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Oc t ．2 01 2 机床与液压 Hy d r 0 me c h a t r 0 n i c s E n g i n e e r i n g Vo 1 ．4 0 No ． 1 9 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 9 ． 0 0 8 Co- s i mu l a t i o n Re s e a r c h o n t he Co n t r o l S y s t e m o f 6 5 M N Fr e e Fo r g i n g Hy dr a ul i c Pr e s s Z H A N G L i j i e ， B I A N B i n ， L I Y u k u n H e b e i K e y L a b o r a t o r y o fH e a v y Ma c h i n e r y F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l ， Y a nsh a n U n i v e m i t y ，Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4， C h i n a Ab s t r a c t Th e f r e e f o r g i n g h y dr a u l ic p r e s s h a s t h e c h a r a c t e r is t i c s o f h i g h wo r k i n g p r e s s u r e ，b ig f l o w r a t e，a n d l a r g e mo v e me n t i n e r t ia．T h i s c o n t r o l is v e r y d i ff i c u lt t o c a r r y o u t ．T h e o b j e c t o f t h e r e s e a r c h i s t h e 6 5 MN f r e e f o r g i n g h y d r a u l ic p r e s s ．F or t h e p u r p o s e o f en h a n c i n g t h e r a p i d it y ．r e． d u c i n g t h e i mp a c t o f r e l i e f a n d c o mmu t a t io n a n d i mp r o v i n g t h e c o n t r o l a c c u r a c y ，t h i s p a p e r d e ． s i g n s a d i r e c t d i g it a l f e e d b a c k c o n t r o l s y s t e m c o n t a i n i n g p r e d i c t p a r t ， B a n g Ba n g c o n t r o l ，Fu z z y c o n t r o l ， s w i t c h c o n t r o l ，g e n e r a l o b j e c t a c t i v e b e a m a n d s e n s o r ．T h e c o n t r o ll e r mo d e l i s e s t a b ． 1 i s h e d i n Ma t lab ／ Si mu l i n k ，a n d t h e c o - s imu la t i o n i s c a r r i e d o u t wi t h AMESim ．Th e c o ． s i mu l a t i o n r e s u l t s a r e c l o s e r t o t h e id e a I f o r g i n g c u r v e s i n e wa v e a n d a r e b e er t h an t h e t r a d i t io n a l PI D c o n ． t r o I ． K e y wo r d sf r e e f o r g i n g，h y d r a u l ic p r e s s ， c o n t ml s y s t e m ，c o - s imu la t io n r e s e a r c h Wi t h t h e d e v e l o p me n t o f n a t i o n a l e c o n o mv ． mo d e r n i n d u s t r i a l p r o c e s s i s a c c e l e r a t i n g ． a n d d e ma n d f o r f o r g i n g s i s a l s o i n c r e a s i n g s u b s t a n t i all y ．An d t h e r e i s a h J g h d e ma n d f o r p r o d u c t i o n e f fi c i e n c y a n d f o r g i n g a c c u r a c y，wh i c h pu t s f o r wa r d h i g h e r r e q ui r e me n t s for t h e s pe e d a n d c o n t r o l a c c u r a c y o f t he h y d r a ul i c p r e s s ． T h e r e for e． i t i s c r u c i a 1 t o d e s i g n t h e c o n t r o l s y s t e m a n d s e l e c t t h e c o n t r o l s t r a t e g i e s ．At t h e s a me t i me ，b e c a u s e o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f n o n l i n e a r t i me v a r i e t y，p a r a me t e r s c h a n g e a n d l o a d d i s t u r ba n c e， i t i s d i f fi c u l t t o e s t a b l i s h t h e e x a c t ma t h e ma t i c s mo d e l a n d c o n t r o 1 ． The ke y t o a c h i e v e a n i de al c o n t r o l e f f e c t i s t o fit t he i de al f o r g i n g p r o c e s s s i n e wa v e ． I t e s t a b l i s h e d t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l a c c o r d i n g t o t h e d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s o f h i g h s p e e d f o r g i n g pr o c e s s i n p r e v i o u s r e s e a r c h e s [ 13 ] ．