．引言
THP10-10000萬噸數(shù)控等溫鈦合金鍛造液壓機，是我國“十五”期間發(fā)展新型航空航天高新技術工程中所需的重大設備，適用于航空材料等溫超塑性成型新工藝，也適用于有色金屬、武器裝備、船舶、化工機械等溫鍛造超塑成型工藝及其它成型工藝[6]。該機采用新型組合大型框架帶缸滑塊主機結構，滑塊采用5油缸驅動。主油缸是一個可產生60M牛頓壓力的單缸，輔助油缸是4個可產生10M牛頓壓力的單缸，一般工作油壓25Mpa（8000噸壓力），最高工作油壓31.5Mpa（10000噸壓力）。該機要求在等溫鍛造工作速度范圍為0.005mm/s～0.5mm/s內實現(xiàn)恒速控制，即在0.005mm/s～0.5mm/s中的任何一個速度上，在被壓材料形變過程中該速度均應保持不變（恒速度控制）。
2．系統(tǒng)設計
2．1系統(tǒng)分析
該機在等溫鍛造時的動力源為一臺電子比例變量泵。根據(jù)液壓原理可知，電液速度控制系統(tǒng)分閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)兩類。閥控系統(tǒng)用于精度和響應速度高但功率小的場合，泵控系統(tǒng)用于要求效率高、功率大的場合，從現(xiàn)場實際情況分析來看，擬采用閥控系統(tǒng)，即采用閥控液壓缸來達到對速度控制的目的。
由液壓原理知，當閥控液壓缸以速度為輸出時，液壓缸不具有積分特性，因而液壓速度控制系統(tǒng)只具有比例特性而不具有積分特性，其開環(huán)傳遞函數(shù)近似為[1]
——電液速度控制系統(tǒng)開環(huán)增益；
Ki—— 伺服放大器增益；
Ksv—— 伺服閥增益；
Kfv—— 檢測環(huán)節(jié)增益；
AP—— 活塞面積；
可見，沒有加校正環(huán)節(jié)的液壓控制系統(tǒng)為0型系統(tǒng)，即使對階躍的指令輸入也存在穩(wěn)態(tài)誤差，為使0型系統(tǒng)變?yōu)?/span>Ι型系統(tǒng)，液壓速度控制系統(tǒng)不能只采用比例伺服放大器，而應采用比例積分放大器，即電壓放大器應采用PI調節(jié)器。但采用PI調節(jié)器后，隨之而來的是系統(tǒng)的動態(tài)響應大為降低。從實際系統(tǒng)的設計要求來看，液壓機速度變化范圍從0.005mm/s到0.5mm/s，最大速度與最小速度之間相差100倍，也就是說，在液壓機工作過程中，根據(jù)工作現(xiàn)場的實際需要，有可能出現(xiàn)較大的速度變化，因此要求系統(tǒng)要有較高的動態(tài)響應，而同時在恒速運行時又要求速度波動很小，即要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標要高。為了達到設計要求，擬采用積分分離PID控制算法。
2．2 PID控制原理
在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[2]。
圖1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖
PID控制器是一種線形控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實際輸出值c（t）構成偏差：
將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線形組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制。其控制規(guī)律為
式中： KP—— 比例系數(shù)；
TI——積分時間常數(shù)；
TD—— 微分時間常數(shù)；
簡單來說，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：
比例環(huán)節(jié) 及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差；積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)TI。TI越大，積分作用越弱，反之則越強；微分環(huán)節(jié) 能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。
