充液成形設備內高壓穩態控制分析

文／米新征，張揚，賈振越，張紹君·天津市天鍛壓力機有限公司

通訊作者：張揚，男，工學學士，高級工程師，主要研究方向為先進充液成形數控液壓機及生產線、航空金屬成形設備，13920331827@qq.com

文中主要研究充液成形設備中增壓缸內高壓的優化控制方案。充液成形相比較傳統的成形工藝具有提高剛性，因一體式成形同樣能夠減少零件的重量，根據充液成形一體化成形的工藝特點，作為充液成形工藝的主要參數，充液壓力的控制變得尤為重要，實際工況產生各種特殊情況，造成控制環境跟理想控制模型出入較大，基于傳統的經典控制方案不能夠滿足充液成形的復雜工藝要求，現場模具的密封條件，增壓器增壓能力等因素都會造成內高壓控制不穩定，嚴重影響零件成形效果，所以本文根據實際使用情況提出一種內高壓穩態控制方案，通過引入新參數的控制，實現內高壓穩態控制，同時能夠適應充液成形的復雜工藝?？刂葡到y硬件基于基本控制方案，控制器使用PLC 控制器，通過擴展模塊采集數據和輸出數據，高壓傳感器、高頻響應閥和控制器系統全部采用高速模式。優化的目的首先是使算法克服實際跟理想模型不一致所造成的壓力控制不穩定等問題，其次是進一步實現工藝生產中的復雜要求。

充液成形技術已經廣泛應用于航空航天、汽車船舶、電氣等諸多領域?；诔湟撼尚喂に囂攸c具有一體化成形的優勢，對于形狀不規則的工件，相比傳統的拼焊工藝大大簡化繁瑣的工藝流程，在人力物力上節省了很多的資源，同時其外形美觀，無褶皺，在輕量化、穩定性、強度等性能上有很大的提升，所以在航空航天和船舶制造等領域一直被廣泛的應用，在對零件輕量化要求比較高的行業，優勢體現的更加明顯，也變得更加重要。內高壓充液成形工藝具有改善變形均勻性、增加結構剛度，提高可成形性的優勢。

隨著國內工業發展愈加成熟，在民用領域中如汽車、家電、建材等行業開始逐漸應用各種充液成形工藝，并對原有零件成形工藝進行升級優化，包括以充液成形為基礎的內高壓脹形等其他工藝手段都不斷地在優化自己的生產工藝，使零件提高到更高剛性的同時減少重量和成本的投入，尤其是在新能源汽車行業。新能源汽車對于輕量化要求較高，其中板式充液成形和管式充液成形工藝能夠涵蓋汽車生產制造的大部分結構工件和覆蓋件，基于充液成形的特點，其相比傳統焊接拼裝零件的重量減少1/3，能夠給汽車本身減輕很可觀的重量。尤其對于新能源汽車來說，能夠提高剛性的同時減輕部分重量，能夠大幅提升新能源汽車的行駛里程。

內高壓系統

圖2 為內高壓系統簡圖，整個系統主要由油泵、伺服閥、位移尺、增壓器、模具、高壓傳感器等構成。

圖3 為液壓系統工作流程圖，首先通過液壓油泵提供穩定流量的液壓油源給高頻響應閥，通過高頻響閥控制增壓器的位移來使增壓器前進或者后退。通過增壓器液壓缸的前進或者后退進一步控制增壓器的模腔進行注水，隨著封閉模腔內部的水增多逐步開始產生高壓。

控制系統

電氣控制系統硬件構成

由圖4 可知，電氣控制系統主要由人機界面、PLC 控制器、高壓壓力傳感器、位移傳感器、高頻響應閥等構成。

⑴其中PLC 控制器采用西門子1500 系列，優點是CPU 位指令處理時間最短可達1ns，集成運動控制可高達128 軸，通過PROFINET 通訊協議交互數據速度高且穩定，信號抗干擾能力強，CPU 程序掃描周期能夠達毫秒級別。

⑵高頻響應閥采用的是MOOG 高頻響應伺服閥，其優點是無零位死區，高精度、高頻響，較低的油液清潔度要求，可靠性高等。采用-10V ～+10V 電壓信號控制，閥芯控制反應速度能夠達到毫秒級別，能夠很好匹配PLC 的反應速度。

⑶傳感器模塊采用西門子模擬量輸入高速模塊，采集速度快，周期短。

電氣控制流程

圖5 為電氣控制流程圖，由人工通過人機交互界面輸入工藝需求的壓力目標參數給到PLC 控制器，PLC 控制器內部通過既定運算得出合理的參數，再通過輸出模塊輸出相對應的驅動電壓值驅動高頻響應閥運動，從而控制增壓缸進行前進或者后退運動。位移傳感器采集增壓缸的位移參數發送給PLC 控制器，PLC 控制器對位移參數進行分析判斷得出增壓缸相關運動參數，同時增壓器前進給封閉腔體內的水進行加壓，壓力實時值通過壓力傳感器反饋到PLC 控制器，PLC 控制器通過運算方案對當前實時的壓力值和人機界面收到的目標壓力值進行比對處理后，再通過算法計算得出需要更正補償的高頻響應閥的輸出值，通過不斷且高速的進行采集、處理、運算、更正、輸出補償等動作得到穩定的無限接近目標值的實際壓力值，實現壓力控制。

