（材料加工工程专业论文）锻造操作机电液比例位置控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着微电子集成技术和计算机技术的迅速发展，电液比例技术作为一种新型的电 液控制技术得到了越来越多的应用。本文针对锻造操作机电液比例位置控制系统惯性 大，精度要求高的特点，分析并建立了基于参数自整定的模糊p i 控制器来进行系统 的控制4 本文首先分折了操作机系统计算机控制方案。在对电液比例位置控制系统分析研 究的基础上，得到了电液比例阀控系统的数学模型，为计算机仿真提供了基础。通过 对模型的分析，提出采用参数自整定f u z z y p i 控制器作为操作机系统控制器。参数自 整定机构能通过偏差和偏差变化率在线调整模糊控制器的参数，优化控制器的性能： 另外，p i 环节的引入。能降低系统的稳态误差。 为了检验控制器的性能，利用m a t l a b 强大的仿真工具s i m u l i n k 和模糊工具箱， 加上s 函数的有效连接，对控制器进行了仿真。( 结果表明该控制器具有良好的稳态控 制精度和较强的鲁棒性。 针对锻造系统的功能特点，在d o s 环境下对控制计算机编制了程序。参数自整 定模糊p i 控制器在控制软件模块中实现。f 实验结果分析表明，该控制器能满足系统 实时控制的要求，稳定性好。在界面管理模块中，采用触摸屏和键盘的冗余设计，提 高了人机对话的灵活性和方便性。在通信管理模块中，采用基于t c p i p 的双机跨平 台实时通信程序设计。利用b e r k e l e y 套接字的通用性建立了统一的网络平台和程序接 口，实现控制计算机与监测计算机之间的实时通信。 计算机仿真和实际应用结果表明，参数自整定模糊p i 控制器能较好的实现锻造 操作机的控制，以此为基础编制的控制系统软件能够满足控制要求j 关键词：电液比例位置控制：参数自整定：模糊p l 控制、动态仿真触摸屏、，t c p i p 7 j ，、 华中科技大学硕士学位论文 ：= ：= = = = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = = = = ；= = ；= = = ；= = ；= 一 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o - e l e c t r o n i c si n t e g r a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l t e c h n o l o g yi s h am o l eb r o a d a p p l i a n c ea sak i n do f n e w t y p ee l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n o l o g y f o r t h el a r g ei n e r t i a a n dh i g hp r e c i s i o nd e m a n do ft h ef o r g i n gr o b o t ，t h i sp a p e ra d o p t st h ee l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lp o s i t i o n c o n t r o ls y s t e mb a s e do ns e l f - t u n i n gp a r a m e t e rf u z z y - p i c o n t r o l l e r f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec n c c o n t r o ls c h e m eo ft h ef o r g i n gr o b o t f r o mt h e r e s e a r c ho ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e rb u i l d st h e m a t h e m a t i cm o d e lo ft h ee l e c t r o h y d r a u i cv a l v ec o n t r o ls y s t e mw h i c h i sa p p l i e df o rt h e c o m p u t e rs i m u l a t i n g t h es e l f - t u n i n gp a r a m e t e rf u z z y - p ic o n t r o l l e ri sp u t f o r w a r da st h e c o n t r o l l e ro ft h ef o r g i n gr o b o ts y s t e m t h ec o n t r o l l e rc a l lo p t i m i z ei t sp e r f o r m a n c eb y a d j u s t i n gi t sp a r a m e t e r o n l i n eb a s e do nt h ee r r