CN118404062A - 一种粉末制品液压机加粉位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粉末制品液压机加粉位置控制方法，粉末制品液压机的阴膜由顶出缸驱动上移多次实现多次粉末加料定位，其特征在于：所述阴膜上移位置控制主要采用PID位置控制，所述PID控制位置的输出信号采用比例环节、积分环节、微分环节结合多次加粉定位微调量进行调节。优点是采用PID控制位置与机械控制位置相结合的方式，利用PID变型算法通过将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，同时通过添加多次加粉定位微调量，并结合超调控制，可用该控制量对受控对象进行精确控制，同时对反馈的实际位置、速度与目标位置实时跟踪与计算，实现多次加粉场景的粉末液压机位置高精度定位与控制。

Description

一种粉末制品液压机加粉位置控制方法

技术领域

本发明涉及粉末制品加工用液压机，尤其涉及一种粉末制品液压机加粉位置控制方法。

背景技术

粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过有压或无压成形后再通过烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。目前，粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。

粉末制品液压机在压制过程中需要进行一次或数次定位加粉与压制，目前国内粉末制品液压机的多定位加粉控制策略主要采用分段调速位置控制来实现高精度定位控制，其原理就是把位置分成多段进行调速，越趋近目标位置，速度越小，从而实现位置控制的效果。但是随着液压机吨位的增大、粉末成型件的日趋复杂，如何提高高精度、快速定位成为高端粉末制品成型液压机的关键问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于多次加粉场景且控制精度高的粉末制品液压机加粉位置控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种粉末制品液压机加粉位置控制方法，该粉末制品液压机的阴膜由顶出缸驱动上移多次实现多次粉末加料定位，其创新点在于：所述阴膜上移位置控制主要采用PID位置控制，所述PID控制位置的输出信号采用比例环节、积分环节、微分环节结合多次加粉定位微调量进行调节，调节信号具体算法公式为：

公式一：；

公式二：；

公式三：；

其中，x为多次加粉定位补偿系数，x=N_plc/N_v，N_plc为粉末制品液压机阴膜顶出缸的PLC数模转换模块输出分辨率，N_v为阴模顶出缸的输出速度分辨率；为一设定值，该设定值为阴模顶出缸的实际运行速度占最大运行速度的百分比；

k为采样序号，k=1，2，… …；为第时刻所得的偏差信号；为第时刻所得的偏差信号；为比例系数；为积分系数；为微分系数；为积分项的开关系数，为超调控制阈值。

具体的，所述阴膜上移位置控制包括前M-1次PID控制位置与最后的第M次机械控制位置，且M为不小于4的整数。

具体的，限定在前M-1个PID控制位置中，第i次液压机阴模顶出缸能够克服静摩擦力动作时，阴模顶出缸的液压系统所需要补偿的流量最小值为；具体的，定义阴模顶出缸第一次上移顶出定位克服静摩擦力动作时液压系统所需要补偿的流量最小值为，定义阴模顶出缸第二次上移顶出定位克服静摩擦力动作时液压系统所需要补偿的流量最小值为，以此类推，阴模顶出缸第M-1次上移顶出定位克服静摩擦力动作时液压系统所需要补偿的流量最小值为；所述多次加粉定位微调量：

;

i为小于或等于M-1的整数，k为采样序号，k=1，2，… …。

本发明的优点在于：本发明中采用PID控制位置与机械控制位置相结合的方式，利用PID变型算法通过将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，同时通过添加多次加粉定位微调量，并结合超调控制，可用该控制量对受控对象进行精确控制，同时对反馈的实际位置、速度与目标位置实时跟踪与计算，适用于控制速度快、精度较高的场合，结合精准的机械控制位置方式，共同快速实现多次加粉场景的粉末液压机位置高精度定位与控制。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的PID控制方法示意图。

图2为本发明的液压机结构图。

图3为本发明的PID参数设定界面示意图。

具体实施方式

复杂粉末制品液压机在单个产品成型中需要进行多次阴模顶出缸顶出以实现多次粉末加料定位。本发明的粉末制品液压机加粉位置控制方法针对加粉时阴模上移位置主要采用PID位置控制。

