2015届决议书版与华

锻造操作机夹钳旋转系统T-S模糊模型与自适应控制答辩人：罗杰华指导老师：邓华教授答辩时间：2015年5月答辩提纲1、课题背景及研究内容2、夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析3、液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模型4、夹钳旋转系统自适应死区逆控制研究5、夹钳旋转系统控制实验6、总结与展望1

课题背景与研究内容引言研究对象研究现状研究内容研究思路1

课题背景与研究内容研究对象锻造操作机—主要用于夹持锻件配合压机完成锻造工艺。夹钳旋转系统夹钳机构液压传动系统时变不确定性重载大惯量研究难点夹钳旋转—主要用于夹钳定位、顺应运动。高度非线性液压阀液压油缸液压马达控制器传感器信号升降运动水平、俯仰运动行走定位旋转定位jl3幻灯片4jl3采用锻造操作机与锻压机联动配合工作，可以大大地提高生产效率、锻件的质量以及设备利用率，缩短锻造周期，降低劳动成本等。在与锻压机联动配合的过中，锻造操作机一般需要实现多个基本动作，包括大车行走、夹钳旋转、夹钳升降、夹钳俯仰、夹钳水平运动等，其中夹钳旋转是锻造操作机的主要运动之一jiehua

luo,

2015/5/141

课题背景与研究内容模糊控制神经网络控制不依赖系统精确数学模型训练时间长、设计复杂控制简单、稳定性好，不依赖系统精确数学模型1.2

研究现状运动学建模与分析；夹钳旋转系统针对液压系统设计控制器。PID控制 控制简单、基于线性化模型角位移控制没有考虑夹钳旋转机构的动力学特性。将系统看做线性系统来研究。控制器的有效性没有进行试验研究。不足之处1

课题背景与研究内容1.3

研究内容①夹钳旋转系统非线性特性分析②夹钳旋转系统T-S模糊模型③

高精度定位、平稳运行1.4

研究思路T-S型与验证模糊模控制器设计仿真分析控制实验主要针对摩擦与死区非线性分析有效的控制策略实验验证与分析性分析统非线性特夹钳旋转系2

夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析引言夹钳旋转机构数学模型主要非线性因素分析摩擦非线性死区非线性流量-压力非线性2

夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析夹钳旋转机构数学模型比例阀的流量方程Ps补偿阀主阀PmPLQLvP

-

P

=

DP

x

<

0xv

‡

0vv0,

x

<

0

m

2其中s

(x

)=1,D

P

=

Ps

-

Pm带压力补偿的流量控制阀恒定液压马达流量连续性方程液压马达负载平衡方程(

)

(

)L

vvQ

=

g

xs

x pm

-

p1

+

s

(-xv

)pm

-

p2

Pm

-

P1

=

DP xv

‡

0dqm

+

Vm

dpL

+

CLmtm

Ledt

4b

dtQ

=

DpmDm

pL

=

Jm

mdt

2fm+Tdtd

2q

dq

m

+

B

m

+T2

夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析2.2

主要非线性因素分析w

(rad

/

s摩擦力矩Tf

/

N.mTc-TcBwTf

(w

=

Bw

w

+Tc

sign

(w“库伦”+“粘性”摩擦(1)

摩擦非线性黏滑运动稳态误差低速情况下，易造成系统死区特性。020406001234(b)5时时t/s夹夹夹夹夹rad/s仿仿实实0204060012345时时t/s夹夹夹夹夹rad/s仿仿实实(a)

760102030012345时时t/s夹夹夹夹夹rad/s仿仿实实(b)0102030012345(a)76时时t/s夹夹夹夹夹rad/s仿仿实实jl4幻灯片9jl4摩擦是一种复杂的、非常常见的非线性现象，可能会导致系统产生稳态误差和滑动等，严重时会影响系统的动态性能和动态品质。在许多工程实际应用中，通摩擦非线性特性来进行工作，比如在汽车应用方面，包括离合器、刹车片等，然而对于机器人、数控机床等装备，由于摩擦的存在引起了黏滑运动和稳态误差不利因素jiehua

luo,

2015/5/142

夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析产生原因电液比例阀死区静摩擦死区死区特点死区输出一般不可测死区参数是时变未知的0brlbmlmr(2)

