基于雙PID控制的高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)液壓伺服加載系統(tǒng)淺析

陸彪

上?？菩请娨嚎刂圃O(shè)備有限公司 上海 201106

引言

“高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)加載控制系統(tǒng)”屬于機(jī)電一體化的用于蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)的精密液壓設(shè)備及控制系統(tǒng)，屬新材料試驗(yàn)必備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，在新材料應(yīng)用之前需要對(duì)新型金屬、非金屬材料進(jìn)行高溫高壓情況下材料疲勞斷裂，受應(yīng)力變形，材料的拉伸、壓縮持久、蠕變、松弛試驗(yàn)以及低周疲勞和蠕變疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)方法滿足GB/T2039-1997《金屬拉伸蠕變機(jī)持久試驗(yàn)方法》、HB5151-1996《金屬高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》、HB5150-1996《金屬高溫拉伸持久試驗(yàn)方法》及JJG276-88《高溫蠕變、持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)》的相關(guān)規(guī)定。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

控制要求：達(dá)到壓力設(shè)定值時(shí)，壓力穩(wěn)定在1%（最大壓力16MPa）以內(nèi)，且穩(wěn)定時(shí)間不小于8小時(shí)。

可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上升及預(yù)壓壓下控制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)壓壓下及程序加壓功能。

壓頭上升或下降時(shí)勻速運(yùn)行，加壓時(shí)均勻加壓。

手動(dòng)預(yù)壓模式：對(duì)油缸進(jìn)行預(yù)壓。

自動(dòng)模式：控制PLC提供無(wú)源觸點(diǎn)啟動(dòng)。主令信號(hào)（模擬量）控制。

急停，斷電處理：急停是所有液壓站所有都停止。

升壓時(shí)間：0～30秒（0～20T）。

力主令信號(hào)：-10V～+10V的模擬信號(hào)，力反饋信號(hào)為0～10V。

位移信號(hào)： -10V～+10V。

有停電故障時(shí)，壓力立即卸荷，重新上電時(shí)，壓力從0噸開始執(zhí)行的功能[1]。

系統(tǒng)容量≤5kW，380V/50Hz，三相四線制，液壓系統(tǒng)電磁閥電壓24V/DC，150W。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

電爐蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)系統(tǒng)包括：爐體，真空系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)，溫度控制系統(tǒng)，液壓伺服加壓系統(tǒng)組成，人機(jī)觸摸屏控制界面，PLC程序控制系統(tǒng)，電液伺服控制系統(tǒng)，位移控制系統(tǒng)。

如上圖1所示，電爐蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)一般采用液壓伺服加載控制系統(tǒng)，液壓伺服加載系統(tǒng)包括PLC、液晶觸摸屏控制界面、PID1、PID2、伺服放大器、伺服閥、液壓油缸、壓力傳感器、加法器、三通開關(guān)和轉(zhuǎn)換閥組成。

2.2 系統(tǒng)工作原理

伺服加載控制系統(tǒng)采用雙PID控制方法，包括以下步驟：

第一步為在加載控制系統(tǒng)中設(shè)置PID1和PID2，PID1和PID2并行排列，PID1的比例控制值P不小于2.5，積分控制值I不小于7.5，PID2的比例控制值P不大于0.75，積分控制值I不大于0.35；

第二步為當(dāng)電爐蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)的液壓油缸的壓頭未接觸工件時(shí)，加載控制系統(tǒng)接通PID1的電路，斷開PID2的電路；

第三步為當(dāng)電爐蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)的液壓油缸的壓頭接觸工件后，加載控制系統(tǒng)接通PID2的電路，斷開PID1的電路。

當(dāng)電爐蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)的液壓油缸的壓頭未接觸工件時(shí)，加載控制系統(tǒng)接通PID1電路，斷開PID2電路，由于PID1的比例控制值P不小于2.5，積分控制值I不小于7.5，此時(shí)將積分時(shí)間（T i）常數(shù)加長(zhǎng)，以減小加載至被試材料瞬間力的沖擊，使加載控制系統(tǒng)在預(yù)壓控制時(shí)不會(huì)發(fā)生過(guò)載超調(diào)現(xiàn)象；