控制方案

PID 控制原理及效果

PID 控制理論是目前工業自動控制系統中應用最成熟的控制理論，在實際生產應用中基于該理論的PID 控制方案已經廣泛應用到各種運動控制系統中。

圖6 為PID 控制基本模型，基于該理論模型產生的算法在實際工業生產中被大量的應用，同時，由于不同的控制方式和控制需求，衍生出很多基于該理論的優化方案，其中連續控制系統的PID 控制器數學模型為：

⑴比例環節。

其作用是成比例地反映控制系統的偏差信號，即輸出與輸入偏差成正比，可以用來減小系統的偏差。

通過公式⑵可知，u 值跟e 值之間成比例關系，系數為Kp，通過調整Kp能夠減小輸出值和實際值的偏差，比例系數Kp越小，則系統消除偏差的時間越長。當Kp的值越大時，到達目標值的時間越短，同時超調和振蕩越大，降低了系統穩定性。所以Kp參數要根據實際應用情況進行兼容調整，要兼容縮短到達目標值的時間，也要兼顧系統穩定性。

⑵積分環節。

其作用是消除系統控制過程中的穩態誤差，即實際值和目標值之間穩定狀態時的差值。

其中∑e 為累計偏差，Kp為比例系數，Ki為積分系數，通過比例積分公式可以知道積分作用是對偏差e 進行積分，只要存在偏差，積分環節會一直累積，無限的減小穩態誤差，實現實際值無限接近目標值。通過調整Kp常數來調整積分作用的強弱，但是Ki的值越大，其達到目標值的時間越短，同時會出現超調和振蕩，同樣會降低控制系統穩定性，所以調整積分參數時也要根據實際應用兩者兼顧，不是積分作用越強越好。

⑶微分環節。

微分環節的作用就是提前減弱輸出，減小超調量。

其中Kd為微分系數，ek為第k 次偏差，ek-1為k-1 次的偏差。微分環節通過減小比例和積分環節的作用，從而減小輸出達到限制超調量的大小，所以在實際應用中會通過不斷地調整比例、積分、微分三個環節作用強弱來實現控制輸出大小和快慢，能夠快速穩定地達到目標值。

在常規的應用中，西門子的編程軟件提供了標準的連續控制功能塊CONT_C，方便使用者使用。在實際應用時可以直接調用該功能塊，通過連接相關引腳參數的改變調節整個PID 控制器，減少了編程人員的工作量。以圖7 所示為例，分別將水壓的設置值、壓力傳感器反饋回的壓力實際值、比例參數、積分參數連接到相關引腳，輸出的上下限分別設置+100 和-100，表示能夠使伺服閥輸出+10V ～-10V、運行周期設為10ms，使能打開后即可以正常調試了，期間通過不斷優化比例參數和積分參數值，實現控制引腳LMN 的輸出值給伺服閥，實現輸出的壓力值跟期望的目標值相符。

經過反復調試比例環節和積分環節最終得到實際壓力值，如圖8 所示，壓力目標值為150MPa，增壓開始后壓力值迅速上升，達到目標值后繼續增長，一直到170MPa 后又迅速回調到148MPa 左右，保持在148 ～152MPa 之間以固定振幅振蕩，控制狀態不夠穩定。在實際應用中，大多數工況下不能完全實現模型中的理想環境，比如模腔密封效果不良導致漏水、在充液成形過程中工件受力變形時非線性地導致水壓在某個時刻突然激增等問題，都會顯現純PID 控制方式在控制上的不足，不能更好地適應現場更復雜的工況。

新參量控制及效果

在最初控制壓力目標值的基礎上加入新的控制目標值：增壓速度，如圖9 所示，這樣就能夠更全面描述壓力增長的過程，將壓力的變化速度作為新的參數引入，即定義壓力增長的速度為正向速度，壓力下降時的速度為負向速度。

在運動開始，即實際壓力值沒有達到設置壓力值時閉環的輸出要求以壓力的增長速度為主要參數，使壓力值按照既定的增壓速度進行增壓，接近目標壓力值后開始使速度作線性運動到達指定的目標值，整體上使整個運動過程線性化，更好更方便地控制。

圖10 為加入新參數后的效果，能夠看出壓力值在達到既定的目標值(150MPa)之前是很線性的升壓過程，按照既定的斜率增壓到目標值，第一次壓力達到后的超調值不大于0.5MPa，之后壓力值穩定在149 ～150MPa 之間，成持續穩定狀態，控制效果良好，能夠適應實際工況的復雜多變性。

圖2 電控系統簡圖

圖3 系統工作流程圖

圖4 電氣系統組成簡圖

圖5 電氣控制流程圖

圖6 PID 控制模型圖

圖7 西門子PID 功能塊

圖8 PID 調試效果

圖9 速度PID 功能塊

圖10 PID 調試效果

結束語

本控制方案的基礎是經典PID 算法，在原來的只控制目標參數的基礎上引入控制過程中的另一個參數進行提前控制，控制過程涵蓋整個運動過程，能夠更加符合目標實際的運動模型，達到更好地控制目標值的方式。在整個控制過程中通過模擬實際運動模型，進行兩個參數控制的銜接切換，該工藝能夠更好地適應充液成形的復雜工藝，在實際充液成形過程中內高壓的壓力值會根據成形工藝呈不穩定、不規律、非線性的變化，在某個成形階段會需要更快的時間達到穩定的目標值，下一階段需要比較慢的達到壓力目標值，同時對整個控制的超調值有嚴格要求，超調值太高可能會造成零件成形不合格。

經過多次的實際應用，該內高壓控制方案能夠滿足板式或管式充液的工況要求，同時對油液脹形設備適用，成形過程中內高壓壓力值能夠很好配合模具工藝的各種動作，也滿足一些小型的工件成形實驗設備的需求。