死区非线性—不对称性、时变不确定性u(t)v(t)r

lmr

(v

(t

-

br

v

(t

‡

bru

(t

)=

N

(v

(t

))=

0b

<

v

(t

)<

bm v

(t

)-

bl

)

v

(t

)£

bll

(死区斜率mr死区断点br死区斜率ml死区断点bl空载1.21.91.3-2.0锻件为

290kg1.152.01.35-2.2锻件为

800kg1.252.151.2-2.3jl5幻灯片10jl5死区特性在许多的控制系统中都会遇到，是一类典型的非线性特性，常出现在液压伺服阀和电流伺服马达,一般来说，死区特性对系统的稳定性影响不大，主要会在初始响应时产生稳态误差，从而影响系统控制性能.对于死区具有未知不对称性和时变不确定性，一般的控制方法是很难解决死区对系统性能的影响，需要研究一种行之有效的控制方法来消除死区给带来的困难。jiehua

luo,

2015/5/142

夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析(3)

流量-压力非线性1.9

£

u£

4-

2

<

u

<1.960000

*1000-

4

£

u

£

-260000

*1000-0.34185u3

+

4.472u2

-

6.9975u

+

6.6885QL

=QL

=00.64937u3

+

6.7019u2

+11.679u

+

9.4684QL

=非线性因素1.5233.5405101520252.5电电v流流L/min实实实实三三三三三三（a）30-4-3.5-2.5-251015202530-3电电v流流L/min实实实实三三三三三三（b）模型复杂性+控制器设计困难3

液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模型引言夹钳旋转系统特点T-S模糊模型表述建模方法——T-S模糊模型夹钳旋转系统T-S模糊模型模糊隶属度函数的学习模型验证与分析3

液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模型时变不确定性重载大惯量夹钳旋转系统特点非线性模型高度非线性单一线性模型控制器设计困难不方便工程上应用局限性无法满足控制要求T-S模糊模型复杂、强非线性系统控制器设计容易3.2

T-S模糊模型表述T-S模糊模型是由一组“IF-THEN”来描述非线性系统，每条规则代表一个子系统。IF

z1

(t

is

Mi1

and…and

zp

(t

is

Mipi

=1,

2...,

r.i

y(t)=C

x(t)

THEN

x

(t

=

Ai

x(t

+

Biu(t

+w

(tjl1幻灯片13jl1T-S模糊模型是将正常的模糊规则及其模糊推理转换成一种数学表达式。本质上是全局非线性系统通过模糊划分建立多个简单的线性关系，然后通过模糊理论把多个局部线性关系平滑连接起来，去逼近非线性系统。jiehua

luo,

2015/5/133

液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模型3.2

建模方法——T-S模糊模型非线性系统通过输入输出数据系统辨识已知物理模型或数学模型模糊模型（T-S模糊模型）设计控制器第一种建模方法第二种建模方法Lagrange法Newton-Euler法虚功原理法“扇区非线性建模法”、

“局部逼近法”或两者结合3

液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模型3.3

夹钳旋转系统T-S模糊模型0028104

6时时（s）2468(a)

10负负电负（MPa）2.5v3.0v3.5v024

6时时（s）81002468(b)10负负电负（MPa）-2.5v-3.0v-3.5v2THEN

x(t)

=

A2

x(t)

+

B2u(t)

+wRule1:

IF

x2

(t)

isPosition

and

x3

(t)

is

BigTHEN

x(t)

=

A1x(t)

+

B1u(t)

+w1Rule2:

IF

x2

(t)

isPosition

and

x3

(t)

is

Middle3THEN

x(t)

