3 高精度压力控制技术
3.1 模糊PID复合控制器的原理及设计
控制软件所采用的控制器是影响低压铸造压力控制精度及液面悬浮控制精度与稳定性的关键技术。目前的控制软件中主要采用PID控制，其控制简单、稳定性、可靠性高，但压差控制精度差、阶跃信号超调量大以及适应性差。模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，具有鲁棒性强、上升时间短及超调量小等优点，但模糊控制并不能消除静态误差。为结合PID控制器和模糊控制器的相互优点，本研究研制了一种新型模糊PID复合控制器。
模糊PID复合控制器的控制原理如图4所示。系统误差e(k)为k时刻设定压差值减去实际压差值，eo为设定的PID控制器与模糊控制器的切换临界点。根据经验可取eo=0.25 kPa，当|e|≥eo时，采用模糊控制器控制，以减少压差超调保证动态性能；当|e|＜eo时，切换为PID控制，消除静差保证稳态精度。此外，为保证系统输出的连续性，当在两种控制器之间进行切换时，控制器的输出必须相等。
图4 模糊PID复合控制器的原理框图
3.1.1 PID控制器
PID控制器采用如下增量式算法，计算控制输出量△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分别为比例、积分、微分项系数，在本控制系统中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)及偏差变化率ce(k)作为输入变量，以数字组合阀的开度控制量μ(k)作为输出变量。模糊控制器分为模糊化、模糊控制规则表以及反模糊化3个部分。
(1)模糊化及隶属度函数
e(k)和ce(k)的论域分别取为[-1，1]、[-3，3]。系统输入的实际值P(的和ce(k)需要按一定的转换比例转化为：E＝αe e(k)和Ec=αec ce(k)，其输入量比例因子分别为：αe=6和aec=2。误差E、误差变化匠和控制输出量△μ模糊子集取7个语言变量，为(NB、NM、NS、ZR、PS、PM、PB)(分别表示：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大)，其三角形隶属度函数如图5所示。
图5 E、Ec、△μ的隶属度函数
(2)模糊控制规则
采用广泛使用的If-Then语句，共有25条：
If E＝NB and Ec=NB or NM or NS or ZR
Then μ=PB；
If E=NB and Ec=PS
Then μ=PM；
具体的模糊控制规则如表1所示。
表1 模糊推理规则表
(3)反模糊化
反模糊化是将模糊推理接口的模糊化结果转变成可用于被执行机构所实现的精确量。反模糊化的方法很多，如最大隶属度法、取中位数法、加权平均法等。本研究采用加权平均法，模糊控制输出值可由下式计算：
其中i为控制规则数。
对于得到的输出解模糊化值μfz(k)，需要乘以比例因子才能得到实际的控制量输出值μ(k)=αμμfz(k)，其中输出比例因子αμ=2。根据上述推理可得模糊查询表。从模糊查询表中读取的值乘以比例因子αμ后，累加到最终的控制量上去，从而实现对组合阀开度的控制。
3.2 液面加压控制系统的应用
在研制的反重力液面加压控制系统中，下位机采用Siemens S7-200 PLC作为现场数据处理与执行机构的主要设备，上位机采用研华UNO-2170工业计算机，通过RS485接口与PLC相连，采用面向对象的Delphi语言编写控制软件。
镁合金低压铸造时采用混合保护气体结合压缩干燥空气作为联合加压气体，实现浇注过程的压力控制和合金阻燃保护，即在合金液处理好并准备浇注时，同时向坩埚内通入混合保护气体和干燥压缩空气，混合保护气体主要起阻燃作用，压缩空气作为调节压力的气体，混合气体的进口压力要高于结晶保压压力0.5 kPa，由控制系统实现坩埚内压力的精确调节，完成镁合金低压铸造。在低压铸造过程中，由于SF6的密度较大，会沉积在坩埚内的镁液表面，起到保护作用。
在充型阶段，虽然压缩空气的迸气量较大，镁液表面的SF6易被空气介质吹散，发生混气现象，但由于混合气体通道的进口压力较高，可保证镁液表面SF6的含量高于0.2％-0.3％的要求，得到较好的阻燃效果。经多次冷态调试和上百次实际浇注件运行证明，液面加压控制系统的压力控制精度无论是在充型阶段还是结晶保压阶段，都能保证控制精度误差在0.5 kPa以内。在实现镁合金液面在升液管口处的悬浮控制中，液面悬浮误差不大于0.5 kPa，液面波动小于0.2 kPa。模糊PID复合控制器的研制，不仅继承了常规PID控制无静差、静态稳定性好的特点，同时又兼有模糊控制适应能力强的优势，适合非线性的反重力铸造过程控制，有效提高了系统的压差控制精度和抗干扰性。液面悬浮技术的应用，不仅减少了金属液在升液管内上升与下降的频率，降低了造成氧化夹杂等铸造缺陷的可能性，而且还缩短了铸型浇注时间，提高了生产效率。
该装备自研制成功以来，在国内某铸造研究所已投入生产运行1年多时间。利用该装备进行了镁合金铸件的低压铸造连续生产，实现了镁合金轮毂及进气歧管等中小型镁合金铸件的批量生产，并获得了很好的经济效益。
4 结束语
1)采用镁合金低压铸造设备的双工位结构设计，通过台车的移动与升降，可以实现两台设备之间的切换，从而保证镁合金铸件的连续化生产。
2)在液面加压控制系统中采用液面悬浮技术，可实现镁合金液面在升液管口的精确悬浮控制，有效降低铸件中的氧化夹杂缺陷，提高生产效率。
3)研制开发的模糊PID复合控制算法，可实现镁合金低压铸造过程的精确控制，压力控制误差在0.5kPa以内。
