基于FCS和多模式預(yù)測(cè)控制的25MN快鍛液壓機(jī)組控制系統(tǒng)研究

蘇振華，王冬梅，郭曉鋒，高尚暉，李培力

(中國(guó)重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

快鍛液壓機(jī)是從20世紀(jì)60年代開始發(fā)展的一種鍛壓設(shè)備，主要用于自由鍛件的壓制和鋼錠開坯的鍛造，尤其適合合金含量較高材料的鍛造［1-2］。近年來(lái)，隨著我國(guó)航天航空、造船業(yè)、軍工、新能源等行業(yè)的發(fā)展，鍛壓行業(yè)迎來(lái)了一個(gè)前所未有的發(fā)展機(jī)遇［3-4］。80年代以來(lái)，隨著液壓控制技術(shù)和微電子控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是工業(yè)PLC的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致快鍛液壓機(jī)的自動(dòng)化程度飛速提高。由于快鍛液壓機(jī)機(jī)械和液壓系統(tǒng)復(fù)雜、系統(tǒng)慣性大，鍛造工作中系統(tǒng)很容易出現(xiàn)震蕩和噪音等問(wèn)題，鍛造速度和尺寸精度難以滿足加工要求，所以研制出一套專門應(yīng)用于快鍛液壓機(jī)的控制系統(tǒng)是十分必要的。本文主要針對(duì)25 MN快鍛液壓機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 快鍛液壓機(jī)組簡(jiǎn)介

25 MN快鍛液壓機(jī)組主要完成鐓粗、拔長(zhǎng)、沖孔、彎曲等自由鍛工序，機(jī)械程度化高，運(yùn)行速度快。機(jī)組組成圖如圖1所示，主要包括以下幾個(gè)部分［5］:

(1)壓機(jī)本體 (主機(jī))是壓制工件的主要裝置，其機(jī)械結(jié)構(gòu)采用梁柱組合上傳動(dòng)機(jī)架，主要由上砧旋轉(zhuǎn)裝置、橫向移砧裝置、移動(dòng)工作臺(tái)等組成;

(2)液壓系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)主機(jī)，主要是以大通徑比例插裝閥為主控的比例閥控系統(tǒng)，由主泵模塊、輔助泵模塊、主工作缸模塊、回程缸模塊、蓄勢(shì)器模塊、沖液閥模塊等組成;

圖1 25 MN快鍛液壓機(jī)機(jī)組組成圖Fig.1 Composition diagram of 25 MN fast forging hydraulic press set

(3)操作機(jī)是機(jī)組中最重要的輔機(jī)，用于夾持工件，主要完成大車前進(jìn)/后退、鉗桿正旋/右旋、鉗桿上升/下降、鉗桿上傾/下傾、鉗桿左移/右移、鉗桿左擺/右擺、鉗口松開/夾緊七個(gè)動(dòng)作，其中大車移動(dòng)精度為±10 mm，鉗口旋轉(zhuǎn)精度為±1°;

(4)運(yùn)料回轉(zhuǎn)小車主要負(fù)責(zé)將加熱爐中的鍛件運(yùn)送至鍛造壓機(jī)砧臺(tái)上或使鍛件調(diào)頭;

(5)回轉(zhuǎn)升降臺(tái)主要負(fù)責(zé)工件的調(diào)頭;

(6)電控系統(tǒng);

(7)通風(fēng)、照明、鍛件測(cè)溫、排污、報(bào)警等公用設(shè)施。

2 工作原理

25 MN快鍛液壓機(jī)由三個(gè)柱塞缸組成驅(qū)動(dòng)，一個(gè)主缸和兩個(gè)側(cè)缸，回程缸是兩個(gè)柱塞缸。主缸的進(jìn)油和排油工作和側(cè)缸的進(jìn)出液工作是分開的。快鍛液壓機(jī)主要完成鐓粗、常鍛和快鍛三種工序。鐓粗時(shí)主缸和兩個(gè)側(cè)缸同時(shí)工作;常鍛可以分為主缸常鍛和三缸常鍛;快鍛時(shí)僅僅兩個(gè)側(cè)缸工作。25 MN快鍛液壓機(jī)采用蓄勢(shì)器快鍛回路，能量利用率較高。快鍛液壓機(jī)一般在鐓粗和常鍛方式下工作，快鍛常用于精整工序。25 MN快鍛液壓機(jī)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示，液壓機(jī)鐓粗和常鍛的工作過(guò)程類似，本文以鐓粗為例說(shuō)明其工作過(guò)程，鐓粗動(dòng)作順序［6］主要分為:

(1)空程下降。液壓機(jī)主要靠本身自重下行，主缸進(jìn)液比例閥SV1、側(cè)缸進(jìn)液比例閥SV4工作，回程缸比例閥SV5工作在右位，下降速度的大小主要是取決于回程比例閥的開口大小;

圖2 25MN快鍛液壓機(jī)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.2 Hydraulic system of 25 MN fast forging hydraulic press set

