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1、铝合金轮毂低压铸造控制研究评论:1 条 查看:271 次 wang1972 发表于 2009-12-18 10:14铝合金轮毂低压铸造控制研究钟映春1 李芳2(1 广东工业大学自动化学院，广州510090，2 广东商学院信息学院，广州510320)摘 要 低压铸造是目前广泛应用的铸造成型工艺。本文根据铝合金轮毂的铸造工艺要求，采用了前馈-模糊控制的算法实现低压铸造的压力跟踪，采用PI控制的方法实现轮毂低压铸造要求的稳态性能，并在此基础上进行了控制系统的应用研究。实践表明，所研究的控制系统不仅实现了压力跟踪阶段的误差在20m Bar以内，而且在稳态阶段的压力波动也在20m Bar以内。关键词 低
2、压铸造，前馈-模糊控制，压力跟踪，铝合金轮毂Study and Practice of Intelligence Control System of Low Pressure Die casting of Aluminium Alloy Wheel Abstract The low pressure die casting is a kind of molding technics which is widely used currently. On the request of molding technics of aluminium alloy wheel, this paper stu
3、dies the intelligence control system for low pressure die casting, through which the real pressure in the oven can track the given values on the technical curve quickly and accurately . The application in practice shows that the intelligence control system studied in the paper works very well. Key w
4、ords low pressure die casting, intelligence control, track of pressure1引言低压铸造是目前较为广泛应用的铸造成型工艺。随着工业技术的发展，对低压铸造质量的要求越来越高。目前国内使用的铸造机基本上可以分为二类：一类是国外进口的铸造机，如德国的金马机，另外一类是国产机1，2。在低压铸造机结构和铸造工艺确定以后，液面加压控制系统的动态与稳态性能是决定铸件质量和成品率的关键3。本文根据铝合金车轮的铸造工艺要求，采用了前馈-模糊控制的算法实现低压铸造的压力跟踪，采用PI控制的方法实现铸造要求的稳态性能，并在此基础上进行了控制系统的仿真
5、研究和应用实践。实践表明，所研究的控制系统不仅实现了压力跟踪阶段的误差在20m Bar以内，而且在稳态阶段的压力波动也在20m Bar以内。2铝合金轮毂的低压铸造工艺2.1 低压铸造工艺 目前，小汽车的轮毂大部分是采用低压铸造的工艺加工而成的，也有一些采用电磁泵技术进行加工4。低压铸造具有成本低、成型快，精度高，铸件质量高等优点。实际的铝合金低压铸造结构如图1所示。低压铸造从结构上看，主要由坩埚、升液管、硅碳棒、进气管、模具等组成。在坩埚中存有温度为720的铝液。电炉丝硅碳棒通电后，发出的热量可以保持铝液温度不变，从而确保在压铸过程中铝合金的组织成分不会由于冷却而发生变化。在坩埚盖上有进气管入
6、口。当压缩空气从进气管中进入坩埚时，坩埚内气压增大，迫使铝液沿着升液管上升，并进入模具型腔中。随着时间推移，铝液会图1 铝合金车轮低压铸造结构示意图完全充满型腔，而后进入保压阶段。为了得到组织致密、性能良好的铸件，经过前人长期的摸索，在铸造过程中，坩埚内的压力必须按照如图2所示的曲线变化，其中，第一段曲线一般用时为10秒左右，坩埚中的压力从0上升到0.15Bar左右，是铝液在升液管中运动的过程，；第二段曲线一般用时为20秒左右，坩埚中的压力从0.15Bar上升到0.38Bar左右，是铝液填充型腔的过程；第三段曲线一般用时为8-10秒左右，坩埚中的压力从0.38Bar快速上升到0.8Bar左右，
