基于模糊PID控制技术的转向节差压铸造工艺研究

发布时间：2021-03-24所属分类：工程师职称论文浏览：1次

摘 要： 摘要：采用两种控制技术对6082铝合金转向节差压铸造中的浇注温度、充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力进行了控制，并进行了试样的耐磨损性能和冲击性能的测试与分析。结果表明：与常规PID控制技术相比，采用模糊PID控制技术对转向节差压铸造过程中的参数

　　摘要：采用两种控制技术对6082铝合金转向节差压铸造中的浇注温度、充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力进行了控制，并进行了试样的耐磨损性能和冲击性能的测试与分析。结果表明：与常规PID控制技术相比，采用模糊PID控制技术对转向节差压铸造过程中的参数进行控制，可提高转向节的耐磨损性能和冲击性能，使其室温磨损15min后的磨损体积减小17.6%，冲击吸收能增大16.7%。

　　关键词：常规PID控制;模糊PID控制;铝合金转向节;差压铸造

　　转向节是一种重要的汽车零件。差压铸造是转向节的一种常用生产方法，作为一种在低压铸造上发展起来的铸造方法，吸引了大量科研人员的研究兴趣。孙荣创[1]基于PLC可编程序控制器设计开发了件数差压铸造电气控制系统。宗绍迎等[2]对某回转体铸件的差压铸造工艺进行了研究和改进设计。崔恩强等[3]采用差压铸造方法进行了VW63Z稀土耐热镁合金舱体的成型试验。李鹏飞等[4]研究和分析了差压铸造铝合金汽车转向节的夹杂物。严其艳等[5]设计开发了真空差压铸造S3C2440嵌入式智能控制系统。袁文锋等[6]对发动机整体薄壁铝合金精铸件进行了真空差压铸造制备研究。陈新林等[7]基于神经网络算法对铝合金差压铸造工艺参数进行了优化。刘益标等[8]研究和分析了基于单片机控制的薄壁铝合金真空差压铸造设备压力控制系统。王清等[9]分析了SLS砂型中碳纤维对真空差压铸造ZL205A合金性能的影响。但是目前关于转向节差压铸造控制的研究还较少，难以对实际的工业化生产提供指导和支持。为此，本文研究了基于模糊PID控制技术的转向节差压铸造，以期获得具有工程应用价值的试验数据。

　　1控制技术及试验方法

　　1.1模糊PID控制

　　模糊PID控制是集模糊技术与PID控制技术于一体的新型控制技术，它基于误差和误差变化率，通过PID控制器进行比例系数、积分系数和微分系数的自主调节控制，同时按照一定的规则对控制对象进行模糊化，再根据相应的知识经验进行推理决策，然后再解模糊并实现输出。由于转向节差压铸造过程中，浇注温度、充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力是最重要的4个工艺参数。为此，本文研究这4个工艺参数的模糊PID控制。转向节差压铸造的模糊PID控制原理如图1所示。图2是转向节差压铸造的模糊PID控制算法框图。在该控制系统中，系统输入量有4个：温度偏差e(t)T、温度偏差变化率ec(t)T、压力偏差e(t)P、压力偏差变化率ec(t)P。在模糊控制器中将比例系数KP、微分系数KI、积分系数KD通过模糊化、推理决策和去模糊化三大步骤，从而满足在不同变化情况下的温度偏差和温度偏差率对浇注温度的控制要求，以及压力偏差和压力偏差率对充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力的控制要求，从而实现转向节差压铸造过程中浇注温度、充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力的精确控制。在模糊PID控制系统中，模糊集合论域为[-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4]，隶属函数选用三角函数，模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

　　1.2试验对象及试验方法

　　本文试验研究对象为6082铝合金转向节，具体化学成分如表1所示。采用差压铸造进行转向节试样成型，在成型过程中采用新型模糊PID控制技术以及常规PID控制技术进行浇注温度、充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力的控制。差压铸造转向节试件及取样位置如图3所示，其中圆柱盲孔直径60mm、深12mm，此处壁厚20mm。