A l t h o u g h g o o d s i mu l a t i o n r e s ul t s we r e a c hi e v e d． t h e y s i mp l i fi e d t h e p a r a me t e r s i n t h e p roc e s s o f ma the ma t i c a l mo d e l i n g a n d i g n o r e d a n umb e r o f n o n l i n e ar f a c t o r s ． S o t h e mo d e l Re c e i v e d2 0 1 2一O 81 0 S p o n s o r e d b y P r o v i n c e Na t u r a l S c i e n c e F o u n d a ti o n o f He b e i E 2 0 1 1 2 0 3 2 1 4 ． Z HA N G L ij i e ．P r o f e s s o r ． E m a i l lj z h a n g y s u ． e d u ． c n i s n o t p r e c i s e e n o u g h ．C h e n e t a1． [ 45 ]i n t r o d u c e d t h e d e s i g n p r o c e s s o f p r e d i c t e d mu l t i -- mo d e f u z z y c o n ．- t r o l l e r ．T h e y o b t a i n e d g o o d c o n t r o l e f f e c t i n t l 1 e s mall a nd me d i u m t o n n a g e f r e e f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s ． B u t i t w a s r a r e t o s t u d y o n l a r g e t o n n a g e f r e e for n g h y dr a u l i c p r e s s i n d o me s t i c． S y n c h r o n o u s b a l a n c e c i r c u i t s o f h y d r a ul i c s y s t e m we r e r e s e a r c h e d b y c o s i mul a t i o n a p p l y i n g t h e s e mi - p hy s i c al s i mu l a t i o n s o ft - wa r e AME S i m a n d t h e c o n t r o l s y s t e m s i mu l a t i o n s o ft ． wa r e S i mu l i n k i n T u’s w o r k『 6] ．B e c a u s e s e mi ． p h y s i c al s i mu l a t i o n mo d e l i n g i s r e l a t i v e l y s i mp l e a n d t h e r e i s n o a r t i fi c i a l l y s i mp l i fi e d f a c t o r ．s o t h a t t h e s i mu l a t i o n mo d e l wi l l b e mo r e a c c u r a t e ． Th i s pa p e r wi l l s t u d y o n t h e h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f t h e 6 5 MN f r e e f o r g i n g h y d r a ul i c pr e s s u s i n g t h e AMES i m／S i mu l i n k b y c o ． s i mu l a t i o n． a n d als o p r o v i d e a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t he h y d r a u l i c p r e s s ． 1 ．De s i g n t he hy d r a ul i c s y s t e m o f 6 5M N f r e e f o r g i n g hy d r a u l i c pr e s s I n t h i s pa p e r ，6 5 MN f r e e for s 4 n g h y d r a u l i c pr e s s b e l o n g s t o t h e s t r u c t u r e o f p r e s t r e s s e d f r a me be a m ， t h r e e b e a ms a n d f o u r c o l u mn s ，d ri v i n g a b o v e ．F 0 r g Hy dr o me c h a t r o ni e s En g i n e e rin g i n g p r e s s u r e c o v e r s t h r e e l e v e l swo r k o f c e n t e r c y l i n d e r i s 2 5 MN，wo r k o f b o t h s i d e s o f t h e c y l i n d e rs i s 4 0MN ， a n d wo r k o f t h r e e c y l i n d e rs i s 6 5MN． T h r o u g h o u t t h e f o r g i n g p r o c e s s wo r k i n g c y l i n d e rs wi l l c o mp l e t e t o mo v e d o wn wa r d s l o wl y，mo v e d o wn ward f a s t ， de c e l e r a t e a n d p r e s s u riz e un t i l t he n e x t s t o p p i n g p o i n t ， a n d t h e n t o r e t u r n s l o wl y， r e t u m f as t ，a n d s l o w d o wn t o t h e s t o p p o i n t ．Th e p r o g r e s s i s s h o wn i n Fi g． 1 ． I t i s kn o wn f r o m t h e p r e v i o u s an a l y s i s t ha t t he h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e 6 5 MN f r e e f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s i s ma i n l y c o mp o s e d o f t h e ma i n p u mp s y s t e m p u m p s ，m o t o rs， the c o n t r o l v a l v e s o f p u m p h e a d ， t h e c o n t rol v a l v e s b l o c k s o f w o r k i n g c y l i n d e rs t h e l i q u i d i n l e t v al v e s b l o c k s ，the r e l i e f v alv e s b l o c k s a n d t h e c o n t r o l v a l v e s b l o c k s o f r e t u rn c y l i n d e r s t h e l i q u i d i n l e t v a l v e s b l o c k s ， t h e l i q u i d o u t l e t v alv e s b l o c k s ．