六面顶压机超高压模糊PID控制系统的研究

王克武，李乐宝，许宏

(1.连云港职业技术学院机电工程学院，江苏连云港222006;2.中国计量学院机电工程学院，浙江杭州 310018）

六面顶压机超高压模糊PID控制系统的研究

王克武1，李乐宝2，许宏2

(1.连云港职业技术学院机电工程学院，江苏连云港222006;2.中国计量学院机电工程学院，浙江杭州 310018）

针对液压系统超高压控制中动态响应性能和稳态性差的问题，建立了压力控制节流阀的数学模型，设计了基于模糊PID的智能控制系统，并利用MATLAB/Simulink进行仿真。结果表明:采用基于模糊PID的智能控制系统大大改善了液压控制动态性能，提高了稳态精度。

六面顶压机;模糊PID;超高压

立方氮化硼 (CBN）是硬度仅次于金刚石的超硬材料，作为超硬材料家族的一员，它与金刚石一样，也是在高温高压 (4.5～5.0 GPa）条件下合成的［1－2］。它除了具有高硬度和耐磨性外，还具有较高的热稳定性和化学惰性，被广泛应用于黑色金属加工领域［3］。对实现高精、高效、节能及自动化的机械加工起到了重大的推动作用，因而国外把它作为重点发展和普及的重要材料［4］。

目前，普遍采用的生产设备是六面顶压机，是由六方氮化硼和触媒在高温高压下合成［2，5－6］，其 6个液压缸在空中对称分布，通过电液比例节流阀控制其运动。由于控制采用液压系统，因而不可避免地存在泄漏的现象［7－8］，进而使得压机要不断地补油，造成压力脉动，影响合成晶体的质量。因而为获得高品质的CBN，实现高精度压力控制至关重要。

液压系统压力的控制存在着非线性、动态突变性等特点，经典和现代控制理论很难满足液压系统控制的动态响应性和稳态精度要求［9］。为了有效解决CBN压机合成晶体补压过程中液压控制系统动态性能差的难题，文中以Y-500型六面顶压机为研究对象，建立了压机超高压模糊PID智能控制系统，以实现高精度压力的控制。

1 压机控制结构模型

压机压力控制结构如图1所示，图中只画出其中一个液压缸压力控制系统，因只研究压力，故对压机压力控制模型做了简化，并没有给出所有部件。压力的控制是由DSP发出控制信号，经由D/A转换器和比例放大板，通过电液比例节流阀来控制的。

图1 压机压力控制结构图

2 节流阀的数学模型

在液压控制方面，通常采用电液比例阀控制液压系统中的压力精度。在此系统中，因比例阀的频宽与液压固有频率相近，因而把比例阀的传递函数看成二阶振荡环节［10］:

式中:P(s）为电液比例节流阀稳态工作点附近压力;U(s）为电液比例节流阀稳态工作点输入压力;Km为电液比例节流阀放大系数;ωsm为电液比例节流阀的等效无阻尼固有频率;ξsm为电液比例节流阀等效阻尼因数。

3 超高压模糊PID控制系统的设计

在超高压模糊PID控制器中，是把控制电压的误差e和误差变化率ec作为输入，PID的控制参数Δkp、Δki、Δkd为输出，满足不同e和ec对控制器参数的不同要求，从而使得被控对象具有良好的动、静态性能。超高压模糊PID控制结构图见图2。

图2 超高压模糊PID控制结构图

图中:Y为压力输出，这样PID环节的kp、ki、kd三个参数最终为:kx=kx0+Δkx(x代表p、i、d），kx0为PID控制的初值。

将e、ec和 Δkp、Δki、Δkd的变化范围分别整定到模糊论域 ［－5，5］和 ［－1，1］，在模糊论域内定义7个模糊集合，对应的语言变量为:负大(NB），负中 (NM），负小(NS），零 (Z）， 正 小(PS），正中 (PM），正大(PB）。根据经验，模糊控制器的3个输出分别乘以量化因子，它可以通过实验的方法进行调整。隶属度函数采用三角形的分布函数，如图3所示。

