运行曲线 。图 6 a 绘制了各通道压力跟踪曲线 ，图 6 b 绘制了两通道 压力跟踪误差曲线和两通道间的同步偏差曲线。 时间， S a 液 压缸 1 ， 2 运 行 压力 曲线 时 间， s b 液压缸l ， 2 跟踪压力偏差 和 两 缸 同步偏 差 曲线 图5 常规 P I D控制响应曲线 时 间／ s 时 间／ s a 液 压缸1 ， 2 运 b 液 压缸 1 ， 2 跟踪 压 力偏 差 行压 力 曲线 和 两缸 同步 偏差 曲线 图6 二级模糊 P I D控制响应曲线 通过 图 5 a 和 图 6 a 对 比，可 以发现二级 模糊 P I D控制有效地提高整个系统的跟踪响应能力 ， 两条通道的压力的跟踪误差由常规 P I D控制情况的将 近 0 ． 5 M P a 到接近为零 。从 图 5 b 和 图 6 b 对 比中可以看出，二级模糊 P I D控制在提高系统响应能 力 的同时还具有较高的静态同步精度 ，常规 P I D控制 情况的同步误差为 0 ． 3 M P a ，模糊 P I D控制情况为 0 ． 1 M P a 以 内，两者基本一致 。因此 闪光焊机送 进 电 液伺服系统的仿真控制结果证实了二级模糊 P I D控制 策略较常规 P I D控制策略具有更高的系统跟踪性能和 同步控制品质 。 参考文献 【 1 】电阻焊专业委员会． 电阻焊理论与实践[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． 【 2 】 赵熹华． 焊接方法与机电一体化[ M ] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 1 ． 【 3 】 赵熹华． 压力焊[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． 【 4 】卢宁， 付永领， 孙新学， 等． 钢坯闪光焊接液压系统研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 7 3 7 ． 【 5 】管杨新， 胡大邦 ， 王奕豫． 电液位置同步伺服控制系统的 模糊控制研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 2 2 8 3 8 5 ． 【 6 】刘永利， 徐兵， 杨华勇． 液压 电梯控制系统的两级控制器 设计[ J ] ． 浙江大学学报 工学版， 2 0 0 4 ， 3 8 2 2 2 2 2 2 5 ． 上接 第3 5页 【 4 】那焱青， 牛洁， 那成烈． 叶片泵过渡曲线辨识问题研究 [ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 6， 3 7 2 5 1 5 4 ． 【 5 】李少年， 魏列江 ， 冀宏， 等． 改进定子 曲线对高压子母叶 片泵特性的影响[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 1 2 ， 4 3 1 2 1 9 22 3． 【 6 】叶志锋， 孙健国． 用最优控制理论设计双作用叶片泵定子 曲线[ J ] ． 航空动力学报， 1 9 9 6 ， 1 1 4 3 8 1 3 8 4 ． 【 7 】王天祥， 何利民， 任吉娟． 刚性转子式叶片泵最佳过渡曲 线的研究[ J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 6， 3 4 3 2 4 2 7 ， 7 8 ． 【 8 】周泰文， 王晓星 ， 刘后邗． 模糊数学基础简明教程[ M] ． 武汉 华中理工大学出版社， 1 9 9 3 ． 【 9】S I N H A S ． F u z z y Ma t h e m a t i c a l P r o g r a mm i n g A p p l i e d t o Mu l t i l e v e l P r o g r am m i n g P r o b l e ms l J 1 ． C o m p u t e r s O p e r a t i o n s R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 0 9 1 2 5 91 2 6 8 ． 【 1 0 】 C H E N G S M． A N e w M e t h o d f o r T o o l S t e e l M a t e r i a l s S e l e c t i o n u n d e r F u z z y E n v i r o n m e n t [ J ] ． F u z z y S e t s a n d S y s - t e m s ， 1 9 9 7 ， 9 2 3 2 6 52 7 4 ． 【 1 1 】L I U H T ． P r o d u c t D e s i g n a n d S e l e c t i o n U s i n g F u z z y Q F D a n d F u z z y MC D M A p p r o a c h e s l J 1 ． A p p l i e d Ma t h e ma t i c a l M o d e l l i n g ， 2 0 1 1 ， 3 5 1 4 8 2 4 9 6 ． 【 1 2 】任彬 ， 张树有， 伊国栋． 基于模糊多属性决策的复杂产 品配置方法[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 0 ， 4 6 1 9 1 0 8 1 1 6． 【 1 3 】陈晨 ， 毛宁， 陈庆新． 基于模糊粗糙集的改模知识分层 归纳方法[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 1 0， 4 6 1 4 4 0 4 6 ． 【 1 4 】杨福增， 朱琳， 刘洪萍， 等． 拖拉机变速箱轴承的模糊选 择[ J ] ． 西北农业大学学报， 1 9 9 9 ， 2 7 2 1 0 51 0 8 ． 【 1 5 】高江红． 凸轮机构从动件运动规律的设计[ J ] ． 机械设 计， 2 0 0 6 ， 2 3 2 4 5 4 7 ．