充液成形设备双闭环控制分析

王林，郭岩，魏丽娜，赵文雪，张绍君，贾振越，郎利辉，王耀

充液成形设备双闭环控制分析

王林1，郭岩2，魏丽娜1，赵文雪1，张绍君3，贾振越3，郎利辉4，王耀5

（1.沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110850；2.空装驻沈阳地区第一军事代表室，沈阳 110850；3.天津市天锻压力机有限公司 天津 300142；4.北京航空航天大学 机械工程及自动化学院，北京 100191；5.河北工业大学 机械工程学院，天津 300401）

研究先进充液成形设备的精度控制技术，以满足充液成形过程中对成形介质压力及侧推油缸位置的高精度控制要求，并确保模具型腔的密封性和零件成形的稳定性。基于PLC控制器下的PID闭环控制功能，将速度闭环和位置或压力闭环进行集成，开发应用于液压系统的双闭环控制方法。使用双闭环控制方法，可以调整侧推油缸的位置控制精度及响应速度，并将精度控制在0.1 mm以内，也可调整增压装置的输出端压力控制精度，使精度达到0.3 MPa。在利用充液成形设备进行液压成形的过程中，双闭环技术可以实现设备侧向密封的精确位置控制以及型腔内压力的精确控制。

充液成形；PLC；双闭环控制；PID

近年来，充液成形技术逐步进入到工业应用阶段，国内一些航空航天企业、汽车制造企业及高校已开始对充液成形技术进行深入的理论及试验研究。充液成形技术属于柔性成形工艺和绿色制造技术，是指采用液体作为传力介质代替刚性模具传递载荷，使坯料在液体压力的作用下贴靠凹模或凸模，实现金属板/管材零件成形的工艺方法。充液成形具有诸多传统成形不可比拟的优点，如成形极限高、尺寸精度好、零件表面质量优、厚度分布均匀、回弹较小、工装模具简单、柔性等，能成形的材料包括碳钢、不锈钢、铝合金、镁合金和高温合金等。适合成形形状复杂、成形难度大、精度要求高的大型薄壁构件。充液成形技术目前在国内外得到了广泛关注，已是先进制造技术的典型代表。随着液压高压密封技术、电气控制技术的不断发展，充液成形技术在国防建设、民用产品等不同领域的应用将越来越广泛[1]。

复杂变截面管件的整体精确成形是充液成形技术最为典型的应用。充液成形工艺取代传统的半管“分体冲压和组合焊接”工艺，采用“无需焊接、消除焊缝”的一体化成形技术，实现了复杂薄壁管件的轻量化成形制造。同时，随着轻量化程度的不断提高，管件的复杂程度及尺寸精度要求也越来越高[2-4]。以水箱支架为例，管件壁厚已缩减到1.2 mm左右。对复杂形状的薄壁管件在充液成形过程中的控制精度提出了更高的要求，尤其是压力控制和位置控制方面。在生产过程中，压力和位置的波动都将造成零件的破裂或失稳。根据成形工艺需要，对设备的位置精度要求一般小于0.1 mm，压力精度小于0.3 MPa。

基于以上需求，文中对设备的控制系统进行了控制算法升级，一般的PID控制算法在液压系统中无论从响应速度还是控制精度上都很难达到以上要求，文中引入了位置/速度和压力/速度双闭环控制的理念，实现了对位置和压力更快捷准确的控制。

1 闭环控制技术

1.1 PID控制技术

目前，PID控制是运动控制中最成熟的控制方法，同时也是工业控制系统中应用最普遍的方法。

PID控制模型图如图1所示，该技术是根据工业应用中特定的工艺要求和工艺背景衍生而来的。在工业过程中，连续控制系统的理想PID控制规律如式（1）所示。

式中：p为比例增益，p与比例度成倒数关系；i为积分时间；d为微分时间；()为PID控制器的输出信号；()为给定值()与测量值之差[5-6]。

如图1所示，整个控制系统可以简单分解为执行机构、传感器测量机构、目标值、输出值、比例环节、积分环节、微分环节。通过PLC控制器进行运算，整个运行过程如下：执行机构用于输出动作，驱动目标机构运行；传感器用于检测目标机构的运行状态，并实时将检测数值反馈给PLC运算控制器；比较运行状态的实际值与理想目标值后进而得出差值，然后判断对执行机构是采取增益控制还是减益控制。PLC通过PID运算得出驱动指令并提供给执行机构，以使执行机构的实际值逐渐趋近于目标值，并达到稳定效果。比例环节的主要作用是减小稳态误差，但会造成系统震荡。积分环节的主要作用是消除静态误差，但会降低系统的响应速度，增大超调量。微分环节的主要作用是阻止偏差变化[7-8]。

