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西北t 业大学硕l 学位论文 复合材料液一固挤压过程辨识与控制+ 摘要 液态浸渗挤压( 简称液一固挤压) 复合材料工艺是近年来开发出的一种复合材 料成形新工艺。这种工艺能以较低的成本制备出性能优良的复合材料管、棒材， 从而具有广阔的应用前景。通过大量实验，已掌握了关键工艺参数( 熔液浇注温 度、挤压模预热温度、浸渍时间、浸渍力) 的优化选取方法。在合理选取关键工 艺参数的前提下，挤压速度的控制是成形出质量良好制件的关键。但是，目前对 于挤压速度的控制仍停留在手动控制阶段，利用该工艺制各管、棒材制件的成功 与否受操作者对该工艺及其设备的经验及熟练程度等不确定因素影响很大。针对 这一问题，本文研究了现有条件下工艺过程挤压速度的自动控制问题，并为此设 计了一套计算机控制系统。 复合材料液一固挤压工艺过程中挤压速度的控制问题，不仅涉及到成形设备， 而且与工艺本身的特点密切相关。因此，本文从挤压速度的控制出发，首先探讨 并确立了本系统的基本控制策略：然后根据此控制策略的必然要求，对该工艺挤 压过程所涉及到的挤压力、温度、挤压轴位移等参数问的关系进行了深入研究， 利用系统辨识方法建立了挤压过程关键阶段的数学模型；在此基础上完成了相应 的控制器设计，给出了控制算法，并对所设计的控制系统进行了仿真。仿真结果 表明该控制系统是稳定的，系统性能可满足工艺要求，由此证明了它的可行性与 有效性。 最后，利用模块化设计方法完成了控制系统硬件的选型与设计，并编制了交 互性良好的过程控制软件，从而使该控制系统得以初步实现。 上述工作的完成，初步解决了挤压速度的自动控制问题，为复合材料液一固 挤压成形工艺的实际应用奠定了基础。 关键词：液一固挤压，系统辨识，控制系统 + 国家自然科学基金( 5 0 1 7 5 0 9 1 5 ) 、陕西省皂然科学基金( 2 0 0 1 c 1 7 ) 和国防基金资瓦i 顽百 西北工业大学顾 ：学位论文 l d e n t i f _ c a t i o na n dc o n t r o lo ft h ep r o c e s sf o r c o m p o s i t ef o r m i n gb yl i q u i d s o l i de x t r u s i o n a b s t r a ct l i q u i d - s o l i de x t r u s i o no fc o m p o s i t em a t e r i a li s an e wk i n do fm e 协lf o r m i n g p r o c e s s ，w h i c h h a sb e e n d e v e l o p e d i nr e c e n t y e a r sw i t h a p r o m i s i n gp r a c t i c a l a p p l i c a t i o np r o s p e c tf o ri t ss i m p l ew o r k i n gp r o c e d u r e ，l o wc o s ta n dg o o dw o r k p i e c e p e r f o r m a n c e t h r o u g ha1 0 to fe x p e r i m e n t s ，t h eo p t i m i z a t i o na n dc h o s i n gm e t h o do f k e yp r o c e s sp a r a m e t e r s ( p o u r i n gt e m p e r a t u r e ， m o l d w a r m - u p t e m p e r a t u r e ， i m p r e g n a t i n gp r e s s u r e ，i m p r e g n a t i n gt i m e ) h a sb e e nm a s t e r e d ，u n d e rt h ep r e c o n d i t i o n o f a p p r o p r i a t ec h o s i n gt h e s ep a r a m e t e r s m ee f f e c t i v ec o n t r 0 1o fe x t r u s i o nv e l o c i t yi s t h ek e yo fm a d i n gg o o dw o r k p i e c e b u tt h ec o n t r o lo fe x t r u s i o nv e l o c i t yr e m a i n sa h a n d w o r k ，a n di ti sh e a v i l ya f f e c t e db ys u c hu n c e r t a i n t i e sa sah a n d l e r sk n o w l e d g e a n ds k i l la b o u tt h ep r o c e s