采用SN8P2704A控制的陶芯壓注機(jī)壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究?

（咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 咸陽(yáng) 712000）

1 引言

熔模鑄造又名“失蠟鑄造”，是一種近凈型的鑄造方法，該方法具有生產(chǎn)出來(lái)的鑄件精度高、適應(yīng)于復(fù)雜薄壁鑄件的生產(chǎn)、生產(chǎn)靈活性高以及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)［1］。熔模鑄造由此得到了人們的高度認(rèn)可，其被廣泛應(yīng)用于包括航天航空、軍用設(shè)備制造以及醫(yī)療器械在內(nèi)的多種領(lǐng)域。陶瓷芯在熔模鑄造中必不可少，陶芯壓注機(jī)生產(chǎn)出的陶瓷芯質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)熔模鑄造生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品有著密切的影響［2］。而對(duì)陶芯壓注機(jī)的壓力進(jìn)行合理的控制，是提高其產(chǎn)品質(zhì)量的必要方法。在陶芯壓注機(jī)工作過(guò)程中，若充型壓力過(guò)大將會(huì)撐破模具使產(chǎn)品出現(xiàn)尺寸偏差以及飛邊等缺陷。若保壓壓力過(guò)小將會(huì)出現(xiàn)填充不滿以及產(chǎn)品彎曲等缺陷［3］。因此，如何對(duì)陶芯壓注機(jī)工作中的壓力進(jìn)行有效的控制以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，成為了一項(xiàng)有意義的研究。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)壓注機(jī)壓力的準(zhǔn)確控制，周起華［4］等通過(guò)對(duì)PID算法進(jìn)行剖析，提出了模糊PID復(fù)合控制在壓注機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用模糊復(fù)合的方法，以采集的壓力信號(hào)作為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸保壓壓力的控制。又如姚喆［5］通過(guò)將模糊控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合，提出了模糊自適應(yīng)控制在壓注機(jī)電液控制系統(tǒng)切換中應(yīng)用研究，通過(guò)模糊自適應(yīng)控制適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化，以提高壓注機(jī)的壓力控制精度。以上方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)壓注機(jī)的壓力進(jìn)行控制，但由于上述方法所用控制策略的學(xué)習(xí)能力較差，而且沒有對(duì)控制電路進(jìn)行設(shè)定，使得上述方法不易實(shí)現(xiàn)，而且控制精度以及控制速度都不是很理想。

對(duì)此，本文提出了采用SN8P2704A控制的陶芯壓注機(jī)壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。通過(guò)對(duì)陶芯壓注機(jī)的工作機(jī)理進(jìn)行剖析，明確控制對(duì)象。通過(guò)陶芯壓注機(jī)的工作過(guò)程進(jìn)行分析，明確了控制要求。根據(jù)控制要求以及控制對(duì)象設(shè)計(jì)了壓力控制系統(tǒng)，并采用松翰單片機(jī)SN8P2704A作為中央控制器，聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID算法作為控制策略，實(shí)現(xiàn)了本文所設(shè)計(jì)的壓力控制系統(tǒng)。最后，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)本文所設(shè)計(jì)的壓力控制系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 陶芯壓注機(jī)工作機(jī)理分析

陶芯壓注機(jī)主要由上料裝置、開合壓型裝置、電液伺服系統(tǒng)、冷卻保溫系統(tǒng)等組成，其中電液伺服系統(tǒng)主要由液壓缸、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及伺服閥等組成［6］。在陶芯壓注機(jī)工作工程中，可通過(guò)控制流入伺服閥的電信號(hào)對(duì)伺服閥的開度進(jìn)行調(diào)控，伺服閥的開度將影響傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)液壓缸的行程進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)陶芯壓注機(jī)工作過(guò)程中所需要的壓力進(jìn)行控制［7］。