图1 PID控制模型图

1.2 常规闭环控制在充液成形设备上的应用

压机控制系统、超高压成形系统和模具控制系统是充液成形设备最核心最关键的部分，设备工作时滑块提供竖向压力，使上下模具处于闭合状态，同时增压装置向模具内的工件内部进行充液，实现内压力胀形，以得到成形制件。管式充液工艺要求在滑块加压的同时对管件两端进行密封封堵，并增加管件内腔高压水压力，同时要求用于封口管件的侧推缸随着水压的增长向前推进，这样在实现封水的同时可实现管件的推料功能[9-10]。因此，在整个管式充液成形的过程中需要对压机的压力、管件内腔水压以及封堵的侧推缸前进位置这3个参数进行统一联动控制。这3个参数的实际值需要按工艺要求进行控制，以此达到设置的目标值。

压力控制图如图2所示。按照工艺要求提出压力的目标值，通过PLC控制器进行运算，通过调整比例、积分、微分环节的数值，将运算后的指令输出给伺服阀，伺服阀通过控制压机的压力得到实际的压力值，再经由传感器将压力的测量值反馈给PLC运算机构，与目标值进行比较后再调整控制伺服阀的指令值，保证实际的压力值能够达到并维持在目标值附近，以实现动态平衡[11-12]。

图2 压力控制图

水压压力控制系统图如图3所示。可知，这是一个简单的超高压源水压力控制闭环系统，根据成形工艺提出当前阶段水压的目标值，之后通过PID环节整定输出参数后给伺服阀，此时伺服阀控制增压器的前进和后退以调整水压力的大小，同时将实际的水压值反馈给PLC控制器，与目标值进行比较后，修正伺服阀的控制参数，以减小实际水压值与目标水压值的差值。

图3 水压压力控制系统图

侧推缸位置控制系统图如图4所示。按照工艺动作需求，提出当前阶段侧推缸的目标位置，然后经过PID环节整定后再输出参数给伺服阀，驱动侧推缸的前进或者后退，将实际位置反馈给PLC，并与目标位置做对比运算，将运算结果提供给伺服阀，以改变侧推缸位置，使其达到目标值。因侧推缸同时起到密封和补料的作用，侧推缸的位置控制需避免出现超调后回调的情况，以免出现密封泄漏情况[13]。

图4 侧推缸位置控制系统图

1.3 优化后双闭环控制技术的应用

以上控制方式为传统的单轴PID控制，此方式只控制当前参数，以达到理想的目标值。然而在充液成形工艺中，主机压力、水压、侧推缸的位置是零件成形的关键参数，三者是统一协调进行的。只有在工艺动作上达到三者同步在协调控制的效果，才是最理想的工艺成形方式，才能在最大程度上保证成形工件的质量，使工件不会发生破裂和失稳，进而提高成形零件的贴膜度。由于每一个零件的成形要求都是有区别的，所以实际生产中要求设备的控制系统必须能够适应较多的产品规格，避免每更换一个零件就要调整控制参数的情况[14]。因此在经典PID控制算法的基础上引进双闭环控制理念是非常重要的。双闭环控制理念就是在原有单轴目标控制的基础上加入必要的速度控制算法，这样控制的效果能够使执行机构在一个稳定的运行速度下达到设定的目标值。

双闭环控制系统示意图如图5所示。在原有PID控制算法的基础上增加一个速度控制算法，在控制目标侧推缸位置的同时还可以控制侧推缸到达目标位置前的速度。按照设定好的目标位置，通过PID环节进行参数整定，然后输出给伺服阀，以控制侧推缸向目标位置运动，在到达目标位置之前，可以根据位移尺反馈回来的实际位置做速度运算处理，得到当前侧推缸运动的速度值，然后再与工艺要求的速度值进行比较判断，利用PID控制器调整伺服阀输出值，可以使实际速度值与目标速度值保持一致，控制侧推缸按照当前要求的目标速度行进，并在最后达到目标位置前保持此运行状态。同样，对于其他的目标动作也可应用此方法，如压机的压力控制会增加加压的速度目标，对于水压的压力控制会增加水压增压速度目标，以实现压力/速度的双闭环控制[15]。