s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h ea u t o m a t i cc o n t r 0 1o f t h e e x t r u s i o nv e o c i t yi ss t u d i e d ，a n dac o m p m e rc o n t r o ls y s t e mi sa l s od e s i g n e du n d e r e x i s t i n gc o n d i t i o n t h ec o n t r o lo fe x t r u s i o nv e l o c i t yi nt h e p r o c e s si s n o to n l yi n v o l v e di nt h e p r o c e s se q u i p m e n t ，b u ta l s or e l a t e dt ot h ep r o c e s si t s e l f s o ，i nt h ep a p e r , p r o c e e d i n g f r 0 1 2 1t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fe x t r u s i o n v e l o c i t ya n db a s e do nt h eb a s i cc o n t r o i s t r a t e 。g yp r e s e n t e df i r s t l y , t h e r e l a n o n a m o n gp a r a m e t e r s o ft h e p r o c e s s s h c ha s p r e s s u r e ，t e m p e r a t u r ea n dd i s p l a c e m e n ti si n v e s t i g a t e d a n dt h em o d e lo ft h ep r o c e s s h a sb e c nb u i l tu s i n gs y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d t h e n a c o r r e s p o n d i n g c o n t r o l l e ri s d e s i g n e dt o g e t h e rw i t hi t sc o n t r o la l g o r i t h m ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mi sp r o v e dv i a b l e a n de f f e c t i v eb yt h er e s u l t so fs i m u l a t i o no nt h ec o n t r o l s y s t e m i nt h ee n d ，t h ep r o b l e mo ft h er e a l i z a t i o no ft h ec o n t r 0 1s 3 ，s t e mi sd i s c u s s e db y u s i n gm o d u l a r i z a t i o nm e t h o d t h eh a r d 、v a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n da s o f e w a r ew i t ha p e r f e c tm a n m a c h i n e i n t e r f a c ei sd e v e l o p e d , t o o t h u s ，t h ep r o b l e mo ft h ec o n t r o lo fe x t r u s i o nv e l o c i t yd u r i n gt h ep r o c e s sh a s b e e nb a s i c a l l ys o l v e d ，w h i c he s t a b l i s h e sab a s ef o rt h ea p p l i c a t i o no f t h e p r o c e s s k e y w o r d s ：l i q u i d s o l i de x t r u s i o n ；s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ；c o n t r o ls y s t e m i i 【婀北- 泄人学顺| j 学位论文第l 审绪醍 1 1 引言 第1 章绪论 本文以复合材料液一固挤压成形工艺的挤压过程及工艺成形设备一液压机为 研究对象，针对它们的特点，旨在设计出一套计算机控制系统，初步解决现有条 件下该工艺挤压过程的自动控制问题，以便为该工艺的实际应用奠定基础，并为 后续的研究起到抛砖引玉的作用。 复合材料液一固挤压成形工艺是近年来丌发出的一种复合材料成形新二i ：艺“ 3 j 。