由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此模擬PID控制式中的積分和微分項不能在計算機中直接使用，需要進行離散化處理。以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分對模擬PID表達式處理后，可得位置式PID控制算法的離散表達式為[3][4]：
式中：T— 采樣周期；
k— 采樣序號，k =0，1，2···；
u（k）— 第k次采樣時刻的計算機輸出值；
e（k）— 第k次采樣時刻輸入的偏差值；
e（k-1）—第k-1次采樣時刻輸入的偏差值；
增量PID控制算法的離散表達式為：
式中
2．3 積分分離PID控制算法
在普通的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差，提高精度。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定值時，短時間內會有很大的偏差，會造成PID運算的積分累積，致使算得的控制量超過執(zhí)行機構可能最大動作范圍對應的極限控制量，最終引起系統(tǒng)較大的超調，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。引進積分分離PID控制算法，既保證了積分作用，又減小了超調，使得控制性能有了較大的改善，其具體實現(xiàn)如下：
據(jù)實際情況，人為設定一閾值ε。在實際系統(tǒng)設計中，我們以的值來確定ε值的大小。
當時，也即偏差值比較大時，采用PD控制，可避免過大的超調，又使系統(tǒng)有較快的響應。
當時，也即偏差比較小時，采用PID控制，以保證系統(tǒng)的控制精度。
將以上想法寫成計算公式，即在積分項上乘一個系數(shù)β，β按下式取值：
如位置PID控制，寫成積分分離PID控制的表達式為[5]：
當時，β＝0，液壓機控制系統(tǒng)采用PD控制，PD控制的表達式為：
式中
或
當時，β＝1，液壓機控制系統(tǒng)采用PID控制，PID控制的算法采用增量式PID控制算法，其表達式為：
式中：
或
A、B、C值與前面表達式中的值相同。
有了以上表達式，便可編制出相關的控制程序，在液壓機的實際試驗中，PID算法的實現(xiàn)是采用PLC編程來完成的，編程框圖如圖2所示。
圖2 積分分離PID控制算法程序框圖
1．實驗驗證
3．1 空載實驗
空載實驗結果如圖3所示，縱軸為速度軸，單位：mm/s；橫軸為實時時間軸，顯示為當前的實際時間。從計算機打印的實時速度曲線來看，滑塊從靜止開始，速度從0mm/s跳變?yōu)?/span>0.5mm/s恒速度運行，在此過程中系統(tǒng)響應較快，且沒有出現(xiàn)很明顯的超調；運行一段時間后滑塊速度從0.5mm/s跳變?yōu)?/span>0.1mm/s恒速運行，在此過程中出現(xiàn)相對較大的偏差，但滑塊速度能很快又回到設定值，說明在此過程中系統(tǒng)的動態(tài)響應較好；在滑塊速度從0.1mm/s 變?yōu)?/span>0.05mm/s恒速運行過程中，系統(tǒng)的響應時間有點長。與前面動態(tài)響應對比分析，主要是由于在低速時某些參數(shù)設置不是非常恰當所致，但從整個曲線來看，空載時已基本能滿足恒速度控制的要求。
3．2 負載實驗
負載實驗，形變材料采用變形高溫合金GH4169，尺寸為φ330×255，等溫鍛造溫度為800℃，滑塊運行速度為0.1mm/s恒速運行。從計算機打印的實時速度曲線來看（圖4），剛開始速度有點偏大，但很快回到設定值，說明控制系統(tǒng)的動態(tài)響應在負載時也基本滿足設計要求。在長達20多分鐘的壓制過程中，速度基本不變（圖中所示時間約為6 分鐘左右），也就是說，液壓機在負載運行時，對于單一給定的某一速度值，控制系統(tǒng)對速度的控制，也基本滿足恒速控制的設計要求，從材料最后的成型結果來看，精度控制在實際要求范圍之內。
圖4 負載實驗實時速度曲線
1．結束語
文中所述方案僅為萬噸液壓機在等溫鍛造恒速度、恒應變速率、變應變速率控制系統(tǒng)中的一個試驗方案，在實際應用中，由于需要考慮系統(tǒng)壓力損耗、負載抗力影響，不同條件下的泵流量控制，滑塊下行過程中五缸同步等因素，所以等溫鍛造萬噸液壓機實際控制系統(tǒng)的復雜性遠遠高于文中所述，且總體性能比文中提及的要好出許多倍。在兩年多的實際生產中，該液壓機的控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能良好，滿足了復雜生產工藝的需要。