四缸同步液压控制系统的研究.pdf

2 0 1 0年 5月 第 3 8 卷 第 1 O期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 0 Vo 1 ． 38 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 0 ． 0 1 0 四缸 同步液压控制 系统的研究 李向阳 ，周恩涛 ，林君哲 ，吴淑芹。 1 ．东北大学机械 工程与 自动化学院，辽宁沈阳 1 1 0 0 0 4； 2 ．北方重工设计研 究院，辽宁沈阳 1 1 0 1 4 1 ；3 ．中捷机床有限公司，辽宁沈 阳 1 1 0 1 4 1 摘要连铸生产过程中，扇形段辊缝能否进行精确控制会对生产产生重要影响。针对实际生产中位置液压伺服系统中 参数多变和非线性的特点，采用模糊 P I D控制对控制参数在线调整，以实现四缸同步控制。M A T L A B仿真结果表明，模糊 P I D控制取得了满意 的效果 。 关键词同步控制；位置控制；模糊 P I D控制；仿真 中图分类号 T P 2 7 3． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 0 0 2 8 3 Re s e a r c h o n Hy d r a ul i c S y nc hr o n i z a t i o n Co nt r o l o f Fo ur ． c y l i n de r S y s t e ms L I X i a n g y a n g ，Z HOU En t a o ， L I N J u n z h e ，W U S h u q i n 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o m a ti o n ，N o r t h e ￡ L s t e m U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g L i a o nin g 1 1 0 0 0 4 ，C h i n a ； 2 ．NHI Re s e a r c h De s i g n I n s t i t u t e， S h e n y a n g Li a o n i n g 1 1 01 41， Ch i n a； 3 ． Z h o n g j i e Ma c h i n e T o o l s C o ． ，L T D，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 4 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h e p r o c e s s o f c o n t i n u o u s c a s t i n g ， t h e a c c u r a t e c o n t r o l o f s e g me n t g a p i s v e r y i mp o r t a n t f o r s t e e l p r o d u c t i o n ． for t h e p a r a me t e r s o f a c t u a l c o n t r o l o b j e c t a r e n o n l i n e ar，t i m e v a r y i n g ，a f u z z y P I D c o n t r o l l e r w a s u s e d t o o n l i n e a d j u s t t h e c o n t r o l p ara m e t e rs t o r e ali z e t h e s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l o f f o u r h y d r a u l i c c y l i n d e rs． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s o f MAT L AB s h o w t h a t a b e t t e r c o n t r o l e ff e c t wa s g o t wi th t h e f u z z y - P I D c o n t r o l l e r ． Ke ywo r dsSe c t o r s e c t i o n； Di s p l a c e me n t c o nt r o l ； F uz z y PI D c o n t r o l ； S i mu l a t i o n 连铸扇形段是连铸设备的重要组成部分。在生产 过程中扇形段液压回路不可避免存在流量压力波动、 工作负荷 的偏载 、系统安装误差 以及运动误差积累等 问题 ，使运动同步精度成为一大技术难点，尤其在多 缸控制过程中，控制策略是否得当，直接关系到系统 控制精度及其可靠性。作者采用模糊 一P I D控制策略 进行 四缸 同步控制 ，通过 M A T L A B中的仿真工具对 4 个液压缸进行运动仿真 ，可 以验 证在模糊 一 P I D策 略 控制下 ，系统 获得 了理想 的 同步 控制 精度 和 动态 性 能 ，同时采用 了智能控制策略 ，减少 了对控制液压元 件的使用，降低了成本，提高了系统效率。 