充液成形设备内高压稳态控制分析

文／米新征，张扬，贾振越，张绍君·天津市天锻压力机有限公司

通讯作者：张扬，男，工学学士，高级工程师，主要研究方向为先进充液成形数控液压机及生产线、航空金属成形设备，13920331827@qq.com

文中主要研究充液成形设备中增压缸内高压的优化控制方案。充液成形相比较传统的成形工艺具有提高刚性，因一体式成形同样能够减少零件的重量，根据充液成形一体化成形的工艺特点，作为充液成形工艺的主要参数，充液压力的控制变得尤为重要，实际工况产生各种特殊情况，造成控制环境跟理想控制模型出入较大，基于传统的经典控制方案不能够满足充液成形的复杂工艺要求，现场模具的密封条件，增压器增压能力等因素都会造成内高压控制不稳定，严重影响零件成形效果，所以本文根据实际使用情况提出一种内高压稳态控制方案，通过引入新参数的控制，实现内高压稳态控制，同时能够适应充液成形的复杂工艺。控制系统硬件基于基本控制方案，控制器使用PLC 控制器，通过扩展模块采集数据和输出数据，高压传感器、高频响应阀和控制器系统全部采用高速模式。优化的目的首先是使算法克服实际跟理想模型不一致所造成的压力控制不稳定等问题，其次是进一步实现工艺生产中的复杂要求。

充液成形技术已经广泛应用于航空航天、汽车船舶、电气等诸多领域。基于充液成形工艺特点具有一体化成形的优势，对于形状不规则的工件，相比传统的拼焊工艺大大简化繁琐的工艺流程，在人力物力上节省了很多的资源，同时其外形美观，无褶皱，在轻量化、稳定性、强度等性能上有很大的提升，所以在航空航天和船舶制造等领域一直被广泛的应用，在对零件轻量化要求比较高的行业，优势体现的更加明显，也变得更加重要。内高压充液成形工艺具有改善变形均匀性、增加结构刚度，提高可成形性的优势。

随着国内工业发展愈加成熟，在民用领域中如汽车、家电、建材等行业开始逐渐应用各种充液成形工艺，并对原有零件成形工艺进行升级优化，包括以充液成形为基础的内高压胀形等其他工艺手段都不断地在优化自己的生产工艺，使零件提高到更高刚性的同时减少重量和成本的投入，尤其是在新能源汽车行业。新能源汽车对于轻量化要求较高，其中板式充液成形和管式充液成形工艺能够涵盖汽车生产制造的大部分结构工件和覆盖件，基于充液成形的特点，其相比传统焊接拼装零件的重量减少1/3，能够给汽车本身减轻很可观的重量。尤其对于新能源汽车来说，能够提高刚性的同时减轻部分重量，能够大幅提升新能源汽车的行驶里程。

内高压系统

图2 为内高压系统简图，整个系统主要由油泵、伺服阀、位移尺、增压器、模具、高压传感器等构成。

图3 为液压系统工作流程图，首先通过液压油泵提供稳定流量的液压油源给高频响应阀，通过高频响阀控制增压器的位移来使增压器前进或者后退。通过增压器液压缸的前进或者后退进一步控制增压器的模腔进行注水，随着封闭模腔内部的水增多逐步开始产生高压。

控制系统

电气控制系统硬件构成

由图4 可知，电气控制系统主要由人机界面、PLC 控制器、高压压力传感器、位移传感器、高频响应阀等构成。

⑴其中PLC 控制器采用西门子1500 系列，优点是CPU 位指令处理时间最短可达1ns，集成运动控制可高达128 轴，通过PROFINET 通讯协议交互数据速度高且稳定，信号抗干扰能力强，CPU 程序扫描周期能够达毫秒级别。

⑵高频响应阀采用的是MOOG 高频响应伺服阀，其优点是无零位死区，高精度、高频响，较低的油液清洁度要求，可靠性高等。采用-10V ～+10V 电压信号控制，阀芯控制反应速度能够达到毫秒级别，能够很好匹配PLC 的反应速度。

⑶传感器模块采用西门子模拟量输入高速模块，采集速度快，周期短。

电气控制流程

图5 为电气控制流程图，由人工通过人机交互界面输入工艺需求的压力目标参数给到PLC 控制器，PLC 控制器内部通过既定运算得出合理的参数，再通过输出模块输出相对应的驱动电压值驱动高频响应阀运动，从而控制增压缸进行前进或者后退运动。位移传感器采集增压缸的位移参数发送给PLC 控制器，PLC 控制器对位移参数进行分析判断得出增压缸相关运动参数，同时增压器前进给封闭腔体内的水进行加压，压力实时值通过压力传感器反馈到PLC 控制器，PLC 控制器通过运算方案对当前实时的压力值和人机界面收到的目标压力值进行比对处理后，再通过算法计算得出需要更正补偿的高频响应阀的输出值，通过不断且高速的进行采集、处理、运算、更正、输出补偿等动作得到稳定的无限接近目标值的实际压力值，实现压力控制。

控制方案

PID 控制原理及效果

PID 控制理论是目前工业自动控制系统中应用最成熟的控制理论，在实际生产应用中基于该理论的PID 控制方案已经广泛应用到各种运动控制系统中。

图6 为PID 控制基本模型，基于该理论模型产生的算法在实际工业生产中被大量的应用，同时，由于不同的控制方式和控制需求，衍生出很多基于该理论的优化方案，其中连续控制系统的PID 控制器数学模型为：