如图1~3所示，PID控制位置的输出信号采用比例环节、积分环节、微分环节结合多次加粉定位微调量进行调节，调节信号具体公式为：

公式一：；

公式二：；

公式三：；

其中，x为多次加粉定位补偿系数，x=N_plc/N_v，N_plc为粉末制品液压机阴膜顶出缸的PLC数模转换模块输出分辨率，N_v为阴模顶出缸的输出速度分辨率；为一设定值，该设定值为阴模顶出缸的实际运行速度占最大运行速度的百分比，该设定值根据用户实际产品使用工艺以及尽量减少液压系统冲击工况来调试出阴模顶出缸的实际运行速度。

k为采样序号，k=1，2，… …；为第时刻所得的偏差信号；为第时刻所得的偏差信号；为比例系数；为积分系数；为微分系数；为积分项的开关系数，为超调控制阈值。

本发明中PID控制位置的比例环节、积分环节、微分环节的具体计算原理如下：

首先，PID控制的位置输出的表达式为：

式中：

是给定值与被控变量的偏差；

是积分时间常数；

是微分时间常数；

t是从开始进行调节到输出当前控制量所经过的时间间隔；

而由于本发明粉末制品液压机的控制系统采用可编程控制器，将连续系统的PID算法离散化成数字PID算法，因此，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以累加法近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即：

；

可得离散表达式：

；

其中，T为采样周期；比例系数为；积分系数 用代替；微分系数用代替；则有：

式中：为第时刻所得的偏差信号；

通过比例环节放大偏差信号，提高控制器对偏差信号的感应灵敏度；比例环节的计算公式为：；

然后通过积分环节将偏差不断的积累起来，使输出控制器的信号不断增强，直到偏差为零，从而消除系统中的稳态误差；积分环节的计算公式为：；

再通过微分环节根据偏差的变化趋势输出控制量，并能在偏差值发生较大变化时输出校正信号，改善系统的动态调节速度；微分环节的计算公式为：。

为避免出现超调影响系统稳定性，影响加粉质量，本发明的加粉位置控制方法中，人为设定一个阈值；该阈值在粉末制品液压机系统进行调试过程中根据测试结果稳定性进行设定。

当时，采用PD控制避免过大的超调；

当时，采用PID控制，可保证控制的精度，此时的公式如下所示：

其中，为积分项的开关系数；

。

在粉末制品液压机实际生产中，因为其原材料为粉末，车间粉尘比较大，同时，在液压系统的各部件对油液的清洁度、温度要求较高，因此直接应用上述PID位置控制算法来进行加粉压制时，产品精度依然无法达到高端产品的控制要求。

本发明的粉末制品液压机适宜需要多次加粉的工况，在位置控制时阴膜上移位置控制包括前M-1次PID控制位置与最后的第M次机械控制位置，且M为不小于4的整数，即适宜加粉次数不低于4次的使用工况。

本发明的加粉位置控制方法采用多次加粉定位微调量进行调节来实现高精度加粉定位。限定在前M-1个PID控制位置中，第i次液压机阴模顶出缸能够克服静摩擦力动作时，阴模顶出缸的液压系统所需要补偿的流量最小值为，具体的，定义阴模顶出缸第一次上移顶出定位克服静摩擦力动作时液压系统所需要补偿的流量最小值为，定义阴模顶出缸第二次上移顶出定位克服静摩擦力动作时液压系统所需要补偿的流量最小值为，以此类推，阴模顶出缸第M-1次上移顶出定位克服静摩擦力动作时液压系统所需要补偿的流量最小值为；该流量最小值需要在各设备上单独测试得到。本发明的多次加粉定位微调量：

;

i为小于或等于M-1的整数，k为采样序号，k=1，2，… …。

以某200吨粉末制品成型液压设备为例，如图2所示，包括自上而下依次设置的上梁1、上滑块2、阴模3和机械限位螺母4。阴模3需要4次顶出加4种不同的粉料，然后上滑块2下降压制。阴模3顶出精度要求±0.04毫米以内，但是成型后的产品高度要求±0.002毫米，且阴模3顶出速度要快。

