3 高精度壓力控制技術
3.1 模糊PID復合控制器的原理及設計
控制軟件所采用的控制器是影響低壓鑄造壓力控制精度及液面懸浮控制精度與穩定性的關鍵技術。目前的控制軟件中主要采用PID控制，其控制簡單、穩定性、可靠性高，但壓差控制精度差、階躍信號超調量大以及適應性差。模糊控制不需要建立被控對象的精確數學模型，具有魯棒性強、上升時間短及超調量小等優點，但模糊控制并不能消除靜態誤差。為結合PID控制器和模糊控制器的相互優點，本研究研制了一種新型模糊PID復合控制器。
模糊PID復合控制器的控制原理如圖4所示。系統誤差e(k)為k時刻設定壓差值減去實際壓差值，eo為設定的PID控制器與模糊控制器的切換臨界點。根據經驗可取eo=0.25 kPa，當|e|≥eo時，采用模糊控制器控制，以減少壓差超調保證動態性能；當|e|＜eo時，切換為PID控制，消除靜差保證穩態精度。此外，為保證系統輸出的連續性，當在兩種控制器之間進行切換時，控制器的輸出必須相等。
圖4 模糊PID復合控制器的原理框圖
3.1.1 PID控制器
PID控制器采用如下增量式算法，計算控制輸出量△μ(k)：
△μ(k)＝μ(k)－μ(k－1)＝
Kp△e(k)＋KIe(k)+KD[△e(k)－△e(k－1)] (3)
其中，KP、KI、KD分別為比例、積分、微分項系數，在本控制系統中KP=14，KI=4，KD=0.08。
3.1.2 模糊控制器
模糊控制器以偏差e(k)及偏差變化率ce(k)作為輸入變量，以數字組合閥的開度控制量μ(k)作為輸出變量。模糊控制器分為模糊化、模糊控制規則表以及反模糊化3個部分。
(1)模糊化及隸屬度函數
e(k)和ce(k)的論域分別取為[-1，1]、[-3，3]。系統輸入的實際值P(的和ce(k)需要按一定的轉換比例轉化為：E＝αe e(k)和Ec=αec ce(k)，其輸入量比例因子分別為：αe=6和aec=2。誤差E、誤差變化匠和控制輸出量△μ模糊子集取7個語言變量，為(NB、NM、NS、ZR、PS、PM、PB)(分別表示：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大)，其三角形隸屬度函數如圖5所示。
圖5 E、Ec、△μ的隸屬度函數
(2)模糊控制規則
采用廣泛使用的If-Then語句，共有25條：
If E＝NB and Ec=NB or NM or NS or ZR
Then μ=PB；
If E=NB and Ec=PS
Then μ=PM；
具體的模糊控制規則如表1所示。
表1 模糊推理規則表
(3)反模糊化
反模糊化是將模糊推理接口的模糊化結果轉變成可用于被執行機構所實現的精確量。反模糊化的方法很多，如最大隸屬度法、取中位數法、加權平均法等。本研究采用加權平均法，模糊控制輸出值可由下式計算：
其中i為控制規則數。
對于得到的輸出解模糊化值μfz(k)，需要乘以比例因子才能得到實際的控制量輸出值μ(k)=αμμfz(k)，其中輸出比例因子αμ=2。根據上述推理可得模糊查詢表。從模糊查詢表中讀取的值乘以比例因子αμ后，累加到最終的控制量上去，從而實現對組合閥開度的控制。
3.2 液面加壓控制系統的應用
在研制的反重力液面加壓控制系統中，下位機采用Siemens S7-200 PLC作為現場數據處理與執行機構的主要設備，上位機采用研華UNO-2170工業計算機，通過RS485接口與PLC相連，采用面向對象的Delphi語言編寫控制軟件。
鎂合金低壓鑄造時采用混合保護氣體結合壓縮干燥空氣作為聯合加壓氣體，實現澆注過程的壓力控制和合金阻燃保護，即在合金液處理好并準備澆注時，同時向坩堝內通入混合保護氣體和干燥壓縮空氣，混合保護氣體主要起阻燃作用，壓縮空氣作為調節壓力的氣體，混合氣體的進口壓力要高于結晶保壓壓力0.5 kPa，由控制系統實現坩堝內壓力的精確調節，完成鎂合金低壓鑄造。在低壓鑄造過程中，由于SF6的密度較大，會沉積在坩堝內的鎂液表面，起到保護作用。
在充型階段，雖然壓縮空氣的迸氣量較大，鎂液表面的SF6易被空氣介質吹散，發生混氣現象，但由于混合氣體通道的進口壓力較高，可保證鎂液表面SF6的含量高于0.2％-0.3％的要求，得到較好的阻燃效果。經多次冷態調試和上百次實際澆注件運行證明，液面加壓控制系統的壓力控制精度無論是在充型階段還是結晶保壓階段，都能保證控制精度誤差在0.5 kPa以內。在實現鎂合金液面在升液管口處的懸浮控制中，液面懸浮誤差不大于0.5 kPa，液面波動小于0.2 kPa。模糊PID復合控制器的研制，不僅繼承了常規PID控制無靜差、靜態穩定性好的特點，同時又兼有模糊控制適應能力強的優勢，適合非線性的反重力鑄造過程控制，有效提高了系統的壓差控制精度和抗干擾性。液面懸浮技術的應用，不僅減少了金屬液在升液管內上升與下降的頻率，降低了造成氧化夾雜等鑄造缺陷的可能性，而且還縮短了鑄型澆注時間，提高了生產效率。
該裝備自研制成功以來，在國內某鑄造研究所已投入生產運行1年多時間。利用該裝備進行了鎂合金鑄件的低壓鑄造連續生產，實現了鎂合金輪轂及進氣歧管等中小型鎂合金鑄件的批量生產，并獲得了很好的經濟效益。
4 結束語
1)采用鎂合金低壓鑄造設備的雙工位結構設計，通過臺車的移動與升降，可以實現兩臺設備之間的切換，從而保證鎂合金鑄件的連續化生產。
2)在液面加壓控制系統中采用液面懸浮技術，可實現鎂合金液面在升液管口的精確懸浮控制，有效降低鑄件中的氧化夾雜缺陷，提高生產效率。
3)研制開發的模糊PID復合控制算法，可實現鎂合金低壓鑄造過程的精確控制，壓力控制誤差在0.5kPa以內。