该工艺过程的实质是保证液态基体金属在压力下渗入纤维预制体中，发生压 力f 结晶凝固，利用金属准固态期间变形抗力低、容易流动的特点，对其进行塑 性变形，以实现一次成形出复合材料管、棒、型材的目的。通过对由这种工艺 获得的材料组织性能的分析，发现这一工艺有显著提高材料强度和塑性的能力。 目前，通过大量实验，已掌握了影响制件质量的几个关键工艺参数：熔液浇 注温度、挤压模预热温度、浸渍时间、浸渍力“的优化选取方法。实验表明，这 些参数的合理选取，是确保制件质量的前提。在此前提下，还须协调好挤压动态 过程中挤压力、坯料温度、挤压速度、行程间的关系，尤其是控制好挤压速度， 使之与坯料的凝固速度相协调，方能成形出质量良好的制件。 挤压速度的控制问题，不仅涉及到成形设备，而且与该工艺过程本身的特点 密切相关。因此，必须对工艺挤压过程所涉及到的压力、温度、挤压轴位移等关 键参数间的关系进行深入的研究，找出其中的规律性，方可设计出有效的控制系 统。 然而，复合材料液一固挤压成形工艺过程毕竟是一个集浸渗、凝固、热传导、 大塑性变形为一体”1 的复杂过程，目前尚难以从理论上导出上述参数间的、且对 控制系统设计提供有效依据的模型，而只能采用实验分析法来建模。 系统辨识是实验分析法的一种。这种方法的基本出发点是：只关心过程的外 部特性，将过程看作“黑箱”，根据“黑箱”所表现出的输入、输出信息。1 ，建 立与“黑箱”特性等价的过程外特性模型。 因此，本研究以铝基复合材料液一固挤压成形管材为例，以挤压过程挤压速 度的控制为目标，采用系统辨识方法建立工艺过程各参数间的关系，并基于此关 系设计出一个有效地过程控制系统，以达到对挤压过程挤压速度的有效控制，从 而为该工艺向实际应用转化奠定基础。 1 2 相关领域及其研究现状 1 2 1 金属基复合材料液一固挤压成形工艺及其研究现状 1 2 1 1 金属基复合材料液一固挤压成形工艺及其特点 现代科学技术的迅速发展，特别是航空、宇航技术的发展，对材料性能提出 了r 益增高的要求。单一的金属、陶瓷材料已难于满足这些性能要求。为了克服 单一材料性能上的局限性，人们开发了复合材料。纤维增强金属基复合材料( p j 如铝基复合材料) ，由于具有高温性能好，比强高、比模量高，导电、导热性能 两北1 _ 业大学坝 。学位论文 第l 章绪论 好，不吸湿、不老化等优点，而成为复合材料中的主要类型8 1 。 但是，金属基复合材料的制备往往存在着制件性能波动较大且因工序多而导 致成本高等缺点。因此，研究新的制造工艺，降低生产成本一直是该领域的一个 研究重点。 现有的复合材料成形方法有固态扩散法、粉末热压法、压力浸渗法，液态模 段法等。其中，固态扩散法、粉末热压法、压力浸渗法均需二次变形，即先制取 复合材料坯料，然后采用塑性加工方法制取所需的管、棒材。但对于加入强化相 的材料而言，由于强化相和基体的变形抗力、膨胀系数不同，很难协调一致，二 次加热和固态变形总会影响到基体与强化相的界面结合，进而影响制件的性能， 而且还因成形工序增多，使成本进一步增加。液态模段法应用较为广泛，但在压 力较低时仍为铸态组织。且难以成形航空、航天、汽车和建筑等行业应用颇广的 管、棒材。 复合材料液固挤压成形工艺的出现，有望克服上述方法的缺陷。这种新工 艺直接将非连续物增强金属基复合材料挤压制各成管、棒等型材类制件，省去了 液态模锻法所需的挤压、轧制等二次成形工序。该工艺的过程可归结为：将液 态金属直接浇入挤压筒内，借助于冲头对其施以高压，使其在压力下渗入纤维预 制体中，发生压力下流动一凝固过程，随后挤压成形模口处的准固态金属，经受 断面减缩的大塑性变形，从而一次直接成形出复合材料的管、棒型材类制件( 图 1 一1 ) 。 一j 竺二，日7 、 。， ( a ) 浇注( b ) 浸渍( c ) 挤压 图卜1 液一固挤压复合材料棒材工艺过程简图 1 顶杆2 成形模3 纤维预制体4 液态金属 5 制件6 加热装置7 挤压筒8 冲头 通过对成形后的管材组织和断口分析发现，采用该工艺制各的复合材料型 材，增强纤维沿挤压变形方向均匀分布，纤维与基体之间的结合是机械结合，断 口呈韧性断裂特征，制件的强度、塑性、韧性指标均得到显著提高“”。 1 2 1 2 金属基复合材料液一固挤压成形工艺的研究现状 由于液一固挤压成形工艺制备金属基复合材料时无需二次成形工序，且制件 性能有了较大提高。因此，这种工艺有望降低复合材料制件的成本，相关的研究 受到重视，在成形机理，工艺参数合理优化选取等方面己取得了一定的进展。 在该工艺的成形机理方面，文献e 2 j 对成形复合材料制件的组织与性能进行 了研究，分析了组织和性能改善的微观机制；文献 1 3 对液态挤压的会属流动特 点进行了探索，揭示了液态挤压过程金属流动均匀的内在机制：文献 1 4 揭示了 液态挤压过程的力学特征，即液态金属在流动中的流动特性和挤压力随行程变化 第1 章绪2 所反映的金属成形的力学特征：文献 1 5 1 6 揭示了液态挤压工艺对z l l 0 8 、z a 2 7 等合金的强韧化机理；文献 1 1 ，1 7 j 对a 1 _ s i 合会和锌铝合金经液一固挤压工艺后 的微观结构和性能进行了分析，结果表明这些合金经液一固挤压后各项性能指标 均得以大幅度提高。