基于模糊PID的閃光焊機液壓系統(tǒng)的壓力同步控制研究

王睿，張軍偉，梁濤，高忠林

(1.河北工業(yè)大學控制科學與工程學院，天津300130;2.天津七所高科技有限公司，天津300409)

閃光對焊作為一種高效的焊接手段被廣泛地應用于機電、建筑、冶金、交通石油鉆探等行業(yè)。閃光對焊的原理:固定夾具和活動夾具將被焊件夾緊，接通焊接變壓器，然后向前移動活動夾具，在焊件接觸端面輕微地接觸時，開始通電加熱，并在接觸點加熱處形成液態(tài)金屬過梁，過梁爆破產(chǎn)生火花噴射，形成連續(xù)的閃光，此階段稱為閃光對焊的閃光階段。當閃光加熱達到一定溫度時，活動夾具突然加速，以一定的壓力使焊件熔化的端面互相擠壓，焊接區(qū)域發(fā)生塑性變形，接合面處交互結(jié)晶，形成牢固的焊接接頭，該階段稱為閃光對焊的頂鍛階段［1］。

1 閃光焊機的頂鍛液壓系統(tǒng)組成

頂鍛液壓系統(tǒng)是閃光焊機中非常重要的一個液壓回路，鋼坯的閃光焊接是否成功，取決于鋼坯的送進速度是否與閃光曲線一致。在閃光階段，為了保證閃光穩(wěn)定而激烈地進行，不得發(fā)生間斷閃光和短路現(xiàn)象，頂鍛液壓系統(tǒng)以較小的速度向前送進，確保鋼坯的送進速度等于鋼坯的燒化速度。在頂鍛階段，活動夾具以較高的速度向前送進，迅速封閉熔化端面間隙，并且以一定的壓力使熔化的端面互相擠壓，其產(chǎn)生足夠的塑性變形，達到永久連接的目的［2－3］。該階段必須滿足兩個條件:第一要有足夠大的頂鍛力，以便使接頭產(chǎn)生應有的塑性變形，第二要有足夠大的頂鍛速度，以排除氧化物和液態(tài)金屬。頂鍛液壓系統(tǒng)在整個閃光焊機液壓系統(tǒng)中占有重要的位置。

閃光焊機的頂鍛液壓系統(tǒng)組成如圖1所示。頂鍛液壓系統(tǒng)的油路分析:高壓油液從P口，經(jīng)過單向閥1，流至先導減壓閥2減壓。當先導電磁換向閥4左路接通，液壓油流入頂鍛液壓缸大腔，溢流閥3和串聯(lián)在回油路上的節(jié)流閥控制調(diào)節(jié)流出頂鍛液壓缸的油液流量，從而控制頂鍛液壓缸的送進速度;當先導電磁換向閥右路通，液壓油由單向閥流入頂鍛液壓缸小腔，頂鍛液壓缸大腔的液壓油流入出油口。達到快速返回的目的。

圖1 閃光焊機頂鍛液壓系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 閃光焊機的頂鍛液壓系統(tǒng)數(shù)學模型

閃光焊接閃光階段的實質(zhì)是稱作過梁的液態(tài)金屬在焊件間隙中形成和快速爆破的交替過程。在閃光開始階段，由于焊件端面溫度較低，過梁從形成到爆破所需時間較長，因此必須在較低的送進速度下才能激發(fā)閃光，隨著閃光的進行，端面溫度逐漸升高，同樣功率下過梁從形成到爆破的時間逐漸縮短，所以閃光階段一般采用加速送進以保證爆破的連續(xù)［4］。閃光焊接的閃光過程實質(zhì)為加速度位置隨動系統(tǒng)。在閃光焊接的頂鍛階段，活動夾具以較高的速度向前送進，迅速封閉熔化端面間隙，并以一定的壓力使熔化端面互相擠壓，使其產(chǎn)生足夠的塑性變形?？紤]閃光階段和頂鍛階段對系統(tǒng)的不同要求，提出了壓力－位置混合控制策略，以達到高質(zhì)量的閃光焊接，其原理如圖2所示。

圖2 閃光焊接控制原理圖

閃光焊機的頂鍛液壓系統(tǒng)的負載是慣性負載，其驅(qū)動力控制框圖如圖3所示。

圖3 驅(qū)動力控制系統(tǒng)框圖

圖中:Ka為控制放大器增益;Kp為電液控制閥的壓力增益，K為力傳感器的比例系數(shù);ω 為flm機械諧振頻率，;δm為機械阻尼系數(shù)，ω0為綜合諧振頻率，ωh為液壓諧振頻率，ε0為 綜 合 阻 尼 系 數(shù)， ε0=