o ra n dt h ee r r o rc h a n g er a t i o a n di tr e d u c e s t h es y s t e m s s t e a d y e r r o r b yi m p o r t i n go f p ip r o c e s s t o p r o v e t h ec o n t r o l l e r sp e r f o r m a n c et h i s p a p e rs i m u l a t e s t h ec o n t r o l l e rb yt h e s i m u l i n ka n df u z z yt o o l b o xo fm a t l a bw i t ht h ee f f i c i e n c yc o n n e c t i o nu s i n gs f u n c t i o n s i m u l a t i o ne x a m p l e sa n dt h ep r a c t i c e ss h o wt h a tt h es y s t e mh a sg o o dc o n t r o l p e r f o r m a n c ea n d r o b u s t n e s s a c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i ct h i sp a p e rp r o g r a m st h ec o n t r o lc o m p u t e r s p r o g r a m i nd o so p e r a t o r s y s t e m i n t h ec o n t r o ls o f t w a r em o d u l et h ec o n t r o l l e ri s p r o g r a m m e da n d t e s t i f i e di th a sg o o ds t a b i l i t ya n dc a ns a t i s f yt h er e q u e s to ft h er e a l t i m e c o n t r o l s y s t e m i n t h ei n t e r f a c e m a n a g em o d u l e i t a d o p t s t h et o u c h s c l e e na n dt h e k e y b o a r d sr e d u n d a n c yd e s i g nw h i c hm a k e st h ei n t e r c o m m u n i o nb e t w e e nt h eo p e r a t o ra n d t h ec o m p u t e rm o r ef l e x i b l ea n ds i m p l e i nc o m m u n i c a t i o nt n a n a g em o d u l et h er e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec o n t r o lc o m p u t e ra n dt h em o n i t o r c o m p u t e r i sw e l lr e a l i z e db y p r o g r a m m i n g t h et w od i f f e r e n to s c o m p u t e r s r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o np r o g r a m b a s e do n t c p a p p r o t o c 0 1 i ts e t su pt h eu n i t en e t w o r ke n v i r o n m e n t a n dt h ep r o g r a mi n t e r f a c eu s i n g t h eu n i v e r s a lc h a r a c t e r i s t i co f b e r k e l e ys o c k e t t h er e s u l to f s i m u l a t i n ga n da p p l y i n gi nt h ep r a c t i c es h o w s t h a tt h ec o n t r o lc o m p u t e r s o f t w a r eb a s e d0 1 1t h es e l f - - t u n i n gp a r a m e t e rf u z z y - p ic o n t r o l l e r , w h i c hc a nc o n t r o lt h e f o r g i n g r o b o tv e r yw e l l 啪s a t i s f yt h e s y s t e m sc o n t r o lr e q u e s t k e yw o r d s ：e l e c t r o - h y d r a n l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l s e l f - t u n i n gf u z z y - p ic o n t r o l d 脚 n i cs i m u l a t e t o u c h s c r e e n t c p i p u 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1 课题来源 华中科技大学与兰州兰石新技术开发实业公司多年以来一直合作进行快速锻造 液压机组的研制与开发工作，本课题是合作项目“8 m n 快速锻造液压机组计算机控 制系统”的重要组成部分。 1 1 2 课题的提出 大型锻造车间锻造操作机通常是有轨全液压驱动，而且采用的是双动式结构，采 用换向阀和开关阀控制【“。在操作机控制系统中，锚杆采用四连杆缓冲机构，当快速 锻造时，操作机采用连续前进或后退送进方式，可以大大减少锻件送进时的冲击；随 着电液比例技术的发展，传统的电液开关控制逐渐被电液比例控制代替，电液比例控 制可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足实际工程需要。采用电液比例阀、旋转 编码器和计算机组成操作机夹钳闭环位置控制系统及操作机行走闭环位置控制系统， 可以使夹钳旋转及操作机行走运行平稳、响应快、定位精度高。 本课题“锻造操作机电液比例位置控制系统研究”正是在这种背景下针对锻造操 作机的位置控制提出的。 1 2 锻造操作机电液比例控制概述 1 2 1电液比倒控制系统工作原理 在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力连续 成比例受到控制的系统被称为电液比例控制系统，其组成如图1 - 1 所示。 一匦群霉堕寸砸受亟卜匝卧匿辩警一醴卜州竺! h 竺塑卜i 燮h i 遂 i 、一一一一一- j 受堕三 一一j j ：一一一一一- j 受堕三 一一j ： 一一t 堕寸一j 图i - 1电液比纠位置控制系统框图 l 华中科技大学硕士学位论文 在比例控制系统中，主控制元件可以有无限种状态，分别对应于受控对象的无限 种运动。在控制过程中，比例元件根据接收到的控制信号自动转换状态。控制器发出 指令，通过放大器控制比例阀，使执行机构按指定的要求动作。比例阀接受电信号指 令，连续的控制液压系统的压力、流量、方向等参数，使之与输入电信号成比例的变 化。 1 2 2电液比例控制技术国内外发展状况 液压工业已成为全球性的工业，国际液压界一些著名公司如美国的派克汉尼芬公 司( p a r k e rh a n n i p i n ) 、德国的博世力士乐( b o s c h - r e x r o t h ) 公司等居世界领先 地位。二战后，计算机技术和控制理论的发展给液压技术注入了新的动力，电液比例 控制正是适应液压工程对电液控制技术的要求发展起来的。 电液比例控制是6 0 年代末快速发展起来的可靠、价廉、控制精度和响应速度均 能满足工业控制系统实际需要的一种控制技术，是针对伺服阀控制存在的诸如功率损 失大、对油液过滤要求苛刻、制造和维护费用高等问题，在近四十年迅速发展起来介 于普通开关控制与伺服控制之间的新型电液控制技术分支。 电液比例阀自问世以来，经历了几个发展阶段【2 l 【3 】【4 】【5 1 。开始是以1 9 6 7 年瑞士 b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀和7 0 年代初日本油研公司申请了压力和流量两项比 例阀专利为代表，用比例型的电一机械转换器( 如比例电磁铁) 代替开关电磁铁或调 节手柄，阀的原理和设计准则几乎没变，多用于开环控制。自7 0 年代中期之后。采 用内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上日趋成 熟，阀的应用领域日渐扩大，开始用于闭环控制。8 0 年代开始，比例元件的设计原理 进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正的手段，阀的稳态 精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高，除因制造成本所限，比例阍在中位仍 保留死区外，其稳态和动态性能均已和工业伺服阀无异。同时比例技术和插装阀相结 合形成了电液比例插装技术。另外由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液 一体化的比例元件，电液比例技术逐渐形成了8 0 年代的集成化趋势。 比例控制系统是电液控制技术的一项新发展，是微电子技术与液压技术间的接 口。如德国b o s c h 公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统，引入了比例阀、 p l c 和数据总线技术，使其电控系统功能更加完善，成本显著降低，迅速占领了欧美 各种拖拉机的应用市场。 目前，国外电液比例技术正向以下几个方向发展【3 l ： 2 华中科技大学硕士学位论文 1 1 提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高电液比例阀及远控多路 阀的性能，使之适应野外工作条件。