7、是快速增大坩埚中的压力，进行补缩的过程；最后是保持压力的过程，使得铸件组织致密。2.2 控制过程中的干扰分析 通过前面工艺介绍可见，低压铸造主要是控制在坩埚中气压的变化，使得这种变化正好能够与规定的压力变化吻合，就可以得到满足要求的铸件。在低压铸造过程中，主要存在以下干扰： (1) 压缩空气在进入坩埚以前的温度为室温，大约在20-30，进入坩埚后，压缩空气逐渐升温到720。 图2 铝合金车轮低压铸造工艺要求根据空气热力学定理5，有PV/T=f(m) ，公式中，P为气体压力，V为体积，T为温度，m为质量，f(m)是质量的线性函数。在外部冷压缩空气注入坩埚内的初始阶段，坩埚内空气质量增加，压力升高
8、，达到工艺曲线要求，但是在几秒钟后，冷气体与周围气体融合受热，逐渐膨胀，就会使压力超过工艺曲线，从而导致压力不符合工艺要求，出现超调情况。这是压力上升滞后导致的干扰，是系统中的主要干扰之一。(2) 在铸造过程中，坩埚内的铝液液面是在不断下降的。从而使得其中压缩空气的空间不断增大，对压力跟踪产生一定的干扰。(3) 根据工艺曲线可以知道，压力的增加必须保持均匀，因为匀速增大的压力不会使铝液的运动速度产生突变，从而可以避免涡流的出现，保证铸件的质量。但是铝液经过升液管到达模具型腔时，铝液运动的横截面积会突然增大，铝液流速必定会产生突变。这就要求在压力跟踪时，特别是在第一段曲线与第二段曲线转角处，系统
9、能够迅速补偿这种突变，保持铝液匀速流动。此外，坩埚与盖、盖与升液管以及进气管之间难免有缝隙存在，压缩空气泄漏就不可避免，也会对压力跟踪产生一些干扰，但是上述三种干扰是主要的。3低压铸造模糊控制器的设计与实践3.1模糊控制器的设计 通过对铝合金轮毂低压铸造工艺曲线的分析可见，在前三段曲线中，要求压力保持匀速增大；在最后一段曲线中，要求压力保持恒定。由于过程对象的干扰复杂而且严重，并且过程主要处于动态之中，采用常规PID调节规律比较难满足要求，因此采用了模糊控制规律6，7。 模糊控制器主要是快速抑制各种干扰，使压力不会偏离给定值太多。模糊控制器以压力的误差和误差变化量作为输入，调节阀的开度变化量作
10、为输出。根据实际要求，误差必须始终为正，即实际压力不允许超过给定的压力值。此外，在铸造前还有预压要求，因此，取误差E论域为0，1000，误差变化量论域EC为-1000，1000。调节阀开度变化量DU论域为-30，100。输入量和输出量均采用三角形隶属度函数。定义E、EC和DU的辞集分别为：T(E)=VS，QS，S，M，L，QL，VL，其中，VS表示非常小，QS表示相当小，S表示误差小，M表示误差中等，L表示误差大，QL表示相当大，VL表示非常大。T(EC)=NM，NS，ZO，PS，PM，其中，NM表示误差减小比较快，NS表示误差减小比较慢，ZO表示误差不变，PS表示误差增大比较慢，PM表示误差
11、增大比较快。T(DU)=DL，DM，DS，ZO，IS，IM，IL，其中，DL表示调节阀开度减小很多，DM表示调节阀开度减小一些，DS表示调节阀开度减小一点，ZO表示调节阀开度保持不变，IS表示调节阀开度增大一点, IM表示调节阀开度增大一些，IM表示调节阀开度增大很多。 表1 模糊控制规则表ECEVSQSSMLQLVLNMDLDLZOZOISISIMNSDLDMZOZOISIMIMZODMDSISIMIMILILPSZOZOIMIMIMILILPMISISIMILILILIL 根据大量现场调试的经验，建立的控制规则如表1所示。根据模糊控制规则和相应的隶属度函数，采用MAX-MIN规则进行模糊推