3 基于二級模糊PID的閃光焊機的頂鍛階段的壓力同步控制

大截面鋼坯的閃光焊接屬于連續(xù)閃光對焊，是實現(xiàn)無頭連續(xù)軋制的關鍵技術(shù)之一。連續(xù)閃光對焊的焊接工藝主要包含兩個階段:閃光階段和頂鍛階段。頂鍛階段要求活動夾具能夠瞬間提供較大的頂鍛力和頂鍛速度。焊接截面為130 mm ×130 mm的方形鋼坯時，頂鍛時間一般小于1 s，頂鍛力要達到500 kN以上。鋼坯閃光焊接頂鍛階段的頂鍛力的大小直接影響焊接的效果。針對閃光焊機的頂鍛液壓系統(tǒng)，其模糊PID控制策略如圖4所示，是一種綜合“同等與主從方式”的二級模糊PID同步控制策略。在圖4中，設置系統(tǒng)的第一個通道為基準通道，通道PID控制參數(shù)為KP1，KI1，KD1;第二個通道為同步通道，通道PID控制器參數(shù)為KP2，KI2，KD2;r(t)是系統(tǒng)理想壓力輸入，t是時間變量，yi(t)是系統(tǒng)第i(i=1，2)通道的壓力輸出，ui(t)是系統(tǒng)第i(i=1，2)通道控制器的控制輸出，ei(t)=ri(t)－yi(t)是系統(tǒng)第i(i=1，2)通道的跟蹤壓力偏差，esyn(t)=y1(t)－y2(t)是系統(tǒng)兩條通道的同步壓力的偏差。這樣具有二級結(jié)構(gòu)的模糊PID控制策略可以解釋為:(1)第二通道與第一通道“同等”地跟蹤系統(tǒng)理想運動的輸入;(2)第二通道同時還以第一通道為基準，進行“主從”通道間同步誤差的調(diào)整控制。也就是說基準通道的性能主要體現(xiàn)整體系統(tǒng)的跟蹤響應性能;同步通道的性能主要體現(xiàn)兩通道間同步誤差的動態(tài)抑制性能［5－6］。

圖4 送進液壓系統(tǒng)二級模糊PID控制原理框圖

(1)根據(jù)系統(tǒng)的跟蹤性能和同步誤差性能的要求選取相應的模糊變量，并結(jié)合硬件的可實現(xiàn)性，選取跟蹤誤差e2(t)和通道間的同步誤差esyn(t)為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出控制量為各PID控制參數(shù)KP，KD，這里為了提高系統(tǒng)硬件運算速度和簡化控制器設計略去了積分控制參數(shù)的設計。 (2)變量模糊化。(3)確定隸屬度函數(shù)和模糊決策規(guī)則，這里采用的是三角形函數(shù)。(4)模糊控制輸出及其解模糊。

4 結(jié)果分析

圖5繪出了常規(guī)PID控制實際運行曲線。圖5(a)繪制了各通道壓力跟蹤曲線，圖5(b)繪制了兩通道壓力跟蹤誤差曲線和兩通道間的同步偏差曲線。圖6繪出了二級模糊PID控制實際運行曲線。圖6(a)繪制了各通道壓力跟蹤曲線，圖6(b)繪制了兩通道壓力跟蹤誤差曲線和兩通道間的同步偏差曲線。

圖5 常規(guī)PID控制響應曲線

圖6 二級模糊PID控制響應曲線

通過圖5(a)和圖6(a)對比，可以發(fā)現(xiàn)二級模糊PID控制有效地提高整個系統(tǒng)的跟蹤響應能力，兩條通道的壓力的跟蹤誤差由常規(guī)PID控制情況的將近0.5 MPa到接近為零。從圖5(b)和圖6(b)對比中可以看出，二級模糊PID控制在提高系統(tǒng)響應能力的同時還具有較高的靜態(tài)同步精度，常規(guī)PID控制情況的同步誤差為0.3 MPa，模糊PID控制情況為0.1 MPa以內(nèi)，兩者基本一致。因此閃光焊機送進電液伺服系統(tǒng)的仿真控制結(jié)果證實了二級模糊PID控制策略較常規(guī)PID控制策略具有更高的系統(tǒng)跟蹤性能和同步控制品質(zhì)。

【1】電阻焊專業(yè)委員會．電阻焊理論與實踐［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1995．

【2】趙熹華．焊接方法與機電一體化［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2001．

【3】趙熹華．壓力焊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1999．

【4】盧寧，付永領，孫新學，等．鋼坯閃光焊接液壓系統(tǒng)研究［J］．液壓與氣動，2005(7):3 －7．

【5】管楊新，胡大邦，王奕豫．電液位置同步伺服控制系統(tǒng)的模糊控制研究［J］．機床與液壓，2002(2):83－85．

【6】劉永利，徐兵，楊華勇．液壓電梯控制系統(tǒng)的兩級控制器設計［J］．浙江大學學報:工學版，2004，38(2):222－225．