并发展低成本比例阀，其主要零件与标准阀通用。 2 ) 比例技术与两通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，特点是结构 简单，性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于集成：此外出现比例容积控制为中、 大功率控制系统节能提供新手段。 3 ) 由于传感器和电子器件的小型化，出现了传感器、测量放大器、控制放大器 和阀复合一体化的元件，极大的提高了比例阀电反馈的工作频宽。主要有：( 1 ) 高频 响、低功率比例放大器及高频响比例电磁铁的研制，1 9 8 6 年西德b o s c h 公司提出高 性能闭环控制比例阀，由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应的放大器，并含位置 反馈闭环，其流量输出稳态调节特性无中位死区，滞环仅0 3 ，零区压力增益达3 额 定控制电压，负载腔达8 0 供油压力，工作频宽和性能已达高水平伺服阀，而成本仅 为其1 3 。( 2 ) 带集成式放大器的位移传感器( 2 0 0 h z ) 的开发，为电反馈比例阀小型化， 集成化创造良好的条件。加拿大的m i c r o h y d r a u l i c s 公司生产的高性能电液比例 流量阀c e t o p s 可提供伺服阀特性而是比例阀的价格，工作频宽达4 0 h z 。( 3 ) 伺服 比例阀( 闭环比例阀) 内装放大器，具有伺服阀的各种特性：零遮盖、高精度、高频响， 但其对油液的清洁度要求比伺服阀低，具有更高的工作可靠性。如b o s c h 公司生产 的n g l 0 伺服比例阀。( 4 ) 随着控制技术和计算机技术的发展，各种智能化的控制器 的采用，可以改善比例阀的性能，使之有较好的动态响应指标。 随着电液比例控制技术的迅速发展，国内针对比例阀的各个部分均进行了一系列 的研究开发工作。在比例控制放大器上，一系列通用型单向及双向模拟式、开关式和 快速型比例控制放大器研制成功并投入生产。快速型采用高频开关放大技术和新颖的 反接卸荷功率驱动电路，显著改善了比例电磁铁的动态性能，解决了传统低频开关式 颤振信号频率和幅度不可独立调节等问题，控制性能良好。在应用方面，电液比例阀 以其诸多优点迅速在液压系统中得到了广泛应用，在华中理工大学研制的锻造液压机 组中，大通径比例阀代替了多级插装节流阀传动系统，有效的提高了系统的快速性和 平稳性，且系统结构简单，使用维护方便，投资相对也较低。 1 2 3 锻造操作机控制技术国内外发晨状况 锻造液压机组的自动控制主要是从五十年代末、六十年代初开始的。最初，为了 提高锻件的尺寸精度和取代人工测量的繁重劳动，英国钢铁研究协会和原苏联莫斯科 斯大林机床工具学院的研究人员分别进行了液压机锻件的高度自动检测和控制。前者 3 华中科技大学硕士学位论文 先采用数字控制( n c ) ，然后发展成计算机数字控制( c n c ) ：后者应用放射性同位 素检测和控制。由于锻造液压机组的自动控制在自由锻造生产中取得了良好的效果， 原西德和日本等国也相继开始了有关研究与应用，1 9 7 2 年第六次国际锻造会议中报道 了p a h n k e 公司自动锻造台阶轴的试验，1 9 7 7 年第八次国际会议介绍了锻造液压机与 操作机联动的工业试验。随着微型计算机的出现，国外迅速实现了锻造操作机的行走 位移和夹钳旋转运动等的控制，以及压机与操作机的联动【6 】( 7 】。 由于锻造操作机流量大，工作环境恶劣，一般为多级阀控制，属非线性系统，不 可能获得精确数学模型。因此，国外在很早以前就开始了智能控制策略的研究，各种 基于模糊理论、智能神经网络等先进控制理论的控制技术相继在控制系统中被采用。 模糊理论在控制领域里的应用开始于1 9 7 4 年。英国科学家m a m d a n i 首次将模糊 理论应用于蒸汽机的控制系统中，开辟了模糊理论应用的新领域。在1 9 7 4 年到1 9 7 9 年，模糊控制的发展处于简单模糊控制器的研究阶段。在这期间，美国加州一公司率 先生产了第一只模糊逻辑芯片。1 9 8 0 年丹麦的斯密司公司首先应用芯片在水泥烘干机 中成功的实现了模糊控制，但其自适应能力和鲁棒性很有限，稳定性也不够理想。1 9 8 0 年至今是发展高性能模糊控制器的阶段。1 9 7 9 年t j p r o c k y 和e h m a m d a n i 共同提出 了自学习概念，使系统性能大为改善。1 9 8 3 年日本富士电机开创了日本第一项应用一 一水净化处理。1 9 8 7 年日本仙台地铁线采用了模糊控制器。如今模糊控制取得了长足 的发展，特别是在日本，得到了迅速的推广和应用。例如，在家用电器设备中有智能 洗衣机、微波炉、空调机和摄录机等，在工业闭环控制系统中有水净化处理、发酵控 制等，在专用系统和其他方面的应用有地铁控制、机器人等。对模糊控制的改进方法 主要集中在三个方面：模糊复合控制，自适应和自学习模糊控制以及模糊控制和智能 化方法的结合【8 】【9 】【1 0 1 1 l 】【i2 1 。 国内华中理工大学从1 9 6 2 年起进行锻造液压机锻件高度的放射性同位素检测 和控制研究。