1 工作原理及实现方案 每个扇形段有 4只 夹紧液压缸 ，如 图 1 所 示，其结 构是 液压 缸 的 活塞 杆 与 扇 形 段 的 下 框 架 相 连 ， 固定 不 动 ，而 液 压 缸 缸 体 与 图 1 扇形段液压缸布置 扇形段上框架相连，带动上框架及其辊组作升降运 动，液压缸上装有可实现检测 目的的位置传感器和压 力传感器 。 依据扇形段 的结构形式及其工作原理 ，要实现对 其辊缝的精确调节 ，归根结底是要实现基本单元体内 的四缸在规定的误差范围内实现同步运动。在此要解 决两个问题 1 在允许的误差范围内，4个缸运动 同步 。 2 防止外 力过 大造成 液压缸 损 坏 ，系统应 具有 自我保护功能 。 P I D控制器是工业过程 控制 中最常见 的一种过程 控制 器。该 控 制 器 根 据 给 定值 r t 与 实 际输 出值 c t 构成控制 偏 差 e t r t 一c t ，将偏 差 的 比 例 、积分和微分通过线性组合构成控制量 ，对被控对 象进行控制，故称为 P I D控制器。其控制规律为 ] ㈩ 将其写成写成传递函数的形式为 G ㈤ 1 2 模糊控制器与常规的 P I D控制器相比，其优点是 不需要掌握受控对象的精确数学模型，根据人工控制 收稿 日期 2 0 0 9一 O 5 2 2 作者简 介李 向阳 1 9 8 2 一 ，男 ，硕 士研究生 ，研究 方向为机 电液一体 化。 电话 1 3 9 9 8 1 8 6 7 7 6 ，Em a i l x i a n g y a n g c c 1 6 3．c o m 。 第 1 0期 李向阳 等 四缸同步液压控制系统的研究 2 9 规则组织 控制 决 策表 ，然后 由该 表 决定 控制 量 的 大 小 ，它具有 良好 的瞬态性 能 ，但控 制 动作不 够精 确 ， 容易产生振荡 ，因此稳态精度欠佳。在工业控制过程 中经常会遇到大滞后、时变、非线性的复杂系统 ，单 一 的模糊控制或者 P I D控制有时不能满足系统性能要 求 ，因此把 P I D控制策略引入模糊控制器 ，构成模糊 一 P I D控制 ，这种 复合 型控制器 ，对复 杂控制 系统和 高精度伺服系统有良好的控制效果。控制过程的品质 取决于调节器的各个参数。如式 3 一 5 所示 K A K 3 K 。 AK 。 4 K d K △ 5 其中磁、 、 ／ q为预整定值。 如 图 2所示 ，模糊控制器根据输入量 的情 况输 出 3 个恰当的△ 、△ 、△ 变化值，使P I D控制具有 柔性和动态性 ，以取得最佳 的调节效果 ，对 于液压 同 步闭环控制来说 ，同等方式和主从方式是通 常采用 的 两种控制策略，为获得高精度的同步输出，作者采用 同等方式控制 。 厂阐 e C 『 d l 图 2控 制 原 理 图 2 控制系统设计 文 中模糊 P I D控制器 是利用模糊控 制规则对 P I D 参数实现在线 实 时调整 ，以误 差 e 和误 差 变化 e c 作 为输 入 ，△ K 、A K i 、A K 为 输 出。在 运行 中不 断检 测 e 和 e c ，根据模糊控制规则来对 3个输 出参数进行 在线调整 ，以满足不 同的误差量对控制参数大小 的要 求，从而使系统有良好的动静态性能。 如图3所示，系统工作时，实时采集 4个缸的位 移传感器和压力传感器的数值 ，以4个液压缸运动位 移最小者为基准 ，其他液压缸 的位移值与之相 比较得 到各缸 的位移偏差 量 ，将位 移偏 差量送 至工 控机 中， 按照模糊 一 P I D控制算法对信号进行处理，并输出控 制信号，从而调节伺服阀的开 口流量，消除位移偏 差 ，最终 达到四缸同步运动的 目的。 图 3 系统控制流程 图 系统中输入变量 e 和 e c 的论域为e 、e c { 一 3 ， 一 2 ，一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3} ，其 中 e 基 本论域为 [一0 ． 7 5 ， 0 ． 7 5 ] ，e c的基本 论 域 为 [一2 0 0， 2 0 0 ] 。输 出语 言变 量 的论 域为 △ K p 、A K d {一 3 ， 一 2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 } 、 △ K i { 一0 ． 0 6 。 一 0 ． 0 4 ， 一0 ． 0 2 ， 0 。 0 ． 0 2 ， 0 ． 0 4 ， 0 ． 0 6} ， 全体变量的模糊集为{ N B， N M， N S ， Z O， P S ， P M， P B} ， 隶属度 函数如 图 4所示 。 0 0 ．3 ． 2 - l 0 1 2 3 3． 2 - l 0 1 2 3 8 c h i 图 4 输入输出隶属度函数 对其精确 量进 行模 糊化 后 ，根据各 量 的模糊 集 、 隶属 函数和根据理论 知识和工 程经验考 虑 P I D 3个参 数 的作用 ，采用 M A X M I N模糊推理可 以分别推导出输 入 、输出变量间的模糊规则表 ，如表 1 、2 、3 所示。 表 1 A K 。 的模糊规则表 3 O 机床与液压 第 3 8 卷 3 系统仿真结果 根据 生 产 要 求 连 铸 扇 形 段 的 液 压 缸 行 程 为 0 ． 2 m，系统的响应频率最小为 8 H z ，4个液压缸 的 同步偏差不超过 2 m m，要求系统受到较大力冲击时 ， 能有提升保护功能。 由滑 阀流量方程 、液压缸流量连续性方程 、非线 性化方程 以及液压缸力平衡方程求 出液压缸工作行程 时系统传递函数为 两 8 3 ． 