密煉機上頂栓位置控制系統研究

成亞云 陳 云 季海燕

（南通理工學院 機械工程學院，南通 226001）

目前，橡膠工業約90%的膠料靠密煉機混煉。就輪胎加工業而言，混煉階段橡膠質量的好壞不僅影響輪胎的使用壽命，也會影響車輛駕駛的安全性。控制上頂栓位置是保證產品質量、提高生產效率的一種關鍵技術[1]。國內的密煉機上頂栓結構往往采用開環控制，但是由于系統復雜，混煉過程難以得到有效控制。本研究以實驗用小型密煉機上頂栓的位置為研究對象，采用電液比例閥為控制元件，以安裝在上頂栓橫梁上的位移傳感器為測量元件，與上頂栓橫梁剛性連接的兩液壓缸為執行元件，以AMESim為設計平臺，對兩缸位置進行建模仿真。

1 上頂栓組成

本文研究對象為實驗用小型密煉機。上頂栓主要由左右液壓缸、上橫梁、上頂栓壓砣以及壓桿等部件組成。橫梁兩端與兩液壓缸活塞桿剛性相接，液壓缸筒固定不動且活塞桿垂直向上。液壓缸有兩個工作腔，分別是有桿腔和無桿腔。密煉機上頂栓工作循環流程為“原位待機—快升—慢升—高位停止—快降—慢降—沖壓—返回”，上頂栓上升或下降動作由液壓缸活塞桿帶動[2]。上頂栓上升時，液壓缸無桿腔進油，有桿腔出油，活塞桿伸出，上頂栓遠離密煉室；上頂栓下降時，液壓缸無桿腔出油，有桿腔進油，活塞桿縮回，上頂栓靠近密煉室。

上頂栓位置控制系統主要由電液比例閥和位移傳感器組成。它以位移傳感器為測量元件，被控對象是上頂栓，被控量是上頂栓位置。將位移傳感器安裝在上頂栓橫梁上，既使得傳感器免受伺服電機的磁場干擾，又能提高系統的集成度，大大提高了系統性能。橫梁與負載也是剛性連接，傳感器測得的上頂栓位移量即負載的位移。

2 上頂栓位置控制系統設計

上頂栓液壓系統采用伺服電機驅動定量泵，最終控制上頂栓的輸出，主要由控制器、伺服驅動器、伺服電機、雙向定量泵、上頂栓和傳感器組成。位移傳感器安裝在上頂栓橫梁上，測得的信號會反饋到控制系統，將反饋信號與上位機設定信號相比較得出位移偏差。經比例-積分-導數（Proportion-Integral-Differential，PID）控制器處理后，控制信號又經過放大器放大轉化為模擬量電壓，傳遞至伺服電機線圈兩端改變其電壓，從而改變電機轉速和轉向。此時，雙向定量泵的流量大小及輸出油液的方向也作出相應改變，從而有效控制上頂栓的位置。

3 基于AMESim的液壓模型仿真

3.1 仿真軟件介紹

AMESim是法國IMAGINE公司開發的一款多領域液壓系統仿真集成平臺，主要用于液壓機械系統的建模、仿真與動力學分析，為流體傳動提供了一個完善、優越的仿真環境與靈活的解決方案[3]。

3.2 AMESim液壓模型建立

為了方便建模，將壓砣、橫梁簡化成一個整體的質量塊，忽略運行中的摩擦力、外界干擾以及其他液壓系統的影響。圖1為建立上頂栓位置控制系統液壓模型，設置元件參數，液壓缸直徑63 mm，活塞桿直徑45 mm，活塞最大行程250 mm，液控單向閥和普通單向閥開啟壓強0.03 MPa，泵轉速1 000 r·min-1，泵排量50 mL·r-1，電機功率5 kW。仿真類型采用固定步長方式，求解器采用ode3，仿真時間為5 s，其他默認。