　　按图3所示，分别在模糊PID控制和常规PID控制差压铸造的转向节试样切取磨损试样和冲击试样。磨损试样为圆片状，尺寸准20mm×5mm，在室温摩擦磨损试验机上进行磨损试验，磨轮转速500r/min、相对滑动速度90mm/min、磨损时间15min、对磨材料为试样本体，每3min记录一次磨损体积，并用JSM6510扫描电子显微镜观察试样的表面磨损形貌。冲击试样为矩形状，尺寸55mm×10mm×5mm，缺口为V型、深度2mm。冲击试验在夏比室温冲击试验机上进行，记录冲击功，并在JSM6510扫描电镜下观察冲击断口形貌。

　　2试验结果及分析

　　2.1耐磨损性能

　　分别采用新型模糊PID控制和常规PID控制差压铸造的转向节试件，在室温测试的耐磨损性能如图4所示。从图4可以看出，与常规PID控制相比，采用模糊PID控制差压铸造的试样在磨损试验过程中的磨损体积明显减小，试样耐磨损性能得到明显提高。当磨损时间15min时，与常规PID控制相比，采用模糊PID控制差压铸造试样的磨损体积减小17.6%。可以看出，差压铸造过程中采用模糊PID控制技术对浇注温度、充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力进行控制，可以有效提高试样的耐磨损性能。

　　图5是采用模糊PID控制和常规PID控制差压铸造的转向节铸件在室温磨损试验后的表面形貌SEM照片。从图5(a)可以看出，采用常规PID控制时，试样磨损试验后表面存在较多的凹坑以及较粗的磨痕。从图5(b)可以看出，与常规PID控制相比，当采用模糊PID控制时试样磨损试验后表面的凹坑减少、磨痕变浅，试样的磨损情况得到减轻。这与试样的磨损体积测试结果相符。

　　2.2冲击性能

　　表2是采用模糊PID控制和常规PID控制差压铸造的转向节试样的室温冲击性能测试结果。与常规PID控制相比，采用模糊PID控制差压铸造试样的冲击吸收能增大，试样的冲击性能得到提高，试样的冲击性能得到提高。换言之，在转向节差压铸造过程中，采用模糊PID控制技术对浇注温度、充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力进行精确控制，有助于改善差压铸造转向节的冲击性能。

　　图6是分别采用新型模糊PID控制和常规PID控制差压铸造转向节试样的冲击断口SEM照片。与常规PID控制相比，当采用模糊PID控制时试样冲击断口中韧窝增多，且韧窝更细小、深邃，表现出更好的冲击性能。这与试样的冲击吸收能测试结果一致。由此可以看出，在转向节差压铸造过程中，对浇注温度、充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力进行模糊PID控制，可以对差压铸造过程中的温度控制和压力控制达到更好的控制效果，从而改善差压铸造转向节的耐磨损性能和冲击性能。

　　在差压铸造过程中，浇注温度对铸件质量产生显著影响。浇注温度的精确控制有利于提高铸件内部质量，改善铸件综合性能。在差压铸造过程中采用常规PID控制技术进行浇注温度控制时，往往存在控制精度不高、抗干扰能力差等问题。与常规PID控制技术相比，模糊PID控制技术具有更好的鲁棒性和容错能力，能有效解决浇注温度控制过程中的强耦合时变、滞后等问题，具有适应浇注温度动态变化、环境特征变化的能力，从而可以实现浇注温度的精确控制，提高抗干扰能力，从而可以有效提高差压铸造转向节的耐磨损性能和冲击性能。充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力是差压铸造中特别重要的3个压力参数，这3个压力参数的精确控制对铸件性能产生明显影响。如果采用常规PID技术对充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力进行控制，很容易出现控制精度不够、滞后等问题，导致铸件性能不够理想;如果采用模糊PID技术进行参数的控制，可以充分发挥模糊PID控制的鲁棒强、容错能力强等优点，精确控制这3个压力参数，从而明显提高铸件的耐磨损性能和冲击性能。

　　3结论

　　(1)与常规PID控制技术相比，采用模糊PID控制技术对转向节差压铸造过程中的浇注温度、充型压力、结壳增压压力和结晶增压压力进行控制，可以提高转向节的耐磨损性能和冲击性能。

　　(2)与常规PID控制技术相比，采用模糊PID控制技术差压铸造的转向节室温磨损15min后的磨损体积减小17.6%，冲击吸收能增大16.7%。——论文作者：周月侠1,赵晓东2,刘玉兰3

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