17 6 采用 P I D控制的最大 同步偏差如 图 5 所 示 ，缸体 的最大同步偏差普遍超过 了允许值 。采用模 糊 P I D控 制最大同步偏差 变化如图 6 所示 ，当最 大同步偏差 超 过 1 ． 8 m m而又低于 2 m m时，缸体运动进行调整， 位移量大 的停 止运动 ，位 移 量小的继续运动缩小同步偏 差 ，图 7 、8为 在 0 ． 1 1～ 0 ． 1 3 s 进 行 同步 调 整 过 程 。 当系统在0 ． 2 3 s 时受到较大 外力冲击 时 ，四阀收到反 向 控制信号，如图 9所示 ，同 步提升 ，保 护 了液压 装置 免 受损坏 。 鲁2 昌 翥 垩 堇 。 目 疆 时间／ s 图 6 模糊 P I D控制 最大同步误差 0 2 0 - 曼0 ． 1 彗o ． 0 ． 0 图 5 P I D控制下最 大同步误差 时 间／ s 图 7 模糊 P I D控制 四缸 位移 轨迹 图8 局部放大 图9 控制信号变化 4结论 通过仿真结果显示 ，模糊 一P I D控制提高了系统 的响应质量 ，同时也为解决非线性、高精度以及时变 问题提供 了一个高效可行 的方法 。 参考文献 【 1 】 刘金琨． 先进 P I D控制及其 M A T L A B仿真[ M ] ． 电子工 、 I 出版社 ， 2 0 0 3 ． 1 ． 【 2 】黄忠霖． 控制系统 M A T L A B计算及仿真[ M] ． 国防工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 3 】王一帆， 石中锁． 自适应模糊 P I D控制器及其 M A T L A B 仿真[ J ] ． 冶金自动化， 2 0 0 7 S I 4 9 9 5 0 2 ． 【 4 】 史云强． 模糊 P I D控制在伺服系统 中的应用 [ J ] ． 舰船 电子对 抗 ， 2 0 0 7 ， 3 0 2 4 1 4 4 ． 【 5 】X i a n g G a o ， Z h e n g - J i n F e n g ． D e s i g n s t u d y o f a n a d a p t i v e F u z z y P D c o n t r o l l e r f o r p n e u ma t i c s e r v 0 s y s t e m f J 1 ． C o n ． t r o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ， 2 0 0 5 1 3 5 5 6 5 ． 上接 第 1 9页 在 】 ， 和 z方 向激 出的第 2阶固频在有 限元分析结 果 中找不 到对应频率 。造成这种结果 的原 因在于没有 考虑到 弹性连接之 间的阻尼 ，以及模型与实际模型的 吻合度不够好 ，以及边界条件的设定与实际情况有所 出入 。 7结论 1 利用有 限元 分 析 软 件 A N S Y S对 工 作 台 和 滑板系统进行了模态分析，得 到 K T ． 4 5 0高速数控 雕铣 机结构 系统 的前 8阶 固有频 率 。通过 激振 实验 和模态辨识对有限元分析进行验证 ，两者结果基本 吻合 。 2 滑 板 系统 前 3阶 固有 频率 对 应 竖 直 滑 板 、 横向滑板共同的振动，分别对应 3 个不同的方向，第 三 、四阶为横梁 在 和 l ， 方 向 的振 动 ；横 梁 的 固有 频率较高 。 3 工作台系统的前 3阶固有频率表现为工作 台在滚动导轨及滚珠丝杠支承下的刚体运动 ，分别对 应 3 个不 同的方 向 、l ， 、Z；从第 四阶开始 ，表现为 工作台本身的变形，即扭振。 4 建 议 机床 在 现 有条 件 下进 行 机 械 加工 时 ， 应避免上述前 8阶固有频率振源出现。应合理选择主 轴转速和 刀具 齿数 ，以控 制激 振 频率 ，避免 出现共 振 ，才能克服有时出现振动 、影响加 工质量 的问题 。 参考文献 【 1 】夏龙军， 王大承． J T 一 4 0 0高速数控雕铣机伺服进给系统 的改进设计[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 5 1 1 8 8 9 0 ． 【 2 】S u h J D， L e e D G ． C o m p o s i t e m a c h i n e t o o l s t r u c t u r e s for h i g h s p e e d m i l l i n g m a c h i n e s [ J ] ． A n n Ms o f t h e C I R P， 2 0 0 2 ， 5 1 1 2 8 5 2 8 8 ． 【 3 】周德廉 ， 陈新， 孙庆鸿． 高精度内圆磨床整机动力学建模 及 优化 设 计 [ J ] ． 东 南 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 0 1 ， 3 1 2 3 5 3 8 ． 【 4 】 李晓燕 ， 钱炜， 韩红俊． 平面磨床床身的三维有限元分析 [ J ] ． 机械设计与制造工程 ， 2 0 0 2， 3 1 2 2 6 2 7 ． 【 5 】 廖伯瑜 ， 周新民， 尹志宏． 现代机械动力学及其工程应 用建模、 分析、 仿真、 修改、 控制 、 优化[ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ．