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真空差压铸造系统加压模型建立与控制算法设计

马爱清  
【摘要】: 真空差压铸造在航空、航天、国防和汽车工业领域,生产近无余量、大型、薄壁、复杂有色合金铸件方面有着广阔的应用前景。铸件质量的好坏决定于铸造过程的控制精度和控制系统响应速度。由于真空差压铸造过程呈现出非线性,时变,滞后性严重等特性,是参数不断变化的动态过程,被控对象的数学模型难以用简单固定的方式进行描述,为了真空差压铸造控制系统对参量的控制能达到铸造工艺需要的控制要求,必须对真空差压铸造系统加压模型进行深入的分析,同时对控制器的控制方式及算法设计探讨与研究。 本文首先在分析真空差压铸造过程及原理的基础上,应用工程流体力学理论,机理分析法建立了真空差压铸造系统铸造罐内压力和储气罐内压力与铸造罐体积,储气罐体积,铸造罐初始压力,储气罐初始压力和连通管截面积之间的关系,并详细分析讨论这些设备参数对铸造罐内压力变化的影响,研究结果表明:连通管截面积对加压过程升压速率影响最明显,储气罐初始压力和铸造罐体积对加压过程气体平衡时的压力影响最明显;其次,为了验证理论建模的正确性,实验法研究加压模型,设计了真空差压铸造测试系统,这是实验法辨识理论模型的基础,包括测试系统硬件电路设计和测试系统软件设计,硬件部分设计了压力检测电路,I/V转换与隔离电路和A/D转换电路,软件部分利用多线程和定时器技术完成了铸造罐内和储气罐内压力数据的定时采集,显示和存储,利用该测试系统实时采集铸造罐内和储气罐内压力,通过MATLAB工具插值拟合方法辨识出被控对象的数学模型,实验结果表明:理论建立模型是正确的,根据信号与系统理论得出真空差压铸造系统的被控对象频域模型,结果表明该加压系统被控对象是一个二阶模型;最后基于被控对象的数学模型,对真空差压铸造控制系统设计了PID控制器,变参数PID控制器,模糊变参数PID控制器,并对PID控制器和模糊PID控制器进行仿真分析,仿真结果表明:模糊PID控制器较常规的PID控制器具有较小的超调量,更快的反应时间,表现出更好的控制效果。同时还分析了组合数字阀的设计原理,根据对加压系统气体流动规律的分析,推导得出组合数字阀设计依据。 本课题的研究一方面为真空差压铸造系统设备的研制提供了一定的理论依据,另一方面根据建立的数学模型,为以后的控制算法的研究和实现奠定了基础,在很大程度上解决了系统的控制精度和响应速度问题,大大提高了铸件的质量。


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