上述研究深化了人们对液一固挤压成形工艺的认识，对实验 研究有重要的指导作用。 在该工艺的参数合理选取和优化方面，文献 1 8 利用该工艺成功地制出了复 合材料管、棒材，实验表明，在参数选取合适时，可以制备出内外质量俱佳的复 合材料管、棒材：文献 1 9 利用液一固挤压技术压制t i c 。2 0 2 4a i 复合材料棒材， 通过大量的试验，取得了合理工艺参数，并在实验过程中发现，当参数选取不当 时，会造成挤出的制件质量不理想或挤压失败，对制件的组织性能进行研究，发 现制件中的n c ，分布均匀，而且挤压出的制件较利用其它方式得到的制件的机 械性能好；文献 2 0 实验测定分析了液态浸渗挤压过程中冲头载荷与位移之间关 系曲线及它们各自随时间的变化，揭示了工艺参数的选取对液态浸渗后的挤压过 程有着决定性作用，并指出在工艺参数选取合理的前提下：文献 2 1 利用有限元 模拟方法研究了挤压过程中坯料内部温度场、应力应变场等场的变化，这从微观 角度分析了不同工艺参数下的制件内部发生的变化，为工艺参数的优化选取起了 定的指导作用：文献 5 利用已经积累的一批成功实验的经验数据，对自定义 的模糊神经网络进行训i 练，建立了一个优化参数的神经网络预测模型，利用该模 型可以预测“最优”浸渍时间。当然，预测的浸渍时间在多大范围内有效，尚需 更多的实验检验。 此外，为了使该工艺向实用转化，文献 6 做了初步研究，探讨了模糊控制 理论在该工艺过程自动化上的可行性。 然而，对该工艺的研究仍处于实验室阶段。在工艺的各流程中，仍采用手动 控制，故利用该工艺制备复合材料受操作者对工艺的经验和熟练程度影响很大。 因此，要将这一工艺投入到实践生产中，除了继续开展其机理，优化工艺参数优 化选取方面的研究工作，还需针对该工艺的特点，研究它的自动控制问题。 1 2 2 辨识理论及其应用现状 现代工业过程控制是以模型为基础的。过程数学模型及其算法的确定，是过 程控制的核心。人们在控制工程实践中，提出了实体驱动模型和数据驱动模型的 分类“。前者是从对象过程的物理意义出发，基于对对象过程机理的深入理解而 导出的；后者则是从对象的过程数据出发，运用一定的数据分析处理方法而建立 的。由于二者各自的优缺点，在实际使用中，它们往往是结合使用的。 辨识是适应工业控制对过程模型的需求而形成的一门科学。它是提取数据驱 动模型的重要手段。作为一门有着明显实用价值的学科，这门学科正吸引着大批 科技人员，一方面，他们以实践为导向，不断研究新的辨识方法，进一步完善和 发展辨识理论：另一方面，他们努力把辨识理论用于工程实践，完成单纯的理论 推导难以解决的模型定量化任务。 1 2 2 1 系统辨识理论及其发展 1 9 7 8 年，l j u n g 给辨识下了一个非常实用的定义：“辨识有三个要素一数据， 模型类和准则。辨识就是按照一个准则在一组模型类中选择一个与数据拟合得最 两北t 业人学硕l 学位论文 第l 章绪垒 好的模型。”这个定义揭示：辨识的实质乃是从一组模型类中选择一个模型，按 照某种准则，使之能最好地拟合所关心的实际过程的动态特性。 由于本研究首先涉及到的是线性离散模型的辨识问题。尽管该工艺挤压过程 是非线性的，但是，它可能在一定范围内近似线性过程，因此，这里着重讨论线 性离散模型的辨识问题。一般来说，线性过程或本质线性过程，其模型都能化成 最小二乘格式”1 ： z ( k ) = h7 ( t ) 口+ e ( 女) ( 卜1 ) 这里， 0 6 竺：i 阮o 2 1 2 ：】；一6 2 h c 一z ， l = h民r “ 总之，若图卜2 是待辨识的过程，则描述它的模型须能化成图卜3 所示的辨 识表达格式，即最小二乘格式。 图卜2 待辨识过程图卜3 辨识问题的表达形式 辨识的目的就是根据过程所提供的信息，在某种准则意义下，估计出模型的 ：( 尼) 幽卜4 辨谚l 原理 未知参数，其基本原理如图卜4 所示。 由上可见，辨识即与所选的模型结构有关，又涉及到数据处理方法一辨识算 法。辨识理论的发展主要是围绕模型结构和与之紧密联系的算法而展开的。辨识 理论经历了从简单的单输入、单输出系统辨识到复杂的多输入、多输出系统辨识， 从线性系统辨识到非线性系统辨识的过程，并将继续发展。在辨识理论发展的过 程中，各种辨识方法层出不穷，正如1 9 7 7 年a s t r o m 和e y k o f f 所说的：“辨识 是一只装满技巧的口袋”。 传统的基于线性系统的辨识理论已经成熟。在非参数辨识方面，阶跃响应法、 脉冲响应法、频率口向应法、相关分析法、谱分析法等至今还广泛地应用于工业控 制的各个领域。在参数估计方面，最小二乘法、梯度校正法、极大似然法等已成 两北t 业大学倾_ ：学位论殳 为经典，并在实际应用中不断得到补充。早在7 0 年代人们就己研究了各种 算法i 可的内在联系，提出了信息压缩阵及滤波阵的概念，为设计新的算法提供了 理论依据。在模型阶次辨识方面，已经提出了a i c 定阶法，f p e 定阶法、h a n k e 】 矩阵秩估计法、参差方差估计法等。 实际中遇到的大多数系统都是非线性的，因而研究非线性系统的建模及辨识 具有重要的现实意义，在这方面也取得了相当的进展。b i l l i n g s 等人基于他们 提出的n a r m a x 模型做了大量开创性的工作”一”。