(2)加壓。上砧接觸工件后，主缸進(jìn)液比例閥SV1和側(cè)缸進(jìn)液比例閥SV4工作，工作缸(主缸和側(cè)缸)的壓力迅速上升，壓機(jī)上砧的加壓速度主要由主缸進(jìn)液比例閥SV1和側(cè)缸進(jìn)液比例閥SV4的開口大小決定;

(3)卸壓和回程。由于加壓時(shí)工作缸的壓力很高，加壓完畢后需要先卸掉工作缸的壓力才能順利回程。卸壓時(shí)，主缸進(jìn)液比例閥SV1、側(cè)缸進(jìn)液比例閥SV4關(guān)閉，主缸排液比例閥SV2、側(cè)缸排液比例閥SV3開啟，卸壓時(shí)間主要由SV2，SV3的開口大小決定;卸壓完畢后，控制回程缸比例閥SV5工作在左位，系統(tǒng)回程。回程速度的大小主要取決于回程比例閥的開口大小。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用中，由人工智能操作工控機(jī)來(lái)控制操作機(jī)、鍛造液壓機(jī)、運(yùn)料回轉(zhuǎn)小車、移動(dòng)砧臺(tái)以及旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)等進(jìn)行工作。由于檢測(cè)和控制的對(duì)象較多，分布較為分散，控制難度相對(duì)比較大，因而采用PROFIBUS-DP總線的方式來(lái)進(jìn)行建立控制體系［7］。體系結(jié)構(gòu)按功能進(jìn)行建立分站，對(duì)各個(gè)分站進(jìn)行分開控制，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，分散控制和分散管理。具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由PLC系統(tǒng)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)控制模塊組成現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)。25 MN快鍛液壓機(jī)組控制系統(tǒng)是以研華工控機(jī)為上位機(jī)，PLC為下位機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，上位機(jī)通過(guò)PROFINET現(xiàn)場(chǎng)總線與下位機(jī)進(jìn)行通信。快鍛壓機(jī)主站采用西門子S7-300系列工業(yè)可編程控制器，采用西門子ET200M系列產(chǎn)品來(lái)控制操作機(jī)以及其他分站的分布，主站和各個(gè)從站網(wǎng)絡(luò)間選用DP/DP Couple連接兩個(gè)PROFIBUS-DP。整個(gè)快鍛壓機(jī)系統(tǒng)以S7-300處理器為中心，組成PROFIBUS DP總線網(wǎng)絡(luò)來(lái)與遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制，對(duì)壓機(jī)進(jìn)行邏輯控制、順序控制和精度控制，安全可靠的運(yùn)行系統(tǒng)。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of system network

4 控制策略

25 MN快鍛液壓機(jī)鍛造速度要求80次/min，鍛造精度要求達(dá)到±1 mm。由于活動(dòng)橫梁慣性大、液壓系統(tǒng)存在死區(qū)和非線性增益，采用傳統(tǒng)的PID控制很難滿足快鍛機(jī)控制要求，本快鍛壓機(jī)采用預(yù)測(cè)型多模式控制系統(tǒng)［8］，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該系統(tǒng)主要包括預(yù)測(cè)部分、Bang-Bang控制、Fuzzy速度控制、Fuzzy位置控制、控制對(duì)象以及傳感器。以上五部分組成實(shí)時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)，輸入為正弦曲線。根據(jù)快鍛液壓機(jī)的工作特性確定控制方式，大偏差范圍內(nèi)采用Bang-Bang控制 (開關(guān)控制)，在趨向目標(biāo)時(shí)采用速度控制，在接近目標(biāo)時(shí)采用位置控制，預(yù)測(cè)模型決定控制方式的切換時(shí)機(jī)。鍛造開始工作時(shí)由于偏差e較大，即|e|≥Eb(Eb為Bang-Bang控制時(shí)e的邊界值)，所以系統(tǒng)的控制量取最大值，來(lái)進(jìn)行非線性Bang-Bang控制;隨著偏差e值逐漸減少到Ep＜＜Eb范圍 (Ep為轉(zhuǎn)換位置控制時(shí)e的邊界值)時(shí)，進(jìn)行Fuzzy速度控制;當(dāng)e值減少到≤Ep時(shí)，就應(yīng)用Fuzzy位置控制。運(yùn)用這三種控制方法，既能縮短過(guò)渡時(shí)間，提高運(yùn)行速度，又能保證系統(tǒng)超調(diào)量小，進(jìn)行無(wú)超調(diào)量控制，使控制精度得到迅速提高。

圖4 多模式預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of multi-model predictive control system

5 結(jié)束語(yǔ)

25 MN快鍛液壓機(jī)組PLC控制系統(tǒng)站與站之間采用先進(jìn)的PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行控制，運(yùn)用傳感器控制技術(shù)以及預(yù)測(cè)多模式控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快鍛機(jī)在精鍛和粗鍛運(yùn)動(dòng)中平穩(wěn)、無(wú)沖擊振動(dòng)以及準(zhǔn)確的位置和精度控制，顯著提高了快鍛機(jī)的可靠性。

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