密炼机上顶栓位置控制系统研究

成亚云 陈 云 季海燕

（南通理工学院 机械工程学院，南通 226001）

目前，橡胶工业约90%的胶料靠密炼机混炼。就轮胎加工业而言，混炼阶段橡胶质量的好坏不仅影响轮胎的使用寿命，也会影响车辆驾驶的安全性。控制上顶栓位置是保证产品质量、提高生产效率的一种关键技术[1]。国内的密炼机上顶栓结构往往采用开环控制，但是由于系统复杂，混炼过程难以得到有效控制。本研究以实验用小型密炼机上顶栓的位置为研究对象，采用电液比例阀为控制元件，以安装在上顶栓横梁上的位移传感器为测量元件，与上顶栓横梁刚性连接的两液压缸为执行元件，以AMESim为设计平台，对两缸位置进行建模仿真。

1 上顶栓组成

本文研究对象为实验用小型密炼机。上顶栓主要由左右液压缸、上横梁、上顶栓压砣以及压杆等部件组成。横梁两端与两液压缸活塞杆刚性相接，液压缸筒固定不动且活塞杆垂直向上。液压缸有两个工作腔，分别是有杆腔和无杆腔。密炼机上顶栓工作循环流程为“原位待机—快升—慢升—高位停止—快降—慢降—冲压—返回”，上顶栓上升或下降动作由液压缸活塞杆带动[2]。上顶栓上升时，液压缸无杆腔进油，有杆腔出油，活塞杆伸出，上顶栓远离密炼室；上顶栓下降时，液压缸无杆腔出油，有杆腔进油，活塞杆缩回，上顶栓靠近密炼室。

上顶栓位置控制系统主要由电液比例阀和位移传感器组成。它以位移传感器为测量元件，被控对象是上顶栓，被控量是上顶栓位置。将位移传感器安装在上顶栓横梁上，既使得传感器免受伺服电机的磁场干扰，又能提高系统的集成度，大大提高了系统性能。横梁与负载也是刚性连接，传感器测得的上顶栓位移量即负载的位移。

2 上顶栓位置控制系统设计

上顶栓液压系统采用伺服电机驱动定量泵，最终控制上顶栓的输出，主要由控制器、伺服驱动器、伺服电机、双向定量泵、上顶栓和传感器组成。位移传感器安装在上顶栓横梁上，测得的信号会反馈到控制系统，将反馈信号与上位机设定信号相比较得出位移偏差。经比例-积分-导数（Proportion-Integral-Differential，PID）控制器处理后，控制信号又经过放大器放大转化为模拟量电压，传递至伺服电机线圈两端改变其电压，从而改变电机转速和转向。此时，双向定量泵的流量大小及输出油液的方向也作出相应改变，从而有效控制上顶栓的位置。

3 基于AMESim的液压模型仿真

3.1 仿真软件介绍

AMESim是法国IMAGINE公司开发的一款多领域液压系统仿真集成平台，主要用于液压机械系统的建模、仿真与动力学分析，为流体传动提供了一个完善、优越的仿真环境与灵活的解决方案[3]。

3.2 AMESim液压模型建立

为了方便建模，将压砣、横梁简化成一个整体的质量块，忽略运行中的摩擦力、外界干扰以及其他液压系统的影响。图1为建立上顶栓位置控制系统液压模型，设置元件参数，液压缸直径63 mm，活塞杆直径45 mm，活塞最大行程250 mm，液控单向阀和普通单向阀开启压强0.03 MPa，泵转速1 000 r·min-1，泵排量50 mL·r-1，电机功率5 kW。仿真类型采用固定步长方式，求解器采用ode3，仿真时间为5 s，其他默认。

根据上顶栓的运行过程，可以得出液压系统最大流量出现在上升的快进阶段，此时速度最大，达到56.67 mm·s-1。设上顶栓处于最低点定为原位，活塞杆的最大行程为0.25 m，上顶栓从原位运行到冲压部位的时间是5 s。反复调整PID值，Kp=1，Ki=0.5，Kd=0.001，设置阶跃信号为-0.2 m，仿真时间为5 s，通过仿真得到上顶栓阶跃响应曲线如图2所示。结果显示，系统超调量不大，但达到稳定状态的时间大于2 s，上升时间长。系统响应过慢会导致上顶栓混炼效果的不均匀性，但是若一味注重提高快速性，调整PID参数，又会影响系统的稳定性[4]。

位移传感器随时检测上顶栓位置，当位置偏差较大时，要求系统能快速跟踪，在位置偏差较小时，要求系统能准确跟踪。但是，位置伺服系统要求快速、准确、无超调的响应特性，用常规PID调节器不容易满足系统高性能的要求，特别是实际工作过程存在时变性和液压元件滞环、饱和、泄漏等非线性特性和众多外部干扰因素等情况。使用常规PID算法控制上顶栓工作过程得到上顶栓位置-时间曲线，主要反映密炼机一次混炼全行程中上顶栓系统的跟随特性。曲线显示位移根轴曲线在接近设定值时速度缓慢，系统在上升沿和下降沿的反应不够迅速，系统响应慢，系统的滞后性较大，表明对周期信号的跟随效果不太理想。

因此，使用AMESim的优化设计功能模块中的遗传算法功能对PID控制器的参数进行优化，以期寻找满足系统稳定性、准确性和快速性的最优解，提高位置控制系统的准确性。

4 遗传优化及结果分析

遗传算法求解PID参数优化问题的主要思路是将Kp、Ki、Kd这3个参数编码生成初始种群进行适应度函数的计算，以最大遗传代数为终止条件，若满足，则输出PID最优解，若不满足，则适应度大的染色体保留，在全部染色体中随机选择PID参数作为子代染色体，再进行交叉、变异，并在多次迭代后获得最优PID参数[5]。在AMESim参数模式下，通过批处理分析确定PID的大致参数范围，Kp为0～100，Ki为0～20，Kd为0～10。将Kp、Ki、Kd设 置为Global Parameters，选择optimization中的遗传算法进行3个参数的优化。设定种群规模为30，交叉概率为60%，变异概率为5%，最大遗传代数为50。运行经过50代进化得到优化后的PID参数为Kp=45、Ki=0.4、Kd=0.001。系统采用优化后PID参数进行控制，得出上顶栓位置跟随预设曲线的变化如图3所示。

由图3可以看出，设定的位移-时间曲线与跟踪的曲线重合度较高，位置系统对密炼机的一次周期性行程的跟随误差非常小，能达到性能要求。0～5 s为上顶栓从原位上升至最高点，从第5 s开始上顶栓开始下降，3 s后转为慢速接近密炼室上方，然后行程终止，开始10 s混炼时间。此过程中密炼室封闭，压力保持不变，之后再原路回到原点。仿真结果表明，采用遗传算法优化位置控制系统的PID参数后，系统能较好地追踪设定位移曲线，误差非常小，性能较从前明显提高。

5 结语

利用AMESim液压仿真软件设置元件参数，对实验用小型密炼机的上顶栓位置控制系统进行仿真。结果表明：和常规的PID算法控制策略相比，遗传算法优化后的PID参数能更精确控制上顶栓的移动，显著提高控制系统对周期位置信号的跟踪精度，减小系统响应误差。此上顶栓位置控制系统的研究能保证两同步液压缸按预设轨迹做跟随运动，从而提高密炼机的生产效率，可以为今后密炼机上顶栓工作全过程的智能控制研究提供参考。