文献1 3 2 在此基础上又提出了 两种新的有效的最小二乘算法改进的双对角化最小二乘算法m b l s i 与 m b l s 一1 i ，该算法具有几乎不受舍入误差影响的优点，优于一般常用的最小二乘 算法，包括数值性态极佳的s v d 算法。文献 3 3 研究采用v o l t e r r a 级数对非线 性系统进行辨识的方法。文献 3 4 研究了化学工业中非线性系统的辨识问题。 值得一提的是，近年来，神经网络。“。的再次兴起，为系统辨识提供了一种 新的手段，充实了辨识理论。对于大惯性、大时滞、强耦合非线性的多输入多输 出系统，用传统的辨识方法或建立精确的数学模型一般是很难的。而神经网络由 于自身的非线性，通过直接学习系统的输入输出数据，使误差函数达到最小，从 而归纳出隐含在系统输入输出数据中的关系。 1 2 2 2 系统辨识的应用 辨识已经渗透到工业的各个领域，发挥着越来越重要的作用： ( 1 ) 用于控制系统的分析和设计。控制系统的控制器设计是建立在对被控对象 特性掌握的基础上。辨识经常被用来解决被控对象模型的确定问题。文献 3 9 针对理论建模存在的分析烦琐，难以实现等困难，利用广义最小二乘法对自行研 制的自动导引车转向系统进行了辨识建模，为设计该系统的最优控制器奠定了基 础。文献 4 0 运用辨识技术，建立了发酵罐的数学模型，根据这一模型，设计了 多变量温度控制系统，并成功应用于安徽圣泉啤酒厂的啤酒发酵温度控制，取得 了显著的经济效益。文献 4 1 4 2 采用辨识方法确定内燃机的模型，为调节器或 控制器设计提供了必要依据。文献 4 3 研究了曲轴角度域闭环辨识柴油机的建模 问题。系统辨识在热工系统建模方面亦发挥了作用 4 4 。 ( 2 ) 用于在线控制。系统辨识最重要的应用之一是自适应控制。现在许多专家 学者在探讨最优化参数p i d 控制器的设计问题，就是使p i d 参数能随对象特性变 化而自动调节，使系统性能始终处于最优状态，这是自适应控制应用的一个方面。 文献 4 j 系统地研究了这类问题。这类方法在电弧焊的自适应调节器“6 1 设计中得 到了应用。离散非线性输出反馈系统自适应控制问题开始引起学者的兴趣”1 。 文献 4 9 以飞控一飞机低阶等效模型为背景，采用t a y l o r 展开法模型参数的在 线辨识问题，为实施自适应控制奠定了必要基础。文献 5 0 为对交流伺服系统的 转动惯量进行在线辨识，研究了基于模型参考自适应算法的一惯性系统及二惯性 系统机械参数的辨识方法，并研究了自适应增益对辨识结果的影响。文献 5 1 提出将神经网络和极大似然法结合起来的一种新算法。该技术被用于机械设备的 状态监视及故障诊断。实际应用表明，该法的灵敏度及可靠性很好。文献 j 2 ： 提出了液态复合材料铸造工艺的一维模拟过程的控制器。该控制器采用了直接针 对铸模特性变化的辨识与控制策略。仿真证明了该策略的可行性。 ( 3 ) 用于预测、优化设计等其他方面。文献 5 3 将辨识技术用于实际工况下齿 轮传动动态性能的研究，建立了齿轮周向振动与噪声之间的关系，为齿轮传动系 统的修形、减震、降噪、优化设计提供了一种新的建横方法。在广义模型控制中， 西北工业人学颁e 学位论文 第1 章绪论 也要建立预测模型。文献 5 4 研究了广义模型控制中的辨识策略。文献：5 5 采用 模型预测控制策略对挤压蒸煮工艺进行控制，其中采用辨识技术建立了预测模 型。 系统辨识理论的广泛应用，得益于它本身所具有的优点：面向过程实际，与 控制结合紧密。此外，计算机技术的| = 1 益进步，为它的实现提供了强有力的手段。 凡是需要模型的应用场合，辨识往往能发挥其长处。因此，随着技术的进步，辨 识理论及其应用研究将会有进一步发展。 1 3 选题的目的及意义 通过大量实验，已经得出一个重要结论：为了实现成功挤压，必须保证挤压 过程中挤压速度与凝固速度的协调，以使坯料在挤压模出口附近的温度达到即将 凝固或刚好完全凝固的时的状态。此外，还需考虑挤压过程中挤压力的变化。 然而，到目前为止，挤压过程速度的控制还停留在手动阶段，因而挤压成功 与否受操作者的经验和熟练程度等不确定因素影响很大。在浇注温度、模具预热 温度、浸渍力、浸渍时间取得合理的前提下，如何有效地控制挤压速度，使之 与坯料的凝固速度相协调，从而制出质量合格的制件，是解决该工艺过程自动化 问题的第一步。通过大量文献调研，尚未发现有人对此开展深入研究。 本文的目的就是要初步解决现有条件下工艺过程挤压速度的自动控制问题。 这一问题的解决，将为复合材料液一固挤压工艺的实际应用奠定基础，同时也为 后续研究提供一条思路。而且，将来利用这种工艺坯料批量生产复合材料管、棒 材时，挤压速度自动控制的作用将更加突出。 1 4 主要研究内容 围绕复合材料液一固挤压工艺挤压过程( 以后简称复合材料液一固挤压过程) 挤压速度的自动控制这一目标，本文的研究内容主要包括： ( 1 ) 控制系统的总统方案设计。主要解决基本控制策略问题，并在此基础上初 步选择控制系统必需的控制元件及装置。