图5 双闭环控制系统示意图

优化后的双闭环控制系统可以使执行机构的动作更平滑稳定、控制精度更高、响应速度更快[16]。

2 控制系统

2.1 控制系统组成

控制结构简图如图6所示，其中1为工业显示屏，是本系统的管理层，可以显示液压机的工作状态，也可以完成设备的参数设置，以实现人机对话；2是可编程逻辑控制器，即PLC；7是检测元件，通常为压力传感器、位移传感器等。根据7的反馈信号，2作为控制器可以通过应用程序使电磁铁3和伺服阀4做出相应动作，进而可以控制油缸6的动作，同时用直线位移传感器5监测油缸活塞位置[17-18]。

图6 控制结构简图

执行机构的主要元件为电磁铁3，电磁铁的吸合使电磁阀换向，油路在电磁阀内改变方向。伺服阀4采用三位四通形式，控制器2给力矩马达的线圈输入一个电信号[19-20]，再通过机械结构作用于阀芯上，阀芯经由反馈弹簧将位置信号返回，阀芯不断改变位置最终实现力矩马达和电磁转矩相平衡，以调节阀芯开启大小，从而控制油液的通过量[21-22]。

检测元件7的压力变送器可以将压力信号转化为电流信号，以便于PLC模拟量模块的采集。直线位移传感器8作为位置检测元件内置于油缸中，通过活塞处安装的磁环检测活塞位置，从而测量油缸的运行位移[23]。

本系统采用西门子公司生产的S7–1500系列PLC作为控制器2，其结构组成除了CPU处理单元以外，还包括输入模块和输出模块，而输入模块和输出模块又可以分为数字量模块和模拟量模块[24]。

PLC各模块功能如下：（1）CPU单元，给各个模块分配地址，协调各个模块之间的通讯，还可以与触摸屏通讯，同时处理PLC的各种数据并进行运算；（2）输入模块，将收集到的信号转化为CPU可以处理的数字信号，比如从压力继电器、行程开关等检测元件中收集到的是电压信号，由数字量输入模块将这些收集到的信号转化为布尔型信号给CPU，从压力传感器、位移尺等检测元件中收集到的是4～20 mA的电流信号，由模拟量输入模块将这些信号转化为整型或浮点型信号给CPU；（3）输出模块，将CPU的各种指令转化为电压/电流信号传递给执行元件，比如CPU的指令经由数字量输出模块转化为电压信号后传递给电磁换向阀的电磁铁，控制线圈吸合可以使换向阀换向，CPU的指令经由模拟量输出模块转化为电流信号传递给伺服电机驱动器，可以调节伺服电机转速，实现控制油泵的排量。

压力检测图如图7所示，压力变送器可以将压力值转化为4～20 mA的电流信号，通过模拟量输入模块将这个电流信号转化为CPU可处理的数字量信号。

图7 压力检测图

位置检测图如图8所示。SSI输入模块将绝对值型位移传感器的测量数值转化为数字信号提供给CPU进行处理。

图9是PLC控制伺服阀的示意图，伺服阀可以分为电流型和电压型，CPU的指令经过模拟量输出模块后将数字量信号转化为模拟量信号并传递给伺服阀，同时带有反馈功能的伺服阀还会将阀芯位置转化为电信号，经过模拟量输入模块再传递给CPU。PLC可通过反馈数值及命令数值的区别，分析伺服阀的运行状态。

2.2 控制软件

文中采用西门子TIA编程软件进行编程，以实现对压力和位置的双闭环控制。

西门子PID连续控制块示意图如图10所示。可知，西门子具备专用的PID连续控制功能块，可以直接进行调用。功能块中SP_INT引脚接入侧推缸目标位置，PV_IN引脚接入侧推缸的实际检测位置，输出引脚LMN为经过PID整定后的参数，用于给伺服阀输出，GAIN引脚参数为比例环节，可以使PID输出值按比例算法进行调整，TI引脚参数为积分环节，可以使系统消除稳态误差，TD引脚参数为微分环节，可以对微分控制进行调整，以达到减小超调量的目的。该功能块通过对PID参数的调整，使实际位置可以快速稳定地达到目标位置。

图8 位置检测图

图9 伺服阀控制图

图10 西门子PID连续控制块示意图

双闭环连续控制块示意图如图11所示。可知，这是一个加上速度目标值的双闭环运算块，在原有PID功能块的基础上加入了一个速度控制闭环算法，形成了一个新的功能块。首先在引脚PV上输入实际位置变量，然后在SV引脚上输入目标位置的参数变量，在Vact引脚上输入实际速度的参数变量，最后在Vset引脚上输入目标速度的参数变量，输出引脚LMN为输出给驱动机构伺服阀的参数变量。其中通过GAIN引脚调整速度闭环控制的比例参数，通过TI引脚调整速度闭环控制的积分参数。在双闭环算法内嵌套PID功能块，可以在使用时分别调整速度和位置闭环的PID参数进行整定输出，最后能使执行机构按目标速度运行并达到目标位置[25]。