在陶芯壓注機(jī)工作過(guò)程中，壓力的控制包括對(duì)壓注壓力以及保壓壓力的控制。在壓注階段需要的壓力較大，以實(shí)現(xiàn)快速、飽滿的充型。而在保壓階段需要的壓力相對(duì)較小，以保證產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定以及表面平滑等。陶芯壓注機(jī)壓力的控制要求示意圖如圖1所示［8］。

圖1 陶芯壓注機(jī)壓力控制要求示意圖

3 壓力控制系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)陶芯壓注機(jī)的工作機(jī)理進(jìn)行分析可知，陶芯壓注機(jī)工作過(guò)程中的壓力控制，是通過(guò)電信號(hào)對(duì)伺服閥的開度進(jìn)行控制，通過(guò)伺服閥的開度進(jìn)而對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸行程的控制，完成對(duì)壓力的調(diào)控。同時(shí)，從陶芯壓注機(jī)壓力的控制要求可見，壓力控制系統(tǒng)對(duì)壓力的調(diào)控要實(shí)現(xiàn)分階段調(diào)控，而且控制速度以及控制精度要求較高。

對(duì)此，本文采用SN8P2704A作為中央控制器，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID算法作為控制策略，設(shè)計(jì)了壓力控制系統(tǒng)。本文設(shè)壓力控制系統(tǒng)整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖2所示。從圖2可見，壓力傳感器采集到的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)送入中央控制器后，壓力控制系統(tǒng)將啟動(dòng)控制策略對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，SN8P2704A將根據(jù)得出的計(jì)算量，通過(guò)調(diào)控單元對(duì)伺服閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力快速、準(zhǔn)確的調(diào)控。

圖2 壓力控制系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

4 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的硬件電路系統(tǒng)如圖3所示。硬件電路啟動(dòng)后，其工作流程如下。

首先，通過(guò)人機(jī)交互接口中的液晶觸摸屏以及按鍵鍵盤將標(biāo)定壓力工藝參數(shù)設(shè)置進(jìn)入中央控制器。同時(shí)在壓力信號(hào)采集模塊中，壓力傳感器在不斷地對(duì)實(shí)時(shí)壓力信號(hào)進(jìn)行采集，并且將采集到的壓力信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路，將信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、整形處理。然后，中央控制器將不斷地對(duì)壓力信號(hào)采集模塊輸入的信號(hào)進(jìn)行接收，并且啟動(dòng)控制策略。控制策略將以標(biāo)定壓力工藝參數(shù)以及中央處理器接收到的壓力信號(hào)為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并將得出的計(jì)算結(jié)果反饋給中央控制器。最后，中央控制器根據(jù)控制策略給出的計(jì)算量對(duì)調(diào)控單元發(fā)出調(diào)控信號(hào)，調(diào)控信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后將對(duì)可控硅的導(dǎo)通角度進(jìn)行控制，從而使得流入伺服閥的電流信號(hào)得以控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服閥的開度進(jìn)行了調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)控。

從圖3可知，本文硬件電路主要由中央控制部分、人機(jī)交互接口部分、調(diào)控單元部分以及壓力信號(hào)采集部分組成。在中央控制部分，其核心為中央控制器的選擇。為了滿足壓力控制系統(tǒng)對(duì)壓力控制的快速準(zhǔn)確性，本文選取了具有穩(wěn)定性能好、計(jì)算速度快等特點(diǎn)的SN8P2704A單片機(jī)作為中央控制器。在人機(jī)交互接口部分，采用了4X4的矩陣鍵盤作為按鍵鍵盤，以滿足壓力控制系統(tǒng)多種控制量的輸入，同時(shí)在該部分還配備了DC80480H070_02TF型液晶觸摸屏作為人機(jī)交互平臺(tái)，該液晶觸摸屏具有可視角度廣、分辨率高以及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，能夠適用于陶芯壓注機(jī)的工作環(huán)境。在壓力信號(hào)采集部分，其核心為壓力傳感器的選擇。為了滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的采集，本文選取了具有高分辨率、高響應(yīng)度等特點(diǎn)的ZD-131型壓力變送器作為壓力傳感器。在調(diào)控單元，本文選取了松藤BTA80型大功率雙向可控硅作為執(zhí)行部件對(duì)伺服閥進(jìn)行調(diào)控。