在控制策略确定上，不单纯考虑液压设 备的特点，而且紧紧抓住工艺本身的特点； ( 2 ) 根据控制策略的要求，采用系统辨识方法对该工艺的挤压过程进行定性和 定量研究，建立过程模型： ( 3 ) 结合上述建立的过程模型，设计数字控制器，确立控制算法；并进行控制 系统仿真，分柝控制系统的性能； ( 4 ) 基于前面提出的控制策略及其算法，探讨和解决控制系统的具体实现问 题。 6 酒北工业夫学顺匕学位论文 第2 章复合材料液- 周挤压过程控制系统总体方案设汁 第2 章复合材料液一固挤压过程控制系统 总体方案设计 2 1 引言 控制系统总体方案的确立是进行控制系统设计的最关键环节之一。它的好 坏，直接影响到整个控制系统的投资、调节品质及实施细则“。复合材料液一固 挤压过程的自动控制阅题亦不例外，须首先确定该工艺挤压过程的总体控制方 案，然后才能据以展开控制系统各细节的具体设计。本章研究复合材料液一固挤 压成形工艺挤压过程控制系统的总体方案设计，主要包括基本控制策略的确定和 控制元件的初步选型等，以便为后续的研究奠定基础。 2 2 复合材料液一固挤压过程控制系统的基本任务 实施对复合材料液一固挤压工艺挤压过程的有效控制离不开对该工艺的流程 的了解。该工艺的流程如图21 所示。 金属先加热至熔融状态，然后 浇注到预热到一定温度、底部放 置有预制体的模具中，在一定的 压力下浸渍一段时间后，挤压成 形出复合材料管、棒、型材。由 此可知，该工艺牵涉到的因素很 多。在模具设计制造、预制体制 备合理的前提下，有两个过程的 控制非常重要，个是加压浸渍 过程，另一个是挤压过程。它们 显著地影响着制件的质量。 加压浸渍过程的特点是：熔 融的金属在恒定的压力下均匀渗 入预制体。该阶段需保证压力恒 定，因为不恒定的压力可能使浸 渗不均匀，从而导致制件内部缺 陷的产生。 熔化 金属 制备 预制体 预制体放入 模县 制造 模具 模具预热至i 一定温度 熔液浇注 = 芏 对熔液施加 至一定压力 保压垒一定时间，使 熔液均匀浸渗到预制 体内部 挤压坯料，成形 出管、棒型材 图2 - i 液一同挤压复合材料工艺流程简图 挤压过程的特点是：浸渍后的坯料在液压机油缸上安装的挤压轴( 或冲头) 的作用下，沿着模口被挤出成一定形状的制件。这个阶段尤需使冲头的挤压速度 与坯料在变形区的凝固速度相协调”。实验表明，即使其它工艺参数合理，若挤 压速度未协调好，还是会产生挤压过程中制件断裂、挤压后制件表面存在较大裂 纹等不良现象。 对于加压浸渍过程的控制问题，文献 6 已作了研究，提出了p i d 控制方案， 收到了一定的效果。因此，本文不再讨论这一问题。 第2 章复合材料液一l 削挤压过程控制系统总体方案敬十 而关于挤压过程的控制问题，文献i 6 j 也作了初步研究，提出模糊控制策略。 然而该方法是建立在流量与流量阀阀门开度成正比的错误结论基础上，且作者井 未对实验进行严格分类而模糊规则的提取本身也是一个难度相当大的问题，因 此，这种方法效果不佳，实际上无法满足本工艺对挤压速度提出的要求。目前， 国内尚未有关于该工艺挤压过程控制问题的研究见诸报道。而这个过程的控制问 题恰恰有是该工艺过程自动化中的关键问题之一。因此，本文的研究着重于挤压 过程的控制问题。 前已经指出，挤压过程控制的关键乃是挤压速度的控制问题。为此，本控制 系统要实现的基本任务是： 在合理选取关键工艺参数( 金属熔液的浇注温度、模具预热温度、浸渍力、 浸渍时间) 的前提下，控制挤压过程中挤压轴的速度，使之按预定的合理轨迹变 化。 由于尚未得到挤压速度的经验曲线。因此尚需确定合理的挤压速度轨迹，以 将其作为控制系统的性能指标。 2 3 复合材料液一固挤压过程控制策略的确立 组成控制系统的元件及装置的选择，与控制策略的有着重要的关系。控制策 略决定着传感器与执行器种类与数量的选择；相应控制算法的运算量又决定将采 用何种类型的分析处理设备。因此，在选择元件前，需探讨控制系统的所采用的 挖制策略。 如前所述，挤压过程控制的关键是挤压速度的控制。而挤压速度的大小主要 出进入液压缸的流量决定。因此，液压机液压系统主油路流量的控制方法即决定 了该工艺挤压过程的基本控制策略 2 3 1 几种控制方法的分析 流量控制一般要用到节流阀。然而，节流阀的控制流量与阀芯位移及其前后 压差都有关，可用式( 2 一1 ) 表示”。“1 ： 9 g b 觋 ( 2 1 1 ) 这里，c 。为流量系数，( x ) 为阀口面积梯度( 对于矩形阀口，矿( x ) 为常数) ， 工为阀芯位移。 为了得到与压力无关的流量，控制工程 界采用了多种的控制方法，常见的有： ( 1 ) 采用定差减压阔对节流阀的前后压 差进行压力补偿”( 图2 2 ) ，使上式中的p 基本不变，从而使流量只与阀芯的相对位置 有关。这是最常用的一种方法。比例流量阀 便采用了这种工作原理，目前它已广泛应用 于液压调速系统中。然面，实际应用表明， 定差减压阀 节流阀 这种补偿方式的流量一压力特性较差，尤其图2 - 2 定差减压阀压力补偿的方法 是当阀口压降发生突变时，由于压力补偿器结构上的限制，会产生很大的瞬时流 量超调( 般为调定值的三倍) ，使液压缸运动时产生速度冲击“2 。为了改善流量 一压力特性，5 踹c 6 2 在此基础上提出了电液比例阀+ p i d 速度反馈闭环控制筑 两北丁业人学颧【。学位论文 第2 章复台材料液一吲挤压过程控制系统总体方案i 5 十 略。这在一定程度上提高了系统的稳态精度，然而它对于反馈量的测取精度要求 较高。再由于调节的固有延迟，无法实现对速度的快速跟踪。由于复合材料液一 固挤压工艺的挤压过程对挤压速度的控制要求较高，上述方法不能满足要求。 ( 2 ) 流量一力反馈、流量一电反馈方法“”6 “。前者的机械结构复杂，校正参数 范围有限，其控制特性还受电一机械转换器性能的影响：后者的控制精度依赖于 流量传感器的精度，且机械结构仍比较复杂，流量传感器的节流还造成了能量的 浪费。e 述缺点限制了它们的广泛应用。 ( 3 ) 数字压力补偿。这种方法仍采用节流阀的结构( 省去了压力补偿阀) ， 根据一定的算法进行压力补偿，从而达到连续控制流量的目的。这种方法基本原 理如图23 所示。由于没有压力补偿部分，由式( 2 一1 ) 可知，p 与压差4 p 及阀芯 图2 - 3 数字压力补偿原理 位移x 都有关系。而j 与u 成比例，故p 由u 与p 共同决定。如通过设计合 适的压力补偿函数f ( a ，可使a 只与u r 有关。这种方法并不“强迫”比例阀前 后压差的恒定，而是通过压差传感器采集压差在控制器内实现压力补偿。尽管p 仍然受厶p 影响，但是从控制器内部的校正前控制量妇看来，q “仿佛”不受4 p 影响。从本质上说，这里是用数字压力补偿器替代了压力补偿机械结构，因而具 有更大的“柔性”。当然，这种方法亦有其缺点，即式( 2 - 1 ) 的计算精确性对补 偿精度影响较大。 ( 4 ) 计算流量反馈方法”1 。该方法的基本原理是：通过压差传感器与位移传 感器将节流阀前后的压差和阀芯的位移检测后输出给控制器，由控制器按照一定 的流量计算模型计算出通过节流阀的流量q ，与给定流量q 。进行比较，通过调节 器g ( a q ) 构成流量闭环，输出阀芯位移的给定值工。其基本原理如图2 4 所示。 这种方法可看作是用计算流量模型计算得到的流量值来代替使用流量传感 图2 4 计算流量反馈原理 器获得的输出流量值。只要流量计算模型足够精确，那么这种方法较之流量传感 器反馈方法可实现性好，机械结构相对简单。通过设计合理的调节器，可获得较 好的静、动态特性。为了得到较为精确的流量计算模型，需要作专门的实验，以 获得各个油温及压差下流量系数和过流面积的乘积与阀芯位移x 的关系，这电是 这种方法的不足之处。 上述四种流量控制方法中，采用减压阀进行压力补偿和流量一力反馈或流量一 髑北t 业夫学烦l 学位论文 第2 章复台托料液- 嘲挤压过 呈控制最统总体力集设i 卜 电反馈是传统的流量控制方法：数字压力补偿和计算流量反馈方法尽管都存在不 足，但是仍然是非常可取的方法，它们充分发挥了现代微机技术处理速度快等优 点，将其与液压系统有机结合，是典型的机电液一体化方法，具有较大的灵活性。 相信随着微电子技术的进一步发展，这种方法会得到越来越广泛的应用。 2 3 2 基本控制策略的确立 上面介绍并分析了各种流量控制方法的优缺点。由于数字补偿与计算流量反 馈方法的灵活性，因此，在设计复合材料液一同挤压过程控制系统总体方案系统 时，完全可加以借鉴。 进一步分析，不难发现，数字压力补偿和计算流量反馈方法存在共同点。它 们实际上都是根据流量计算公式( 2 一1 ) 对调节器进行补偿。所不同的是，后者为 了提高计算流量的精确性，增加了位移，油温的测量，此还事先作专门试验以获 取流量系数与过流面积之积与位移、油湿的关系。相比之下，后者以增加变送机 构及运算量等换取较好的动、静态特性。前者控制精度要受到计算模型精度的影 响。但所需元件少，实时性较好。考虑到复合材料液一固挤压工艺对挤压过程的 实时性要求较高，稳态精度好，本研究采用数字压力补偿法。 数字压力补偿法本质上是一种前馈控制，它事先将压差干扰测出，通过补偿 装置直接调节控制量。对于变化幅度较大而且十分频繁的负荷扰动所造成的影 响，前馈控制器能迅速加以抑制。这是反馈控制所不能达到的。 虽然前馈控制具有上述优点，但也有不足“。其一，静态准确性受模型精度 及测量仪表和计算装置准确度的影响较大；其二，前馈控制不可能针对所有主要 干扰进行补偿，那些不能补偿的干扰将会引起偏差。 因此，前馈控制往往需要与反馈控制结合起来，构成前馈一反馈控制系统。 这样即发挥了前馈控制作用及时的优点，又保持了反馈控制能克服多个干扰和具 有对被调量实行反馈校正的长处。故本文采取的基本控制策略应考虑将数字压力 补偿与反馈调节结合起来。 然而，随之而来的问题是：现有条件下，制备的管、棒材制件长度都不太大， 因此工艺的整个挤压过程所需时间不长( 约1 分种左右) ，为了保证控制的有效 性，必然要求较小的采样周期( 通常小于7 0 m s ) 。而阀门动作却有不可忽略的延 迟。此外，液压缸的容积效应也会带来延迟。这样，当采集的压差，经过处理发 出控制指令到阀门动作到达指定位置，由于延持了动作时间，从而失去了实时性， 控制效果必然大打折扣。如何克服阀门动作延迟的影响，这是在设计之初必需考 虑的问题。为此需要进一步分析过程的干扰。 原来，对控制流量产生影响的乃是负载，称之为“负载干扰”。这是坯料 在被挤压时产生的反作用力造成的。它使得串入液压主油路的比例阀前后压差在 挤压过程中发生变化。倘若能对这一压差提前预测出来，那么上述延迟所带来的 不利影响就有可能减弱或消除。