摘要：随着压铸机的应用越来越广泛，其压射的速度也越来越受到重视。压铸机在工作过程中由于液压元件的节流特性及液压动力元件的死区、滞环和限幅等因素使系统具有较强的非线性。为了提高压铸机快压射阶段速度系统的鲁棒性，提出一种基于逆模型的控制算法。建立速度系统的非线性模型；分析系统的可逆性，将系统线性化为伪线性系统；利用反馈控制设计线性系统控制器，实现对系统的控制。利用MATLAB验证基于逆系统方法的压铸机快压射速度控制的有效性。
关键词：速度控制系统；非线性系统；逆系统方法；反馈控制
引言
压铸机作为有色金属铸件的生产设备，被广泛应用在智能制造的各领域中，压铸系统性能优劣直接决定了铸件产品的品质。由于蓄能器、控制阀以及液压油可压缩性和管路损失等非线性因素的存在，压射速度控制系统存在很强的非线性。模糊PID技术具有不依赖精确的数学模型、鲁棒性强的优点而在非线性系统被广泛应用。将变论域思想和模糊PID控制相结合，通过建立变论域模糊PID控制器数学模型，运用模糊推理的方式完成PID参数在线自整定，这样不仅保留了常规PID控制原理简单、鲁棒性强等传统优势，也有效地克服了传统模糊控制稳态精度不高的缺点，变论域模糊PID在适应性以及控制精度上都有所增强。
1快压射起点位置对压铸的影响
现代压铸机大多采用三级压射，即慢速压射、快速压射和增压压射。慢速压射阶段压射冲头以较慢的速度运动，使金属液充满压室前端并堆聚在内浇口前沿，同时使压室内空气慢慢排出；快速压射阶段，压射冲头以较快的速度运动，使金属液充满整个型腔及浇注系统；增压阶段压射冲头继续前进，冲头速度逐渐降为零，由于提供了较高的保压压力，从而增加了铸件的致密性，减少了铸件冷却收缩。
2伪线性系统控制器的设计
控制器设计的任务就是按照各种不同的方法选定调节器，使设计的控制系统能够具有所需要的运动规律。伪线性系统控制器的设计关键就是构造一个合适的控制系统，使其输入输出的动态特性方程为y（n）（t）+an－1y（n－1）（t）+……+a0y（t）=r（t）其中：a0，a1，．．．．．．，an－1为一组任意实数；r（t）为参考输入。根据压铸机的控制要求，控制系统应在存在干扰时具有较强的鲁棒性和稳态无差性。
3Simulink仿真比较
压铸机压射速度控制工艺要求是：在慢压射初期，以排空气为目的，速度控制一定要精准且必须是匀加速运动，平稳无抖动。在这一阶段，动力源主要是泵控液压油，所以在这一阶段运行影响速度性能的因素很少，响应速度要求也不高，系统可以很好地满足工艺要求的速度条件，控制可以很稳定。第一阶段速度控制范围可以在0.01~1m/s。在快速压射阶段，以阶跃信号为输入，必须保证系统响应快速，且要求速度达到设定范围，以保证金属液在没有凝固前快速充满型腔。在这一阶段，动力源为蓄能器中储存的氮气压力。快速压射阶段，蓄能器压力通过插装阀瞬间快速释放，以达到所需工艺速度要求。这对系统的速度控制稳定性有很大的挑战。第二阶段速度控制要求范围为1~10m/s，且响应速度越快越好，超调量小于5%。
4压射曲线的修正
国内压铸机压射系统慢速及快速运动行程的控制大多由感应开关的位置决定，一般在试压铸生产中根据产品调定后不再改变，调整不灵活。压铸生产中大多采用人工舀料的方式完成金属液的浇注，舀料量全凭操作人员的经验，由于金属液浇注量的多少直接影响快压射起点的位置，若不能根据浇注量的误差来调整快压射起始位置，会影响浇注质量及生产效率。为了解决上述问题，现代压铸机的浇注系统一般都是利用定量浇铸机械手来完成，它是通过闭环控制使注入压室内的金属液容量恒定，而压射曲线不变。现提出一种在人工舀料的情况下，通过检测浇入压室内的实际金属熔液量来修正压射曲线（即快压射起点的位置），达到无论浇注偏多还是偏少都能使金属液前端到达内浇口时再进行快压射的目的。
5算法仿真
在Matlab/Simulink平台搭建系统仿真框图来验证本算法的有效性。式（1）为高阶零型系统
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查阅JS280型压铸机的各参数指标并代入式（1）中，利用主导极点法对传递函数进行降阶处理，可以化简得到压射速度控制系统的三阶开环传递函数如式（2）所示：.png)
压射速度控制系统要求冲头匀速运动时无抖动、平稳性好、系统对阶跃信号的响应快速；此外，控制系统对外部的蓄能器压力、油温变化引起的扰动具有负反馈调节，输出响应保持平稳、鲁棒性好。在慢速压射过程中，压射活塞从静止到设定速度需要保持匀加速状态，压射系统在起始阶段吸收外部蓄能器油压动力，在较短的行程里以极其平稳的速度推动压射活塞到金属浇注口而不能让金属液溢出，即使在较高的充料水平下也要维持这种平稳性。在快速压射过程中，系统应该以最大加速度达到铸品工艺要求的充型速度。在Matlab中用S函数实现变论域模糊PID控制算法，再利用Simulink提供的模块建立仿真框图。当系统空载时，采用幅值为1.0的阶跃信号作为激励源，速度上升时间tr为22ms、超调量为2.5%、稳态误差为1.25%，系统性能优良。系统空载时，提供斜率为80的斜坡信号作为系统的激励信号，仿真结果表明系统的加速度是79.89m/s2，其动态误差为1.3%。在速度达到最高峰值后出现一段降速表明蓄能器液压油量不能满足运行要求，实际匀加速过程一般会在压射速度达到峰值之前就完成。压铸机压射速度是一个由慢速段和快速段组成的多段函数，在多段函数信号跟踪仿真时，其信号源需要自定义。根据生产过程压射速度研究，慢速段最佳加速度为0.45m/s2，最佳匀速为0.208m/s；快速段最佳加速度为1050m/s2，最佳匀速为6.5m/s。根据以上压射速度各参数值，利用Simulink相关元件模块组合成对应的曲线作为信号源并进行封装。系统空载时，采用常规PID算法对系统进行压射速度跟踪，采用变论域自适应模糊PID控制算法对系统进行压射速度跟踪，其中虚线代表压射速度信号源，实线代表系统动态跟踪响应曲线。仿真结果对比分析可知：变论域自适应模糊PID控制算法相对经典的PID控制算法，系统动态跟随性能、响应速度、稳态误差等方面均具有更好的效果，在快速段这一优势更加明显。
结语
综上所述，考虑压铸过程的强非线性，将逆系统方法用于压铸机快压射阶段速度的控制中。仿真结果表明，逆系统方法能够用于压铸机的速度控制中。
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论文作者:池玉飞1,陆思杰2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/2
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