圖3 硬件電路設(shè)計(jì)示意圖

5 控制策略設(shè)計(jì)

控制策略是壓力控制系統(tǒng)的“靈魂”，通過(guò)其對(duì)采集的實(shí)時(shí)壓力信號(hào)以及標(biāo)定壓力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而得出硬件電路的控制信號(hào)。在這個(gè)過(guò)程中，控制策略的計(jì)算速度以及計(jì)算精度都將對(duì)壓力控制系統(tǒng)的性能造成影響。由此可見，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算速度快而且計(jì)算精度高的控制策略是非常必要的。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，PID算法是一個(gè)發(fā)展較早而且應(yīng)用較為廣泛的控制策略，其本質(zhì)是一種線性的控制方法。PID算法具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，而且該算法的計(jì)算復(fù)雜度較低，使得控制效率較理想。常見的PID算法可表述為［9］

其中，KP、KI、KD分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

雖然PID算法具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但由于其對(duì)比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)較為依賴，而且這三個(gè)系數(shù)的確定需要通過(guò)大量的試驗(yàn)才能選取合適，故而對(duì)PID算法的魯棒性以及控制精度造成了不良的影響。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一個(gè)三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的控制策略，其具有學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，控制精度高的特點(diǎn)，能夠?qū)刂骗h(huán)境的變化進(jìn)行自適應(yīng)。對(duì)此，本文將采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)PID算法中的KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)進(jìn)行修正，形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID算法，并用于本文所設(shè)計(jì)的壓力控制系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的控制精度、控制效率以及魯棒性能。

對(duì)于圖4所示的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其輸出可表述為［10］

該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的雅可比行列式的表述為［11］

設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)效率為φ，則PID算法中的KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)修正過(guò)程為［12］

將修正后的KP、KI、KD引入原PID算法中后就行了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID算法。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

6 仿真實(shí)驗(yàn)

在此將利用目標(biāo)追蹤的方法對(duì)本文所設(shè)計(jì)的壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。并將文獻(xiàn)［13］中的壓力控制方法設(shè)立為對(duì)照組，用以和本文壓力控制方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中輸入一個(gè)目標(biāo)壓力曲線，然后利用本文方法以及文獻(xiàn)［13］中的方法，對(duì)設(shè)定的目標(biāo)壓力曲線進(jìn)行追蹤，通過(guò)對(duì)追蹤結(jié)果進(jìn)行分析，以體現(xiàn)本文設(shè)計(jì)壓力控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。

圖5 目標(biāo)壓力曲線追蹤結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其中圖5（a）為文獻(xiàn)［13］中方法的測(cè)試效果，圖5（b）為本文方法的測(cè)試效果。從圖5可見，雖然本文方法和對(duì)照組方法都能對(duì)目標(biāo)壓力曲線進(jìn)行追蹤，但是通過(guò)對(duì)比本文方法的追蹤結(jié)果（見圖5（b））和對(duì)照組中方法的追蹤結(jié)果（見圖5（a））可見，本文方法的壓力追蹤曲線波動(dòng)更小，而且調(diào)節(jié)時(shí)間更短，更貼近于目標(biāo)壓力曲線。說(shuō)明本文方法對(duì)壓力的調(diào)節(jié)具有更好的實(shí)時(shí)性以及準(zhǔn)確性，能夠?qū)μ招緣鹤C(jī)工作過(guò)程中的壓力進(jìn)行精確快速的調(diào)節(jié)，為獲得優(yōu)良的產(chǎn)品提供有力的保障。

7 結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)陶芯壓注機(jī)工作過(guò)程中的壓力進(jìn)行良好控制，本文利用SN8P2704A中央控制器聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID算法設(shè)計(jì)了壓力控制系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的合理性以及優(yōu)越性，表明了該系統(tǒng)能夠?qū)μ招緣鹤C(jī)工作時(shí)所需要的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的控制。