當(dāng)電爐蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)的液壓油缸的壓頭接觸工件后，加載控制系統(tǒng)接通PID2電路，斷開PID1電路，由于PID2的比例控制值P不大于0.75，積分控制值I不大于0.35，使加載控制系統(tǒng)在加載控制時(shí)響應(yīng)速度快，且加載系統(tǒng)穩(wěn)定性好，以滿足加載系統(tǒng)的特殊工況要求，所以電爐蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)加載系統(tǒng)的控制方法的響應(yīng)速度快、防止加載系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)載超調(diào)現(xiàn)象[2]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。硬件構(gòu)成：觸摸屏采用西門子7英寸彩色液晶顯示器，具有多屏切換功能，采用800×480dpi寬屏顯示設(shè)計(jì)具有更大的可視面積，RS-485-PPI通信協(xié)議確保精彩系列面板與可以和市場(chǎng)主流的小型PLC 建立穩(wěn)定可靠的通訊連接。

界面采用工業(yè)控制特色的按鍵設(shè)置，主屏能顯示手/自動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)啟/停狀態(tài)。副屏能顯示三個(gè)模擬量棒圖，以及四條模擬量歷史曲線。參數(shù)設(shè)置屏能設(shè)置和修改各種系統(tǒng)參數(shù)。

3.1.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。軟件平臺(tái)：控制軟件選用STEP 7-Micro/WIN-SP4平臺(tái)，該平臺(tái)具有豐富的位邏輯功能和多路12位模擬量控制功能，適合組成高性價(jià)比的工業(yè)及民用自動(dòng)控制系統(tǒng)。軟件結(jié)構(gòu)：軟件采用循環(huán)掃描結(jié)構(gòu)，與觸摸屏組合可構(gòu)成靈活多變的控制形式，通過(guò)控制線可實(shí)現(xiàn)兩地控制，適合工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合的環(huán)境要求。控制功能：通過(guò)遠(yuǎn)程和觸摸屏能選擇手動(dòng)/自動(dòng)，電機(jī)啟/停功能，油缸上升，預(yù)壓（下降），手動(dòng)加壓和自動(dòng)加壓功能。任何時(shí)候能根據(jù)對(duì)應(yīng)按鍵顏色確定控制目標(biāo)的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要就是液壓伺服加載控制系統(tǒng)，核心技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

3.2.1 伺服加載控制系統(tǒng)采用雙PID控制技術(shù)。

3.2.2 加載模擬系統(tǒng)關(guān)鍵元件電液伺服閥的閥套開口改造，采用非線性開口技術(shù)解決加載超調(diào)問(wèn)題。

3.2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用過(guò)濾精度高、通油能力強(qiáng)的疊加式過(guò)濾器，以提高油液清潔度，降低伺服閥故障率，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。液壓伺服系統(tǒng)屬于精密控制系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度伺服閥穩(wěn)定控制，須保證油的清潔穩(wěn)定性能，通過(guò)對(duì)伺服閥實(shí)現(xiàn)單獨(dú)濾油以隔斷污染進(jìn)入伺服閥，影響伺服閥正常工作，設(shè)計(jì)疊加式過(guò)濾器包括固定頭和油濾體。

如圖2所示，固定頭位于油濾體的上面，所述固定頭設(shè)有第一出油通道、第二出油通道和第三出油通道，油濾體設(shè)有進(jìn)油口、正側(cè)橫向通道、左側(cè)橫向通道和右側(cè)橫向通道，與傳統(tǒng)的過(guò)濾器相比，具有安裝結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的特點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 疊加式過(guò)濾器

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決

4.1 本項(xiàng)目要解決的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

4.1.1 壓下油缸從空行程到壓住被試材料的瞬間的力超調(diào)問(wèn)題即無(wú)沖擊加載。

4.1.2 預(yù)加載后，程序加壓時(shí)的響應(yīng)跟隨問(wèn)題。

4.1.3 長(zhǎng)時(shí)間保壓的穩(wěn)定性問(wèn)題。

4.2 解決方案

4.2.1 通過(guò)伺服閥閥套非線性三角開口技術(shù)，模擬數(shù)字化PID軟件技術(shù)解決預(yù)加載超調(diào)問(wèn)題，具體解決方案如下：