1 9 6 5 年冶金部、机械工业部组织原华中工学院、西安重型机械研究所 等单位开展锻造液压机组自动控制的研究，并在华中工学院锻压实验室建造了i i v i n 试验机组，初步取得了实验室研究成果。随后华中工学院承担机械工业部下达的“锻 造液压机组自动控制”研究课题并于1 9 7 8 年完成。1 9 8 0 年成功利用m e k 6 8 0 0 d ： 微型计算机，实现了1 0 0 0 k n 锻造液压机及双动操作机试验机组的c n c 控制，随之 与第一重型机器厂合作，开始了工业应用试验研究，然后又与西安重型机械研究所、 兰州石油化工机器厂合作完成了8 m n 锻造液压机及操作机的微型机控制。在实验室 毒 华中科技大学硕士学位论文 条件下，在我国首次实现了锻造液压机与操作机的数字控制。获得自由锻件精度 l m m ，夹钳旋转角度精度1 2 。，在8 0 1 0 0 次分锻造次数下，液压机与操作机 能平稳联动。现在又在为武汉重型铸锻厂( 4 7 1 厂) 进行国内第一台1 6 m n 快速锻造液 压机组的研制“。 同一时期，沈阳重型机器厂也开展了“快锻水压机微机控制系统”的研究采用 6 8 0 9 单片机，组成光电码盘电液伺服微机随动控制系统，使压机行程次数最快达到 1 4 0 次分。西安重型机械研究所采用可编程控制器实现了“6 3 m n 快锻液压机组”的 控制，使工艺流程全部机械化操作，并达到了8 0 次，分效果。 由于锻造液压机流量大，工作环境恶劣，一般为多级阀控制，属非线性系统，不 可能获得精确数学模型。基于这一情况，1 9 8 0 年华中理工大学开始了液压系统的模糊 控制研究，并将成果应用于生产实际，取得满意的效果。由于影响自由锻造的因素很 复杂，即使应用模糊控制技术，仍有可能出现超调，为了获得高精度锻件，华中理工 大学于9 0 年代开始智能控制研究，采用智能控制，控制系统能根据上一次压下量及 时修正模糊控制策略。实践证明，这一措施极为有效，能够锻造出尺寸精确、表面光 滑的高质量锻件。 锻造液压机从6 0 年代开始在各工业国家得到了较大发展，当前世界上研究、开 发与生产锻造液压机机组的公司其技术水平和主要技术指标大体相同。从技术先进性 上要首推德国p a h n k e 公司。我国在六十年代后期也开始了这方面的研究，但由于诸 多客观因素，均未能成功直到八十年代中期才开发出一台8 m n 液压机组，九十年 中期形成正式产品。 在锻造液压机机组的几个主要性能指标方面，国内外整体技术水平相当，但由于 我国基础工业存在一定差距，液压机组的制造工艺水平尚不及国外先进水平，产品的 系列化、标准化程度低。到目前为止，各工业发达国家生产的新式锻造液压机最大规 格分别为：美国，2 0 斛；英国，3 0 m n ；德国，4 0 m n ；日本，3 0 m n ；前苏联，8 m n 。 我国仅为8 m n 。 1 3 课匿的研究目的与意义 由于具有快速响应性能和高的控制精度，液压伺服技术在需要高精度、快速响应 的应用领域占据了重要位置。但是人们也发现电液伺服器件的价格过于昂贵，对油质 要求十分严格，能量损失较大。电液比例控制技术较好地解决了传统的电液开关控制 华中科技大学硕士学位论文 系统精度低和电液伺服控制系统价格昂贵、维护费用高等不足，因而得到迅速发展， 并在20 世纪8 0 年代逐步走向成熟。为了提高生产效率，增加系统的可靠性和稳 定性以及具有更好的抗干扰性能，减少非线性和微机控制离散化的影响，液压控制策 略的要求越来越高。因此，电液比例控制系统的控制策略一直在不断的改进和完善。 锻造操作机位置控制系统由定量泵，电液比例阀和液压马达组成，其基本要求是 系统能快速、平稳而准确的达到给定位移，即要求定位精度高、时间短、超调小、可 靠性高、抗干扰能力强。传统的控制技术虽然也能满足上述要求，但系统往往结构复 杂，成本高。而采用微机和先进的控制策略相结合，不仅使系统结构简单，而且具有 良好的定位精度、动态品质与抗干扰能力。 模糊控制不需建立精确的数学模型，结构简单，易于实现，在液压控制系统中得 到了广泛的应用【1 4 】。但是常规的模糊控制器存在着两个问题，就是稳态控制精度和系 统的智能水平及适应能力不高【1 5 】。在实际应用中，人们往往把模糊控制思想和各种成 熟的控制理论有机的结合起来【1 6 1 ，发挥各自的长处，从而得到满意的控制效果。由于 模糊控制易于在微机中实现，而且模糊控制规则很容易被人们接受，所以这种复合控 制方法具有了强大的生命力和良好的效果。本课题的目的是研究出一种理想的参数自 整定模糊p i 控制器来满足电液比例阀控制的操作机位置控制系统高精度、高速度的 要求。 本校在与兰州兰石新技术开发实业公司合作研制的快速锻造液压机组中，应用电 液比例阀和计算机控制技术来实现系统的高效精确控制【l 刀。本课题的研究具有很强的 实践性，并已应用在山东兖州合金钢厂的锻造系统中。 1 4 课置的主要研究内容和本文的主要工作 本课题主要研究了锻造操作机的控制，针对控制系统的特点采用基于参数自整定 的f u z z y p i 控制器的电液比例位置控制系统来进行操作机的大车行走和夹钳旋转控 制。本文的主要研究内容如下： 第二章首先描述了基于电液比例控制的锻造操作机位置控制系统，然后以液压马 达为基础建立起了阀控马达位置控制系统的数学模型，并对数学模型进行了分析，提 出了基于参数自整定的模糊p i 控制器的系统控制方案。 第三章简单介绍了模糊控制理论，随后分析了参数自整定f 嵫y p i 控制器的提 出原因，并建立了控制器。