图11 双闭环连续控制块示意图

3 测试情况

以管式充液成形设备中的侧推缸控制为例，采用高精度位移传感器作为位置和速度的检测元件，分辨率为0.001 5%（满量程的），重复精度<±0.001%（满量程的），更新时间为2 ms，迟滞位移＜10 μm。采用低摩擦油缸作为油缸执行机构，油缸公称力为2 000 kN，行程为150 mm，采用电液伺服系统作为油源，利用伺服电机驱动油泵，以实现液压系统流量的柔性调节，选择比例伺服阀作为精确控制元件，响应时间<12 ms，双闭环连续控制应用情况如图12所示。

图12 双闭环连续控制应用情况

运用基于PLC的双闭环控制技术，在以上高精度检测和执行元件的硬件集成系统下，实现对比例伺服阀的快速精确控制，从而精确控制执行机构的速度和位置。

2个水平油缸初始位移为5.3 mm，分别以8 mm/s的速度运行到65 mm和80 mm处，从而实现对不对称零件的密封封堵作用。经过实际验证，最终实现速度控制的匀速段为8 mm/s，位置定位于64.98 mm和79.99 mm处，定位精度分别为0.02 mm和0.01 mm，满足工艺工况对位置精度的要求。

4 结语

随着充液成形技术的广泛应用，充液成形设备的控制技术也更加成熟，为满足用户更广泛的需求，充液成形技术及设备从最初的研发试制到现在的标准化、模块化应用，一直在不断地进行优化和完善。充液成形技术开发的制件既满足了航空航天零件多品种小批量开发的需求，又能够适用于汽车轻量化零件的大批量生产。根据用户生产工况和行业发展的需要，充液成形设备也在不断完善，甚至向自动化生产线形式发展。充液成形设备不仅功能越来越复杂，精度控制要求越来越高，还逐渐由生产厚壁零件的简单成形控制方式，发展到生产薄壁零件的精密成形控制方式，由生产效率低的递进型成形工艺，发展到生产效率高的协调同步型成形工艺。响应更快、精度更高、工艺路线更优成为了充液成形设备控制系统的新发展方向。

为了适应更高运动控制的要求，控制算法和方案也在不断地被改进。采用双闭环控制方案能够在目前充液成形设备的控制系统上实现多目标多轴的同步线性运动控制，可以在保证零件成形动作与成形压力同步控制的基础上，减少在充液成形过程中由于补料不足导致管件破裂及失稳情况的发生，同时提高零件胀形的贴膜度，使成形零件的质量更优。

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Double Closed Loop Control Analysis of Hydroforming Equipment

WANG Lin1, GUO Yan2, WEI Li-na1, ZHAO Wen-xue1,ZHANG Shao-jun3, JIA Zhen-yue3, LANG Li-hui4, WANG Yao5

(1. Shenyang Aircraft Industry (Group) Co., Ltd., Shenyang 110850, China; 2. First Military Representative Office of Air Force Equipment Department in Shenyang, Shenyang 110850, China; 3. Tianjin Tianduan Press Co., Ltd., Tianjin 300142, China; 4. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China; 5. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

The work aims to study the precision control technology of advanced hydroforming equipment, to meet the accurate control requirement of forming medium pressure and lateral feed cylinder position during hydroforming process, so as to ensure the sealing of die cavity and the stability of formed parts. Based on the PID closed loop control under PLC controller, the speed closed loop and position or pressure closed loop were integrated, and the double closed loop control method was developed. With the use of the double closed loop control method, the position control accuracy and respond speed of the lateral feed cylinder could be adjusted. The accuracy could be controlled within 0.1 mm. The pressure control accuracy at the output end of hydroforming device could also be adjusted to make the accuracy reach 0.3 MPa. In the hydroforming process with hydraulic press, the double closed loop technology can realize the accurate control of the lateral feed seal position and the internal pressure.

hydroforming; PLC; double closed-loop control; PID

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.004

TG394

A

1674-6457(2022)09-0024-08

2021–12–28

国家自然科学基金（52005153）；中央引导地方科技发展项目（206Z1803G）；天津市“项目+团队”重点培养专项（XC202052）；河北省自然科学基金（E2019202224）

王林（1986—），女，助理工程师，主要研究方向为蒙皮钣金成形工艺及充液成形工艺与设备。

张绍君（1984—），男，高级工程师，主要研究方向为锻压设备电气设计。

责任编辑：蒋红晨