12、理，可以得到最后的模糊控制输出表。 由于模糊控制器本质是一种PD型的控制器，在进入稳态控制时，难以做到无差控制，因此，在模糊控制输出时采用了积分输出的方法。3.2 模糊控制器的实践把模糊推理得到的控制输出表应用到实际低压铸造系统中，经过反复调试得到如图3所示的压力跟踪情况。控制系统硬件为：控制器采用西门子S7-300，人机界面为MP370，调节阀采用SMC的产品，响应时间30ms。在图中，直线为设定值曲线，有波动的曲线是实际压力变化的曲线。从图中可见，在第一段压力曲线开始时，坩埚中的压力有明显的滞后；在第一段向第二段曲线过渡时，实际压力超调；在第三段曲线向第四段曲线过渡时，压力有明显超调；进入
13、稳态后经过3个周期波动后稳定。在其它部分，压力跟踪效果比较良好。通过对相应图3曲线制造的轮毂进行金相分析发现，在组织中有涡旋现象存在。这是因为在第一段向第二段曲线过渡时，压力超调导致的。当压力达到0.15Bar时，铝液已经到达浇冒口。压力再增大，铝液就开始逐步进入型腔，此时由于压力超调并进行调整，压力轻微减小，就使得刚进入型腔的铝液向浇冒口回流，然后坩埚中的压力又再次升高，回流的铝液与从升液管中新进入型腔的铝液碰撞，导致涡旋的出现。因此，图3中曲线制造的轮毂不能达到工艺要求，需要进行改进。图3 采用模糊控制的低压铸造压力跟踪图4 . 低压铸造控制系统的改进根据过程控制的原理8，控制系统的设定值
14、按照时间变化的系统是程序控制系统。给定值的变化是可以确定的，如果把给定值的变化看成是一种可以测量的干扰，那么对于可以测量的干扰进行补偿的良好方法是前馈控制。因此，在前三段曲线的压力跟踪时，调节规律为前馈-模糊调节规律。此外，在第三段曲线向第四段曲线过渡时，有明显的超调。这是工艺所不允许的。事实上，稳态的实际压力可以略小于设定值，但是不能有超调出现。需要指出的是，采用模糊控制器进行稳态部分的控制，始终控制性能难以提高，因此，稳态部分的控制采用PI调节规律。4.1 改进后低压铸造控制器的结构图4 改进后低压铸造控制结构图根据前面的分析，对低压铸造控制器进行总体改进。改进后的控制系统结构如图4所示。
15、其中，在第一段曲线到第三段曲线压力跟踪时，采用前馈-模糊的调节规律，在第四段曲线采用PI调节规律，它们的切换通过在控制程序中的变量实现。4.2 前馈控制器的设计5 . 改进后控制器的实践根据改进后算法编写程序，并进行现场调，得到的压力跟踪控制如图5所示。从图中可见，第一段和第二段压力跟踪效果良好。第三段曲线压力跟踪有一定误差，此时尽管调节阀完全打开也无法跟上压力的设定值。在第三段和第四段曲线过渡位置，没有出现超调情况。进入稳态后压力几乎没有任何波动。虽然实际压力与设定压力有一定误差，但是误差很小而且抗干扰能力强。 图5 压力控制曲线 在调试时，需要注意的是，控制算法计算是采用定时中断进行的，定
16、时中断的时间间隔对控制效果有重要影响。中断间隔既要尽量短，又要能够完成相关计算。6 . 结论 通过上述分析可见，对于低压铸造这种具有特殊要求的过程控制系统，采用前馈调节器和反馈模糊控制器相结合的方法实现低压铸造的压力跟踪，采用PI控制的方法实现轮毂低压铸造要求的稳态性能，最终实现所研究的控制系统不仅实现了压力跟踪阶段的误差在20m Bar以内，而且在稳态阶段的压力波动也在20m Bar以内。 参考文献1 盖玉先，刘会英. 低压铸造的模糊控制. 航天工艺，.6 (3):5-7，20002 尤尔根.莱福勒. GIMA公司的低压铸造机. 特种铸造及有色金属，3：41-43，19953 姚锡凡，陈统坚. 低压铸造叶面加压控制系统的发展与趋势. 中国铸造装备与技术，4:13-14，19984 侯击波，彭有根，杨晶. 电磁泵低压铸造技术. 铸造，11(51):723-725，20025 L. 普朗特. 流体力学概论. 北京：科学出版社，19846 吴晓莉，林哲辉. MATLAB辅助模糊系统设计. 西安：西安电子科技大学出版社，2002 7 戴丽萍. 模糊自镇定参数PID的设计与仿真. 武汉化工学院学报，24(2)：63-65，20028 邵裕森. 过程控制及仪表. 上海：上海交通大学出版社，20039 刘金琨. 先进PID控制及其MATLAB仿真. 北京:电子工业出版社，2003