在建立起控制器之后，采用m a t l a b 中的模糊工具箱和 6 华中科技大学硕士学位论文 s i r e u l i n k 对控制器进行了仿真，并对仿真结果进行了分析，和传统p i d 控制器进行了 比较，结果显示，该控制器鲁棒性好，实时性强，可以达到满意的控制效果。 第四章在总体上介绍了控制系统的体系结构，对软件的各种模块功能进行了分 析。然后针对控制软件模块、界面管理模块和通信管理模块的设计进行了详细的论述。 1 5 本章小结 本章首先对开展本项课题的研究意义做了一个简单阐述，然后简要介绍了电液比 例控制技术及锻造操作机控制技术的国内外研究现状和发展趋势，指出了国内研究和 国际上的差距，最后介绍了全文及课题所做的主要工作。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 锻造操作机控制方案设计 2 1基于电液比例位置控制的操作机控制系统概述 普通锻造液压机大多技术落后，采用手工操作，劳动生产翠较低，而且原材料和 能源消耗大，劳动条件恶劣，锻件精度和质量差。目前，国内外新发展的锻造液压机 多数以液压油为介质，采用泵直接驱动和计算机控制，同时与操作机进行联动控制。 锻造液压机组的基本构成如图2 1 所示【1 8 】。 图2 - l锻造液压机组示意图 锻造液压机、操作机、移动砧库等组成机组，由计算机控制，一入操作：在每分 钟锻造次数高达8 0 次以上时，液压机与操作机的自动联动，锻件精度为i n m l 。机 组结构庞大，动作复杂，控制对象和监测量多，分为地上、地下多个控制单元，同时锻 造生产现场环境条件十分恶劣，如高温、高湿、大振动、强冲击、强电磁干扰、大粉 尘等，并且整套机组造价昂贵，对设备的运行、维护要求很高【1 3 】。因此，锻造液压机 组控制系统必须解决以下技术问题：( 1 ) 在高压、大流量、换向频繁的条件下，对大 运动惯量负载进行平稳控制，并达到i m m 精度；( 2 ) 机组经常处于2 4 小时满负荷 工作锻件十分昂贵，需研制高可靠计算机控制系统。 3 华中科技大学硕士学位论文 随着液压机锻造精度的提高，锻造操作机也相继采用了先进的控制方式a 起初， 操作机为电气驱动。这种操作机的加速度通常受到限制，大车行走和夹钳旋转的定位 精度都不高，难以实现液压机与操作机的自动联动控制。因此，出现了液压驱动式操 作机。但由于辅助操作时间仍较长，影响整个锻造循环周期，无法充分发挥快速的优 势。另外随着钢锭重量和操作机夹持能力的提高，运动部分的惯性越来越大，要使其 停止、换向和迅速加速都非常困难，不仅动作不灵敏、功率损耗大，而且还会造成较 大的系统液压冲击。因此在此基础上发展了全液压双动操作机。锻造时，这种操作机 的大车相对地面作匀速运动，夹钳也相对大车作等速纵向运动，且其方向可以改变。 当央钳与大车同向移动时，被夹持的工件也以相对地面二倍的速度运动，实现快速送 进；当夹钳与大车反向移动时，工件相对地面静止，上砧对其进行锻压。由于需改变 运动方向的只有夹钳及工件( 不包括大车等笨重部件) ，不必象普通操作机那样需经 常对整个操作机起动、加速和减速、制动，所以惯性小，快速性好，运行平稳，定位 精确，消耗功率少，便于实现自动控制和联动。 锻造操作机是有轨全液压驱动的双动式结构，采用电液比例阀控制【1 9 j 。当快速锻 造时，操作机采用连续前进或后退送迸方式，大大减少了锻件送进时的冲击；采用电 液比例阀，旋转编码器和计算机组成操作机夹钳闭环位置控制系统及操作机行走闭环 位置控制系统，使得夹钳旋转及操作机行走运行平稳、响应快、定位精度高。 操作机的动作可以分为两大部分：夹钳旋转，大车运动。大车的运动决定了锻造 时坯料的纵向送进量，夹钳旋转的转角误差会影响锻件的几何形状和尺寸，因此定位 精度应在l 。操作机的c n c 控制方框图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 夹钳旋转及大车运动控制方框图 9 华中科技大学硕士学位论文 2 2 系统数学模型的建立 在控制系统的研究中，建立系统的数学模型是非常重要的。它是设计系统、分析 系统性能和改进系统结构所不可或缺的强有力工具。描述控制系统的数学模型有许多 种，传递函数就是基于古典控制理论的数学模型。在操作机的夹钳旋转控制和大车行 走控制中，系统数学模型是建立在电液比例阀控液压马达的静、动态特性基础上的。 系统模型可简化如图2 - 3 所示。 t l - - - - - - - - 一 一l 坠卜 图2 - 3 系统简单模型框图 电液比例阀内部可分为两大部分，即电一机械转换器和液压放大元件，还可能带 有阀内的检测反馈元4 q = t 2 0 j 。电一机械转换器是电液的接口元件，它把经过放大后的电 信号转换成与其电量成比例的力或位移。这个输出力或位移改交了液压放大级的控制 液阻，经液压放大作用，把不大的电气控制信号放大到足以驱动系统负载，这里是液 压马达( 2 1 1 1 2 2 。 为了建立阀控液压马达的数学模型，这里忽略了比例放大器、电一机 械转换器及测速传感器等的动态变化，认为比例阀的输出与比例阀的输入电压成正 比。下面给出阀控液压马达的数学模型。 1 ) 阀的线性化流量方程卿 假定阀是理想零开口，控制窗口对称匹配，比例阀两侧压差恒定，回油压力为零。 