4.2.1.1 為使加載瞬間力超調(diào)得以控制，需有一個(gè)可控的預(yù)壓力控制環(huán)節(jié)，通常用電液伺服閥進(jìn)行壓力控制時(shí)，開口閥套與控制閥芯打開瞬間，閥套因?yàn)槭蔷匦伍_口，零位附近工作區(qū)域壓力增益呈現(xiàn)脈沖式的增長(zhǎng)，從而產(chǎn)生壓力超調(diào)。通過(guò)對(duì)伺服閥閥套開口進(jìn)行非線性的改造，將矩形開口改為兩端為三角開口，使三角開口閥套與控制閥芯打開瞬間，零位附近工作區(qū)域壓力增益呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，輸出壓力呈現(xiàn)小信號(hào)既響應(yīng)，又減少壓力增益，以減小加載油缸在空行程到加載被試材料的瞬間的加載力超調(diào)問(wèn)題。

4.2.1.2 為了克服預(yù)壓時(shí)加載力超調(diào)問(wèn)題，克服程序加壓時(shí)的響應(yīng)跟隨與長(zhǎng)時(shí)間保壓的穩(wěn)定性之間矛盾問(wèn)題，伺服加載控制系統(tǒng)采用雙PID控制，預(yù)壓時(shí)采用一套適應(yīng)解決加載力超調(diào)的PID1參數(shù)控制系統(tǒng)，此時(shí)將積分時(shí)間（T i）常數(shù)加長(zhǎng)，以減小加載至被試材料瞬間力的沖擊，克服超調(diào)。程序加壓時(shí)采用另一套PID2參數(shù)控制系統(tǒng)，將P值和I值調(diào)至最佳，既滿足響應(yīng)快，又兼顧穩(wěn)定性的雙重要求，由于采用了模擬數(shù)字化PID程序及觸摸屏界面，PID參數(shù)任意設(shè)置，場(chǎng)景式的操作菜單顯示，在不同菜單之間的切換簡(jiǎn)單明了。

4.2.2 通過(guò)模擬數(shù)字化PID軟件技術(shù)解決程序加載快速響應(yīng)和長(zhǎng)期保壓穩(wěn)定性問(wèn)題。

由于蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)都要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，易產(chǎn)生大量的熱量，而伺服閥零件閥芯閥套的間隙配合較小，在高溫下容易卡死。

通過(guò)改進(jìn)閥套，閥芯配磨的工藝，對(duì)伺服閥閥芯閥套間隙配合進(jìn)行高溫烘烤試驗(yàn)，找到最佳配合間隙，從而保證伺服閥在高溫下正常運(yùn)行，減少系統(tǒng)故障率，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2.3 通過(guò)場(chǎng)景化觸摸屏界面操作菜單式切換軟件技術(shù)提高了系統(tǒng)參數(shù)的任意設(shè)定，修改，系統(tǒng)有更快的數(shù)據(jù)處理速度，效率提升600%以上，并使得PID控制調(diào)節(jié)響應(yīng)迅速，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，窗口可視化的PID調(diào)節(jié)，立即顯現(xiàn)PID參數(shù)調(diào)節(jié)的結(jié)果，設(shè)定信號(hào)曲線，響應(yīng)曲線，均以不同顏色實(shí)時(shí)顯示，使PID不再“看不透摸不著”。

5 結(jié)束語(yǔ)

“高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)加載控制系統(tǒng)”采用雙PID控制技術(shù)、伺服閥的閥套開口采用非線性開口技術(shù)以及采用過(guò)濾精度高、通油能力強(qiáng)的疊加式過(guò)濾器，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到壓力設(shè)定值時(shí)，壓力穩(wěn)定在1%（最大壓力）以內(nèi)，且穩(wěn)定時(shí)間＞8小時(shí)，該系統(tǒng)還能對(duì)油壓進(jìn)行預(yù)壓，實(shí)現(xiàn)壓力穩(wěn)定調(diào)節(jié)，另外，本系統(tǒng)的控制PLC提供無(wú)源觸點(diǎn)啟動(dòng)，主令信號(hào)控制，電壓與輸出力呈線性關(guān)系，給定相同的電壓，輸出相同的壓力，且誤差不超過(guò)1%（0.2T）。與現(xiàn)有技術(shù)相比，預(yù)壓超調(diào)度、程序加壓的響應(yīng)速度、保壓穩(wěn)定性遠(yuǎn)超同行業(yè)水平，目前該系統(tǒng)已遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品的性能，是新材料試驗(yàn)精度高最高、穩(wěn)定性最好的高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)加載控制系統(tǒng)。