如果作进一步研究，自然联想到，既然造成流量 变化的原因是负载，那么造成负载变化的原因又是什么呢? 也即负载与哪些因素 有关? 哪些因素起决定作用? 这些因素显然由工艺本身所决定。已有的研究结论指出：在材料成分相同， 工模具尺寸、制件尺寸一定的情况下，影响负载的因素有：坯料温度，坯料与挤 压模间的摩擦等，挤压速度。在挤压过程的挤压阶段，若通过控制，使得速度基 本不变( 实际上稳定挤压阶段的情形正是如此，见第3 章) ，那么影响负载的因素 第2 茕复合材料液删挤压过程控制系统总体方案砹十 就只有坯料温度，坯料与挤压模间的摩擦。由于摩擦在实际中是难于测量的，但 是它与挤压筒内壁与坯料问的接触面积有关，而面积又由坯料相对于挤压筒的位 置所决定，因此负载与挤压轴的位移有关。由此，我们是否可以通过温度、挤压 轴的位移提f j i 预测作用在坯料上的压力呢? 如果能，那么我们的重要任务之一便 是找出挤压过程中压力与位移、温度间的关系( 或模型) 。 因此，如何建立上述模型是本研究的主要内容之一。在随后一章，笔者将对 此作深入探讨。 当建立了上述模型之后，可通过该模型提前预测比例阀前后压差，从而关于 控制作用的实时性问题就可能得到解决，于是得到控制系统的功能原理图( 图 2 5 ) 。 图2 - 5 液固挤压复合材料过程控制系统功能原理图 系统实时控制时，首先由采集到的温度、位移经压差预测模型得到未来一个 或若干个周期后比例阀的前后压差预测值，然后由前馈补偿器根据数字补偿原 理对比例阀进行控制；再由反馈控制器对比例阀进行调节，实现速度闭环调节。 关于控制器的具体设计，只有在建立预测模型后方能进行。这将在第4 章作 深入研究。 2 4 复合材料液一国挤压过程控制系统控制元件的选择 液监机 图2 - 6 复合材料液一固挤压工艺过程控制系统组成原理图 旧北q - 业足学倾 学位论文第2 章复合材料液- 同挤压过程拧制系统总体方案世汁 在上节中，经过分析，确立了控制系统的基本控制策略。从图2 5 可以看 到，要实施这样的控制策略，需要采集坯料温度、挤压轴位移和挤压速度等过程 参数，并且需要计算机来实现数据的实时处理，还需要执行机构( 这罩为电液比 例阀) 去控制主油路的流量。由于本研究是对现有的成形设备( 液压机) 改造下进 行的，因此，控制系统元件的选择需紧密结合现有条件。现有的成形设备采用继 电器控制方式。本研究为达到流量的连续控制，在主油路串联一电液比例阀。对 应于图2 - 5 的控制系统组成原理图如图2 - 6 所示。考虑到后续研究的需要，图 26 中加入了采集压力的部分，并对该控制系统的设计提出如下要求： ( i ) 能完成基本控制任务一挤压速度的自动控制： ( 2 ) 能取代液压机原有的继电器控制方式，可实现手动自动的无扰切换； ( 3 ) 能采集并能直观显示模具周围5 个采温点处的温度及挤压轴位移、比例 方向阀出油口的压力：以为系统辨识建立必要的硬件平台； ( 4 ) 可维护性好，系统功能扩展方便，用户可在此基础上进一步完善控制系 统。 根据图2 - 6 及上述系统要求可进行控制元件的选择，下面对此进行介绍。 2 4 1 d i ) c 计算机及外围接口模块的选择 完成上述控制任务，可选用的计算机类型主要有两种。一种是单片机，另一 种是工业控制计算机。一般来说，前者的成本较低，但需要用户自己开发单片周 围的接口电路。因此，对开发者要求较高：开发者应对单片机及接口电路等相关 硬件比较熟悉，对汇编语言应有相当的了解，开发周期较长。此外，基于单片机 的应用系统专用性比较强，不利于系统规模、功能等方面的扩展，可维护性不太 好。后者价格较高，但对于开发者要求相对低许多。开发人员只需选用合适的工 控机型和外围接口模块，可根据需要选择c c + + 高级语言开发相应应用软件，便 可在较短的时间内完成任务，而且可维护性好得多。由于近年来微电子技术的进 步，工业控制计算机性能大大提高，而价格已下降到用户所能接受的程度，且与 之配套的工业模板也越来越多。 基于上述原因，结合系统要求，本研究选用研祥i p c 一8 1 0 i p c 一3 7 0 工控机， 配以合适的接口板卡。系统配置如下： ( 1 ) 机箱p c 一8 l o p ，全钢加固工业型机箱。适合粉尘、电磁干扰、高温、 震动、冲击等条件较恶劣的应用环境。 ( 2 ) 主板i p c 一3 7 0 v d f ，嵌入式全长c u p 卡。i p c 一3 7 0 v d f 以业界最稳定的 n t e l8 2 4 4 0 b x 芯片组进行系统设计，板上集成了a g p 显示控制器、i s a 高驱动， 两个i d e 接口、1 个f d d 接口，二串一并，二个u s b 、p s 2 接口，i r d a 红外接口、 支持d i s k o n c h i p 电子盘，带有硬件监控功能。 ( 3 ) c p u 赛扬7 3 3 m h z ( 4 ) 内存1 2 8 m ( 5 ) 硬盘4 0 g ( 6 ) 多功能数据采集卡d a c 一7 1 1 2 ，这款数据采集卡综合了所有数据采集及 控制功能：1 6 路单端或8 路差分a d ( 分辨率1 2 位) 通道：2 路双缓冲d a 模拟 输出通道：1 6 路数字 o 通道 ( 7 ) 信号调理板p c i ，d 一7 8 9 d ，用于