经线性化后，阀的流量方程为： q l ；k q x ，( s ) 一k c p l ( s )( 2 2 1 ) 式中： q 负载流量( m 3 s ) 以阀芯匣移( m ) 华中科技大学硕士学位论文 = 一= = = = ；= = = = ；= = = ；= = ；= = = ；= = = = = = ；= = = ；。 k c 流量压力系数 吃负载压降( p a ) 2 ) 液压马达腔油流的连续性方程【5 】 假定： ( 1 ) 所有的连接管路短而粗，管道内压力损失、流体的质量的影响和管道动态特 性忽略不计 ( 2 ) 液压马达工作腔内各处压力相等，油温和体积弹性模量为常数。 ( 3 ) 液压马达内外泄漏为层流流动。 液压马达的有效工作容积，随着马达转角0m 而变化，变化率便是马达的排量 d m ，从而可以得到 q l ( 。2 域j 巳。) + _ 聃) + 岳肿) ( 2 _ 2 2 ) 式中： d ，液压马达的体积排量 艮液压马达的角位移 c 。液压马达总泄漏系数( m s n s ) ( 包括液压马达的内泄漏系数和外泄 漏系数) v 。液压马达总容f 职( m 3 ) ( 其中包括比例阀腔的容积，比例阀至液压马达联 接管道容积，液压马达通道和液压马达进油腔的容积。) 卢。系统的有效体积弹性模量( 包括液体、混入油中的空气以及马达管道的 机械柔度。) 式2 2 2 中，等号右边的第一项为推动马达运动所需的流量，第二项为马达进油 腔向出油腔的内泄漏量和向外的外泄漏量之和，第三项是进油腔中油液( 包括渗入油 中的空气) 的可压缩性以及腔体在压力作用下膨胀所需要的流量。 3 ) 液压马达轴上的力矩平衡方程 5 1 马达所受力矩包括惯性力矩、粘性力矩、扭簧力矩和任意外负载力矩，根据力矩 平衡建立平衡方程为： 华中科技大学硕士学位论文 一= = 口= ；= = 2 ；= d m p ( s ) = ( z s 2 + 吃s + g ) 包( s ) + 瓦( d ( 2 2 3 ) j + 液压马达及负载( 折算到轴上) 的总转动惯量( n m - s 2 r a d ) 战液压马达及负载( 折算到轴上) 的总粘性阻尼系数( n i t i 曲a d ) 瓦作用于液压马达轴上的任意外负载力矩( n _ m ) 由式2 2 1 ，2 2 2 ，2 2 3 可得阀控马达的传递函数为 啪，：喾 亿z 川 菲特厩= 4 厦，一黻频率) 瓯= 每卢形+ 去，一阻尼系数 q = 4 厦k 形容积滞后频率( r a d s ) 设定比例阀的比例放大器的系数为k ，电机械转换器系数为k ，反馈传感器系 数为k f 忽略比例放大器、测速传感器的动态变化，得到阀控马达位置控制系统的方 图2 - 4 阀控马达传递函数方框图 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 2 3 系统控制方案设计 2 3 1 系统数学模型分析 式2 2 4 给出了以惯性负载为主，并考虑油液压缩性的液压马达的动特性时，液 压马达输出角位移对阀输入位移和负载力矩的传递函数。 1 1 对阀输入位移的动特性 由式2 , 2 4 可以看出，马达轴角速度s e , ( s ) 对阎芯位移的响应是一个二阶振荡过 程，即当x ，为阶跃输入时，轴的输出速度s 既( s ) 不是立刻等于皂。( s ) ，而是经过一 个二阶振荡过程才达到的。另外式中包含一个积分环节，表明对于x ，的慢变化输入 ( 频率远小于) ，轴的角速度s 巳( s ) 与阀芯位移x ，成正比。鲁为速度放大系数。 由式2 2 4 可以看到，对阀输入位移的关系由速度放大系数、液压固有频率和阻 尼比三个综合参数所决定。 速度放大系数反映阀对液压马达速度控制的灵敏度，直接影响闭环系统的稳定性 和响应速度。提高速度放大系数可以提高闭环系统的响应速度，但会使系统的稳定性 降低。速度放大系数的变化取决于阀的流量增益k ，与其成正比。因此，它随阀的 工作点变化而变化。空载零位时，流量增益最大，速度放大系数最大，随着负载的增 大而减小。一般来说，速度放大系数的降低不会对稳定性有不利的影响，因此一般采 用空载速度放大系数。 液压固有频率是惯性负载于液压马达腔中油液压缩性相互作用的结果。液压固有 频率表示液压马达的快速性，固有频率高，响应速度快。通常。是系统各环节中最 低的频率，因此它是电液比例系统响应速度的上限。要提高液压固有频率，就要减少 p ：、，增大d ，、尼。 阻尼比是由阀的流量压力系数，系统的泄漏和摩擦损失所引起的。泄漏大、摩 擦大，消耗的能量大，阻尼作用强。阻尼比表示液压马达的相对稳定性，并对系统的 稳定性和动态品质产生影响。阻尼比越大，系统的稳定性越好。 2 ) 对负载力矩扰动的动特性 华中科技大学硕士学位论文 一= = ；= ；= = = = = = 目= = = = = = ；= j = = 目= ；= = = 一 对负载力矩扰动的动特性是指负载力矩变化对液压马达输出速度的影响。一般负 载变化引起的动态过程不会影响系统的固有特性，但是液压马达的动态刚度会对液压 马达的速度有影响。在负载惯量大的情况下，动态刚度会随着负载惯性的体现而显著 增加。同时，阶跃力矩负裁对系统的控制精度和效率均有较大影响。 2 3 2 系统控制方案设计 锻造操作机大车行走和夹钳旋转控制系统负载质量大、转动惯量变化较大，要求 能快速、平稳而准确的达到给定位移且可靠性高、抗干扰能力强，对控制器提出了较 高的要求。