本实施例中，采用三菱PLC作为主控制器，安川伺服泵控系统作为调速系统，MTS的位移传感器（精度±0.001毫米）作为阴模的位置反馈。前三次采用位置PID控制阴模顶出的高度，最后一次定位通过机械定位。

此次采用三菱FX2N-2DA数模转换模块，其分辨率为0~4000，即N_plc为4000，而阴模顶出缸的输出速度调节精度为0.1%，即阴模顶出缸的输出速度分辨率N_v为0~1000，因此，本实施例中，多次加粉定位补偿系数x为4。为测试阴模顶出缸最大运行速度下的精度稳定性。为一设定值，该设定值为阴模顶出缸的实际运行速度占最大运行速度的百分比；

通过把上述算法带入程序，触摸屏作为PID参数的设定界面（参见图3）与多次顶出定位精度的数据记录界面。在现场多次调试后，其定位速度快，定位精度高、精度保持性好，满足了客户的生产要求。

定位精度汇总报表如下表所示：

对比例

本对比例的粉末制品成型液压设备与上述实施例中的粉末制品成型液压设备为同一台设备。不同的是：控制程序中PID控制位置的输出信号仅采用比例环节、积分环节、微分环节，无多次加粉定位微调量，本对比例的调节信号具体算法公式为：

公式一：；

公式二：；

公式三：；

本对比例中的算法相较实施例少了多次加粉定位微调量的补偿，其定位精度汇总报表如下表所示：

从上述实施例与对比例的定位精度汇总表可见，多次顶出的定位精度存在一定的差异，在前3次顶出定位中，通过多次加粉定位微调量的控制，实施例的差值范围均小于对应位置对比例的差值范围，变化量较小，且最大值与最小值均优于对比例，有利于确保产品压制精度的一致性；同时，从整体上看，不管是对比例还是实施例，第一次定位时的顶出1位置的精度保持最好，第三次定位时的精度变化范围最大；而在最后一次加粉定位中，由于采用机械限位，对比例略优于实施例的精度及误差范围，机械限位出现差异的原因可能是因为对比例是在实施例之前采用同一台设备测试的，在测试一段时间后设备可能由于热膨胀、热稳定性或磨合等因素造成略微的精度变化，但差值很小可以忽略不计。

Claims (3)

1.一种粉末制品液压机加粉位置控制方法，该粉末制品液压机的阴膜由顶出缸驱动上移多次实现多次粉末加料定位，其特征在于：所述阴膜上移位置控制主要采用PID位置控制，所述PID控制位置的输出信号采用比例环节、积分环节、微分环节结合多次加粉定位微调量进行调节，调节信号具体算法公式为：

公式一：；

公式二：；

公式三：；

其中，x为多次加粉定位补偿系数，x=N_plc/N_v，N_plc为粉末制品液压机阴膜顶出缸的PLC数模转换模块输出分辨率，N_v为阴模顶出缸的输出速度分辨率；为一设定值，该设定值为阴模顶出缸的实际运行速度占最大运行速度的百分比；

k为采样序号，k=1，2，… …；为第时刻所得的偏差信号；为第时刻所得的偏差信号；为比例系数；为积分系数；为微分系数；为积分项的开关系数，为超调控制阈值。

2.根据权利要求1所述的一种粉末制品液压机加粉位置控制方法，其特征在于：所述阴膜上移位置控制包括前M-1次PID控制位置与最后的第M次机械控制位置，且M为不小于4的整数。

3.根据权利要求2所述的一种粉末制品液压机加粉位置控制方法，其特征在于：限定在前M-1个PID控制位置中，第i次液压机阴模顶出缸能够克服静摩擦力动作时，阴模顶出缸的液压系统所需要补偿的流量最小值为；具体的，定义阴模顶出缸第一次上移顶出定位克服静摩擦力动作时液压系统所需要补偿的流量最小值为，定义阴模顶出缸第二次上移顶出定位克服静摩擦力动作时液压系统所需要补偿的流量最小值为，以此类推，阴模顶出缸第M-1次上移顶出定位克服静摩擦力动作时液压系统所需要补偿的流量最小值为；所述多次加粉定位微调量：

;

i为小于或等于M-1的整数，k为采样序号，k=1，2，… …。