=

A3x(t)

+

B3u(t)

+wRule3:

IF

x2

(t)

isPosition

and

x3

(t)

is

SmallRule4:

IF

x2

(t)

isNegative

and

x3

(t)

is

SmallTHEN

x(t)

=

A3x(t)

+

B3u(t)

+w3Rule

5:

IF

x2

(t)

is

Negative

and

x3

(t)

is

MiddleTHEN

x(t)

=

A5

x(t)

+

B5u(t)

+w5Rule

6:

IF

x2

(t)

isNegative

and

x3

(t)

is

BigTHEN

x(t)

=

A6x(t)

+

B6u(t)

+w63

液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模型夹钳旋转系统T-S模糊模型的最后输出(

)(

)(

)

(

)(

){}(

)66i=1iiir

i=1

x

t

=h

z

tA

x

t

+

Bu

t

+w

t=mi

(z

(t

)){Ai

x

(t

)+

Ciu

(t

)}+w

(t

)mi

(z

(t

))i=1mi

(z

(t

))=Mij

(z

j

(t

))2j

=1(

)(

)mi

(z

(t6

mi

(z

(t

))i

=1ih

z

t

=

264.1445

s

(s2

+

28.6317s

+

92.5876)(

)20

<

PL

£

5477.34856.5

<

PL

£11L5

<

P

£

6.5G

(s)=

s

s

+

28.6317s

+

92.6345869.7988

s

(s2

+

28.6317s

+102.3256)系统在各个平衡点位置附近的线性模型式中：jl2幻灯片16jl2根据流量特性曲线被分段线性化以及实验测得的负载压力变化范围jiehua

luo,

2015/5/133

液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模型3.4

模糊隶属度函数的学习3xA1A2A3(1A

3m

x(2A

3m

x(3A

3m

xw1w

2w3w

12ww

3y1y2y3w

1

y12w

2

yw

3

y3y第一层第二层第三层第四层第五层经过训练后的模糊推理系统能够很好地使

T-S模糊模型与训练实验数据趋势一致。结论自适应神经模糊推理系统（ANFIS）结构基于数据的建模具有自学习和自适应能力自动产生模糊推理特点24810006x(3)0.20.40.60.81Degree

ofmembership-40204060-20246时时t/s夹夹夹夹夹rad/s模模模模实实实实3

液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模型3.5

模型验证与分析204060001234（b）5时时t/s夹夹夹夹夹rad/s模模模模实实实实2020406034567时时t/s负负电负MPa模模模模实实实实102040601.522.533.544.5（c）

（d）8时时t/s电电v模输输输-3.50204060-3-2.5-2-1.5-0.5-10.50时时t/s夹夹夹夹夹rad/s模模模模实实实实（b）2040602034567时时t/s负负电负MPa模模模模实实实实（c）-40204060-3.5-3-2.5-2-1.5时时t/s电电v模输输输（d）T-S模糊模型与实验趋势一致，所建T-S模糊模型是合理的。结论液压系统冲击、振动动力学参数不准确传感器噪声实际系统摩擦、阻尼主要原因3

液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模型-502040608010005时时t/s电电v模输输输（c）-4020406080100-20246时时t/s夹夹夹夹夹rad/s模模模模实实实实（a）-10020406080100-50510时时t/s负负电负MPa模模模模实实实实（b）4

自适应死区逆控制研究引言引言自适应死区逆控制仿真结果4

自适应死区逆控制研究设计一种自适应调节规律来调整非线性逆的参数，使其补偿非线性。采用一种自适应死区逆控制对回路进行补偿的方法。引言自适应逆控制非线性函数逆抵消非线性影响，死区非线性特性对系统的影从而呈现线性特征；响比较大，轻则引起误差和振荡，重则导致系统不稳定，恶化系统动态品质；如何消除死区非线性特性完全补偿死区的效果，消除系统稳态误差，提高控制精度。4

自适应死区逆控制研究4.2

自适应死区逆控制自适应更新率系统线性模型参数向量()Tr r

r

l l

lJ

=

m

,

m

b

,

m

,

m

b(Jˆˆˆ

ˆ

ˆ

ˆTr r

r

l l

lˆ

,

m

b,

m

,

m

b=

m(

)(

)

(

)

(

)(

)

(

)(

)(

)

(

)Tw

t

=

-

c

t

v

t

,

c

t

,

c

t

-

1

v

t

,

1

-

c

t(

)(d‡

01,

u

tc

t

=0,

ud

(t

)<

0(

)

(

(

))(

)ˆdr

rdu

(t

)>

0rddu

(t

)=

0d l

lmˆ-1u

t

+

mˆ

bdu

(t

)<

0lmˆv

t

=

N

ut

=

0

u

(t

)+

mˆ

bˆu(t

=

-JTw

(tdu

(t

=

-JˆT

w

(tdN(t

)TDu

(t

)=

u

(t

)-u

(t

)=

Jˆ

-J

w

(t

)+

d死区非线性逆T-S模糊模型jl6幻灯片22jl6控制误差是由参数误差和非线性不确定误差两部分组成，非线性不确定项有利于自适应死区逆的设计和死区补偿，在理想情况下，当死区非线性完全被抵消时，那么就能消除死区对夹钳旋转系统的影响，也就是说，，控制系统的输出信号直接作用于实际系统。但是，在实际情况下，死区非线性不可能完全被抵消，由于锻造操作机工作环境时刻发生变化，比如不同工况、负载的变化、电液比例阀前后的压差变化、油液的温度变化以及油液的稀释程度等因素，使得死参数具有时变性和不确定性等特性，另外，系统的死区除了液压阀自身存在的死区外，还包括了夹钳旋转系统中摩擦死区和机械死区，使得系统的性能更加恶化，一个精确地死区逆不能完全抵消一个具有时变性和不去定性死区的影响，jiehua

luo,

2015/5/154

自适应死区逆控制研究4.2

自适应死区逆控制1

mr

m

re

(t

)=

q

-q

=

G

(s C

(s

q

-

G

(s

)q

+

G

(s

Du

(t

)1+

G

(s

)C

(s

)

1+

G

(s

)C

(s

)理想情况下，死区逆参数估计应与死区参数实际值相等，即e1

(t

=

0du(t)=u

(t)

mGDu(t

=

dN

(t

=0

(s

)=

G

(s C

(s

1

+

G

(s

)C

(s

)根据梯度投影自适应规律，死区逆参数更新率为2ˆ

ˆT Gz

(t

e

(t

J

(t

)=-

-

Gs

(J

(t

))J

(t

)1

+

z

(t

)

z

(t

)+

x

(t

)ˆ(

)(

)Jˆ

(t

)

<

M

0Jˆ

(t

)

‡

2M

000M

£

Jˆ

(t

)

<

2M00,ˆM式中：

Jˆ

(t

)

-1,s

J

t

=

s

0

s

0

,Lylapunov稳定性设计法证明自适应死区逆控制参数的收敛性。jl7幻灯片23jl7在这自适应更新率中，设计参数，为一个先验知识确定的死区参数的上界，也就是说，。jiehua

luo,

2015/5/154

自适应死区逆控制研究41.1062时时(s)1.151.2mr41.8062时时(s)22.2br41062时时(s)1.21.4ml4-3062时时(s)-2.5-2-1.5bl-600124563时时（s）-40-200夹角角（°）(a)自自自自自自自自自模模固固自自自自自自模模