以夹钳旋转控制为例，夹钳旋转速度为1 0 r r a i n , 回转力矩为5 0 k n m ，负载质 量为o l o t 。转动惯量随着伸出量变化。为此，控制系统对控制策略提出的主要要求 为： 1 ) 在满足稳态精度的前提下，尽量提高系统的动态特性，要求控制器能做到快 速无超调的控制被控对象。 2 ) 对于系统参数变化、外负载干扰引起的不定性，控制系统应呈现较强的鲁棒 性，控制策略应具有较强的智能，控制算法简单，实时性强。 操作机位置控制系统具有快时变性的特性，很难用数学表达式来描述其动态特 性。在式2 2 4 的推导过程中，许多参数是根据经验选取的，并采用了一些必要的简 化工作，因此模型的精度很低。此外，系统工作环境和条件( 如温度和系统压力) 的变 化也会使模型的参数随之改变。常规的p i d 控制方法主要适用于固定参数的系统，所 以这种根据经验选取和简化参数的方法以及模型参数的时变性会直接影响p i d 控制 系统的性能指标。 若采用模糊控制的方法设计控制器，可以避免把大量的工作花费在建立、推导和 简化模型上，而把主要的工作放在分析系统的性能特点上，系统模型不再使用数学解 析表达式而是根据自然语言来建立相应的模糊模型。因此，液压系统的控制策略选择 中，人们往往采用模糊控制策略。 但是在基本模糊控制器的大量应用和研究中，人们虽然感到了这种控制器的响应 时间短，超调量小，鲁棒性好等优点，但是对较复杂的被控对象，基本模糊控制器的 稳态性能较低，特别是基本的模糊控制器存在着不可能消除稳态偏差和稳态偏差变化 率的缺点，因此改善性能的模糊控制器在各种系统中得到广泛的应用。 针对锻造操作机电液比例位置控制系统的特点，我们采用了一种带参数自整定的 模糊- - p i 控制器，位置控制系统如图2 5 所示。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 5锻造操作机电液比例位置控制系统方框图 控制器部分主要由f u z z y p i 调节器和f u z z y 参数自整定机构组成。基本的模糊控 制器可以看作是比例环节和微分环节的同时作用，因而引入p i 环节是为了加入积分 环节的作用来消除系统存在的稳态偏差和偏差变化率。实验表明，& 、k 、k d 、k i 四个参数对系统的动态特性有着很大的影响：k 越大，系统上升时间越短，k 有抑 制超调的作用；k 和k j 越大系统上升时间越短，但易导致振荡。参数自整定机构可 以根据偏差e 和偏差变化率e c 在线调整k 、k 、k 、k i 四个参数使系统的动态特 性和稳态性能达到更好的一致。本文将在下一章对控制系统的方案进行详细的分析阐 述。 2 4 本章小结 本章首先描述了基于电液比例控制的锻造操作机位置控制系统，然后建立以液压 马达为基础建立起了阀控马达位置控制系统的数学模型，并对数学模型进行了一定的 分析，提出了基于参数自整定的模糊p i 控制器的系统控制方案。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 参数自整定f u z z y p i 控制器的建立及仿真 3 1 模糊控制理论 模糊控制以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基 础采用计算机控制技术构成一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统】。从线 性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制。从控制器的智能角度 来看，它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，模糊控制属于智能范畴，而且已成 为目前实现智能控制的一种重要而有效的形式f 2 4 】，与传统的其他自动控制系统相比， 它具有以下优点： 1 ) 无需预先知道被控对象的精确数学模型，所以，可以对那些数学模型难以求 取和无法求取的对象进行有效控制。 2 ) 由于模糊控制规则是以人的经验总结出来的条件语句表示的，因此对模糊控 制理论不熟悉的人员也很容易学懂和掌握模糊控制方法。 3 ) 由于是以人的语言形式来表示控制知识，因而有利于人机对话和系统的知识 处理，从而使系统处理具有灵活性和机动性。 模糊控制是基于“专家知识”、采用自然语言规则表示的一种智能控制策略【2 5 l 。 下面介绍一下模糊理论的一些基础知识，以便于更好的理解模糊控制器的算法和结 构。 3 1 i 模糊集合与隶曩度函数 在普通集合概念中，论域中的任一元素要么属于某个集合，要么不属于这个集合， 不能有含混不清的说法。普通集合描述的是一种“非此即彼”的清晰概念。但是现实 生活中充满了各种模糊的事务和概念，表现在语言上就是有很多模糊概念的词，如在 误差描述方面有“误差大”，“误差小”等没有明确的外延内涵的词。 模糊概念不能用经典集合来描述，因为论域上的元素不是绝对的0 或1 ，而是介 于0 和l 之间的一个实数。1 9 6 5 年模糊控制理论的创始人l a z a d e h 在他的论文模 糊集合论中提出了隶属函数的概念，用来描述客观事务差异的中间过渡的不分明性 m a 在模糊集合论中，为了描述客观事务的模糊性，将二值逻辑 o ，1 扩展