图3 隶属度函数分布图

根据实际经验制定模糊规则，模糊控制规则制定的原则为:曲线振荡很频繁，增大Δkp值，曲线漂浮绕大弯，减小 Δkp值;曲线偏离回复慢，增大Δki值，曲线波动周期长，减小Δki值;曲线振荡频率快，减小Δkd值，动差大而波动慢，增大Δkd值。制定的模糊控制规则表见表1—3。

表1 Δk p的模糊控制规则表

表2 Δk i的模糊控制规则表

表3 Δk d的模糊控制规则表

由以上表格可得以下49条模糊控制规则:

4 仿真研究

图4 常规PID控制Simulink仿真模型

仿真时，输入幅值为5的阶跃信号，信号从t=0时开始输入。当把图4中的PID控制器换成图5所示的模块时，系统就变成了模糊PID控制系统。

图5 模糊PID控制器仿真结构图

为系统加入正弦信号重复上述仿真，采用传统PID和模糊PID控制的响应曲线比较如图6所示。

图6 响应曲线比较

从两图中可以看出:针对两种信号，模糊PID控制比常规PID控制具有更小的超调甚至无超调，响应速度快，稳态精度高，控制效果明显优于常规PID控制。

5 结论

针对立方氮化硼在高温高压环境合成过程中复杂液压系统超高压控制的特点，设计了模糊PID智能控制器，并进行了仿真。结果表明:与常规PID控制系统相比，采用模糊PID控制的系统动态响应速度快、超调小、精度高、鲁棒性强，系统动静态性能都有了明显的提高。

【1】姜伟，盘瑛，李立惟．压力对立方氮化硼复合片耐磨性和导电性的影响［J］．超硬材料工程，2011，23(3）:16－18．

【2】郭玮，郭伟力，王琰弟．细颗粒CBN的高压高温合成研究［J］．超硬材料工程，2010，22(4）:10 －12．

【3】RONG X Z，YANG T．TEM Investigation of High-pressure Reaction-sintered cBN-AIComposites［J］．Journal of Materials Science，2004，39:4705 －4710．

【4】CHOU Y，KEVIN，EVANS Chris J．Cubic Boron Nitride ToolWear in Interrupted Hard Cutting［J］．Wear，1999，225/226/227/228/229:234－245．

【5】赵玉成，孙金峰，王明智．含纳米金刚石的立方氮化硼聚晶的制备［J］．高压物理学报，2007，21(4）:409 －413．

【6】杨大鹏，吉晓瑞，李英爱．锂基触媒体系中不同形状立方氮化硼晶体的高压合成［J］．高压物理学报，2010，24(3）:237－240．

【7】杨乐庭．人造金刚石压机控制系统的研究与设计［D］．上海:东华大学，2010．

【8】徐振钦，冯勇，乐贵高．基于虚拟试验的液压泄漏因素评估与定量研究［J］．机床与液压，2009，37(11）:93 －96，109．

【9】ENDELT B，NIELSEN K B，DANCKERT J．Mew Framework for On-line Feedback Controlof a Deep-drawing Operation［J］．Journal of Materials Processing Technology，2006，177:426 －429．

【10】许益民．电液比例控制系统分析与设计［M］．北京:机械工业出版社，2005．

Study on Ultrahigh Pressure Fuzzy PID Control System for Cubic Press

WANG Kewu1，LILebao2，XU Hong2

(1.College of Machinery and Electronic Engineering，Lianyungang Technical College，Lianyungang Jiangsu 222006，China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China Jiliang University， Hangzhou Zhejiang 310018，China）

A mathematicalmodel of throttle valve for controlling pressure and intelligent fuzzy PID control system were built，to solve the undesirable dynamic response and low steady-state precision of the ultrahigh-pressure control for hydraulic system．The simulation of the intelligent fuzzy PID control system was carried out based on MATLAB/Simulink．The result shows that the dynamic response and steady-state precision are greatly improved by adopting fuzzy PID．

Cubic press;Fuzzy PID;Ultrahigh pressure

TP211

A

1001－3881(2013）4－127－3

10．3969/j.issn.1001 －3881.2013.04.040

2012－01－07

浙江省自然科学基金重点资助项目 (Z106853）

王克武 (1963—），男，副教授，主要从事机械设计制造与自动化机械设计、先进装备及技术等方面的研究。E－mail:wkw939@126.com。