夹角角角固角12456-203时时（s）-101自自输输（v）(b)自自自自自自自自自电电固固自自自自自自电电1.1062

4时时（s）1.151.2mr1.8062

4时时（s）22.2br1062

4时时（s）1.21.4ml-3062

4时时（s）-2.5-2-1.5bl00124563时时（s）204060夹角角（°）(a)自自自自自自自自自模模固固自自自自自自模模

夹角角角固角57.29°-20124563时时（s）024自自电电（v）(b)自自自自自自自自自输输模模固固自自自自自自输输模模4.3

仿真结果——夹钳旋转57.3°时的控制00268101002003004时时（s）夹角角（°）(a)0210-202自自输输（v）(b)自自自自自自自自自模模固固自自自自自自模模

夹角角角固角自自自自自自自自自电电固固自自自自自自电电4

自适应死区逆控制研究4.3

仿真结果——夹钳连续旋转57.3°时控制1.105时时（s）101.151.2mr1.805时时（s）1022.2br05时时（s）1011.21.4ml05时时（s）10-3-2.5-2-1.5bl26810-150-100-5004时时（s）夹角角（°）(a)4

6

8时时（s）自自自自自自自自自模模固固自自自自自自模模

夹角角角固角-2000(b)024时时（s）6810-2-101自自输输（v）自自自自自自自自自电电固固自自自自自自电电1.10105时时（s）1.151.2mr1.80105时时（s）22.2br10105时时（s）1.21.4ml-30105时时（s）-2.5-2-1.5bl4

自适应死区逆控制研究4.3

仿真结果——夹钳连续旋转控制051015-1000(a)100时时（s）夹角角（°）自自自自自自自自自模模固固自自自自自自模模

夹角角角固角0

5

10

15-202自自输输（v）(b)自自自自自自自自自电电固固自自自自自自电电05

10时时（s）151.11.151.2mr05

10时时（s）151.822.2br1.21.4ml5

10

151

-30

5

10

15

0时时（s）

时时（s）

时时（s）结论自适应死区逆控制通过在死区前串联死区逆，在线更新死区逆参数进行死区补偿，并用Lyapunov方法证明了参数估计的收敛性，仿真表明：该方法控制精度高、上升时间快，对系统有较强的鲁棒性，其控制性能优于固定死区补偿控制。-2.5-2-1.5bl5

夹钳旋转系统控制实验与分析引言实验系统构成实验原理简图实验目的实验内容实验结果5

夹钳旋转系统控制实验与分析5.1

实验系统构成5.2

实验原理简图Simotion

Scout5

夹钳旋转系统控制实验与分析Wincc

FlexiblePCSimotionD435锻造操作机夹钳旋转机构磁环编码器传感器控制系统模块IM174模块ET200S模块模拟信号数据传递数字信号检测元件模块输入信号液压驱动系统5.3

实验目的验证自适应死区逆控制的有效性5.4

实验内容实验一：单次正转或反转控自适应死区逆控制流程图开始夹钳角位移目标值、实际值在线规划位置控制器夹钳旋转系统返回计算位移误差5

夹钳旋转系统控制实验与分析制实验实验二：不同工况下，连续正转或反转控制实验实验三：不同工况下，连续正反转控制实验024时时（s）6810-60-40-20夹角角（°）自自自自自自自自自模模固固自自自自自自模模

夹角角角固角-4026

8104时时（s）-202自自输输（v）自自自自自自自自自电电固固自自自自自自电电(b)26

8104时时（s）2040(a)60夹角角（°）自自自自自自自自自模模固固自自自自自自模模

夹角角角固角0-2(a)024时时（s）681002400(b)自自输输（v）自自自自自自自自自电电固固自自自自自自电电0101.161.181.25时时（s）mr05时时（s）101.91.952br05时时（s）101.251.31.35ml05时时（s）10-2.2-2-1.8bl05时时（s）101.161.181.2mr05时时（s）101.851.91.952br05时时（s）101.251.31.35ml-2.20105时时（s）-2-1.8bl5

夹钳旋转系统控制实验与分析固定死区补偿控制稳态误差大，上升慢。5.5

实验结果(单次旋转)5

夹钳旋转系统控制实验与分析510202