根據上頂栓的運行過程，可以得出液壓系統最大流量出現在上升的快進階段，此時速度最大，達到56.67 mm·s-1。設上頂栓處于最低點定為原位，活塞桿的最大行程為0.25 m，上頂栓從原位運行到沖壓部位的時間是5 s。反復調整PID值，Kp=1，Ki=0.5，Kd=0.001，設置階躍信號為-0.2 m，仿真時間為5 s，通過仿真得到上頂栓階躍響應曲線如圖2所示。結果顯示，系統超調量不大，但達到穩定狀態的時間大于2 s，上升時間長。系統響應過慢會導致上頂栓混煉效果的不均勻性，但是若一味注重提高快速性，調整PID參數，又會影響系統的穩定性[4]。

位移傳感器隨時檢測上頂栓位置，當位置偏差較大時，要求系統能快速跟蹤，在位置偏差較小時，要求系統能準確跟蹤。但是，位置伺服系統要求快速、準確、無超調的響應特性，用常規PID調節器不容易滿足系統高性能的要求，特別是實際工作過程存在時變性和液壓元件滯環、飽和、泄漏等非線性特性和眾多外部干擾因素等情況。使用常規PID算法控制上頂栓工作過程得到上頂栓位置-時間曲線，主要反映密煉機一次混煉全行程中上頂栓系統的跟隨特性。曲線顯示位移根軸曲線在接近設定值時速度緩慢，系統在上升沿和下降沿的反應不夠迅速，系統響應慢，系統的滯后性較大，表明對周期信號的跟隨效果不太理想。

因此，使用AMESim的優化設計功能模塊中的遺傳算法功能對PID控制器的參數進行優化，以期尋找滿足系統穩定性、準確性和快速性的最優解，提高位置控制系統的準確性。

4 遺傳優化及結果分析

遺傳算法求解PID參數優化問題的主要思路是將Kp、Ki、Kd這3個參數編碼生成初始種群進行適應度函數的計算，以最大遺傳代數為終止條件，若滿足，則輸出PID最優解，若不滿足，則適應度大的染色體保留，在全部染色體中隨機選擇PID參數作為子代染色體，再進行交叉、變異，并在多次迭代后獲得最優PID參數[5]。在AMESim參數模式下，通過批處理分析確定PID的大致參數范圍，Kp為0～100，Ki為0～20，Kd為0～10。將Kp、Ki、Kd設 置為Global Parameters，選擇optimization中的遺傳算法進行3個參數的優化。設定種群規模為30，交叉概率為60%，變異概率為5%，最大遺傳代數為50。運行經過50代進化得到優化后的PID參數為Kp=45、Ki=0.4、Kd=0.001。系統采用優化后PID參數進行控制，得出上頂栓位置跟隨預設曲線的變化如圖3所示。

由圖3可以看出，設定的位移-時間曲線與跟蹤的曲線重合度較高，位置系統對密煉機的一次周期性行程的跟隨誤差非常小，能達到性能要求。0～5 s為上頂栓從原位上升至最高點，從第5 s開始上頂栓開始下降，3 s后轉為慢速接近密煉室上方，然后行程終止，開始10 s混煉時間。此過程中密煉室封閉，壓力保持不變，之后再原路回到原點。仿真結果表明，采用遺傳算法優化位置控制系統的PID參數后，系統能較好地追蹤設定位移曲線，誤差非常小，性能較從前明顯提高。

5 結語

利用AMESim液壓仿真軟件設置元件參數，對實驗用小型密煉機的上頂栓位置控制系統進行仿真。結果表明：和常規的PID算法控制策略相比，遺傳算法優化后的PID參數能更精確控制上頂栓的移動，顯著提高控制系統對周期位置信號的跟蹤精度，減小系統響應誤差。此上頂栓位置控制系統的研究能保證兩同步液壓缸按預設軌跡做跟隨運動，從而提高密煉機的生產效率，可以為今后密煉機上頂栓工作全過程的智能控制研究提供參考。