⑴比例环节。

其作用是成比例地反映控制系统的偏差信号，即输出与输入偏差成正比，可以用来减小系统的偏差。

通过公式⑵可知，u 值跟e 值之间成比例关系，系数为Kp，通过调整Kp能够减小输出值和实际值的偏差，比例系数Kp越小，则系统消除偏差的时间越长。当Kp的值越大时，到达目标值的时间越短，同时超调和振荡越大，降低了系统稳定性。所以Kp参数要根据实际应用情况进行兼容调整，要兼容缩短到达目标值的时间，也要兼顾系统稳定性。

⑵积分环节。

其作用是消除系统控制过程中的稳态误差，即实际值和目标值之间稳定状态时的差值。

其中∑e 为累计偏差，Kp为比例系数，Ki为积分系数，通过比例积分公式可以知道积分作用是对偏差e 进行积分，只要存在偏差，积分环节会一直累积，无限的减小稳态误差，实现实际值无限接近目标值。通过调整Kp常数来调整积分作用的强弱，但是Ki的值越大，其达到目标值的时间越短，同时会出现超调和振荡，同样会降低控制系统稳定性，所以调整积分参数时也要根据实际应用两者兼顾，不是积分作用越强越好。

⑶微分环节。

微分环节的作用就是提前减弱输出，减小超调量。

其中Kd为微分系数，ek为第k 次偏差，ek-1为k-1 次的偏差。微分环节通过减小比例和积分环节的作用，从而减小输出达到限制超调量的大小，所以在实际应用中会通过不断地调整比例、积分、微分三个环节作用强弱来实现控制输出大小和快慢，能够快速稳定地达到目标值。

在常规的应用中，西门子的编程软件提供了标准的连续控制功能块CONT_C，方便使用者使用。在实际应用时可以直接调用该功能块，通过连接相关引脚参数的改变调节整个PID 控制器，减少了编程人员的工作量。以图7 所示为例，分别将水压的设置值、压力传感器反馈回的压力实际值、比例参数、积分参数连接到相关引脚，输出的上下限分别设置+100 和-100，表示能够使伺服阀输出+10V ～-10V、运行周期设为10ms，使能打开后即可以正常调试了，期间通过不断优化比例参数和积分参数值，实现控制引脚LMN 的输出值给伺服阀，实现输出的压力值跟期望的目标值相符。

经过反复调试比例环节和积分环节最终得到实际压力值，如图8 所示，压力目标值为150MPa，增压开始后压力值迅速上升，达到目标值后继续增长，一直到170MPa 后又迅速回调到148MPa 左右，保持在148 ～152MPa 之间以固定振幅振荡，控制状态不够稳定。在实际应用中，大多数工况下不能完全实现模型中的理想环境，比如模腔密封效果不良导致漏水、在充液成形过程中工件受力变形时非线性地导致水压在某个时刻突然激增等问题，都会显现纯PID 控制方式在控制上的不足，不能更好地适应现场更复杂的工况。

新参量控制及效果

在最初控制压力目标值的基础上加入新的控制目标值：增压速度，如图9 所示，这样就能够更全面描述压力增长的过程，将压力的变化速度作为新的参数引入，即定义压力增长的速度为正向速度，压力下降时的速度为负向速度。

在运动开始，即实际压力值没有达到设置压力值时闭环的输出要求以压力的增长速度为主要参数，使压力值按照既定的增压速度进行增压，接近目标压力值后开始使速度作线性运动到达指定的目标值，整体上使整个运动过程线性化，更好更方便地控制。

图10 为加入新参数后的效果，能够看出压力值在达到既定的目标值(150MPa)之前是很线性的升压过程，按照既定的斜率增压到目标值，第一次压力达到后的超调值不大于0.5MPa，之后压力值稳定在149 ～150MPa 之间，成持续稳定状态，控制效果良好，能够适应实际工况的复杂多变性。

图2 电控系统简图

图3 系统工作流程图

图4 电气系统组成简图

图5 电气控制流程图

图6 PID 控制模型图

图7 西门子PID 功能块

图8 PID 调试效果

图9 速度PID 功能块

图10 PID 调试效果

结束语

本控制方案的基础是经典PID 算法，在原来的只控制目标参数的基础上引入控制过程中的另一个参数进行提前控制，控制过程涵盖整个运动过程，能够更加符合目标实际的运动模型，达到更好地控制目标值的方式。在整个控制过程中通过模拟实际运动模型，进行两个参数控制的衔接切换，该工艺能够更好地适应充液成形的复杂工艺，在实际充液成形过程中内高压的压力值会根据成形工艺呈不稳定、不规律、非线性的变化，在某个成形阶段会需要更快的时间达到稳定的目标值，下一阶段需要比较慢的达到压力目标值，同时对整个控制的超调值有严格要求，超调值太高可能会造成零件成形不合格。

经过多次的实际应用，该内高压控制方案能够满足板式或管式充液的工况要求，同时对油液胀形设备适用，成形过程中内高压压力值能够很好配合模具工艺的各种动作，也满足一些小型的工件成形实验设备的需求。