T h e s c h e m a t i c o f h y d r a u l i c s y s t e m i s s h o w n i n F i g ． 2． o wl y t i me F i g ． 1 T h e o p e r a t i o n p r o c e s s o f f r e e f o 哂n g h y d r a u l i c p r e s s 1 ． 1 e v e l l i q u i d me t e r ；2． c o a r s e fil t e r ；3． mo t o r ；4 ． p u mp；5． r e l i e f v a l v e s b l o c k s ；6． c a r t r i d g e；7 ． c h e c k v a l v e；8 ． fi n e fil t e r ； 9． s i g n a l t r a n s mi t t e r ； 1 0， 1 8． 2 p o s i t i o n 2 wa y v a l v e ；1 9． 2 p o s i t i o n 4 wa y v a l v e ；2 0． c o o l e r ；21 ． t h e r mo me t e r P CV1 - 8 ． pr o p o r t i o n al c a r t r i d g e thr o t t l e v alv e RV1 - 3． r e l i e f v a l v e CV1 - 3 ． c a r t r i d g e F i g ． 2 T h e h y d r a u l i c s y s t e m o f 6 5 MN f r e e f o r g i n g h y d r a uli c p r e s s T h e e o n t r o l v alv e s w h i c h h y d r a u l i c p r e s s u s e d h a v e u n d e r g o n e t h r e e d e v e l o p me n t p h a s e s c a r t r i d g e ， mu l t i s t a g e c a r t r i d g e a n d p r o p o r t i o n a l c a r t rid g e t h r o t tl e v a l v e ． Th e d y n a mi c c h ara c t e ris t i c s o f c o n t rol v alv e s i mpa c t o n t h e qu a l i t y o f p e r f o r ma n c e o f h y d r a ul i c p r e s s d i r e c t l y ． S o t h e s e l e c t a n d c o n t r o l o f v alv e s a r e c r u c i a 1 ．Hi g h fre q u e n c y p r o p o rti o n a l c a r t r i d g e t h r o t t l e V alv e s p r o d u c e d b y Re x rot h we r e s e l e c t e d a s t he i n l e t a n d o u t l e t v a l v e s o f wo r k i n g a n d r e t u r n c y l i n d e rs． T h i s s o rt o f v alv e h a s a c h a r a c t e ri s t i c t h a t t h e v a l v e s p o o l o p e ns i n t h e l i g h t o f t h e s p e c i f i e d c o n t r o l l a w un d e r p rogra m c o n t r o 1 ． Th i s c hara c t e ris t i c ma k e s c o n tr o l e a s i l y a n d i mp r o v e s t h e a u t o ma t i c l e v e 1 ． I n a d d i t i o n，i t s r e s p o n s e s p e e d i s a l s o t o me e t t h e r e q u i r e me nt s ． 2． Tr a d i t i o n a l皿c o nt r o l As s h o wn i n F i g ．3，t h e i d e a l f o r g i n g p r o c e s s o f f r e e f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s i s s i mi l ar t o t h e s i n e c u r v e ． T h e k e y t o fi t t h e i d e al f o r g i n g p r o c e s s i s t h e d e s i g n o f c o n t r o l s y s t e m a nd t h e c h o i c e o f c o n t r o l 首Q 目0 0 B l d 弓 Q Z HA N G L i j i e ， e t al C o - s i m ula t i o n R e s e a r c h o n t h e C o n t r o l S y s t e m o f 6 5 MN Fr e e Fo r g i ng Hy d r a u l i c Pr e s s 45 s t r a t e g y．Be c a us e t h e a c t i v e b e a m i s v e r y h e a v y，u p t o h u n d r e d s o f t o n s ，t h e d o wn s p e e d o f t h e w o r k i n g c y l i n d e r s w a s c o n t r o l l e d b y t h e l i q u i d o u t l e t v a l v e s o f t he r e t u r n c y l i n d e r s ． W h e n r e t u r n i n g ， t h e s p e e d wa s c o n t r o l l e d b y t h e l i q u i d i n l e t v a l v e s o f t h e r e t u rn c y l i n de r s ． Th e p o s i t i o n a nd v e l o c i t y o f t h e a c t i v e be a m w e r e c o n t r o l l e d b y t h e f e e d b a c k s i g n al o f t h e d i s p l a c e me n t s e n s o r ． Th e c o n t r o l s t r a t e g y wa s PI D wh i c h wa s u s e d i n i n du s t r i a l c o n t r o l c o mmo n l y ． Ti me F i g ． 3 I d e a l f o 哂 n g c u l e o f f r e e f o r g i n g h y d r a u l i c p r e s s AMESi m wh i c h i s l a u n c h e d b y t h e F r e n c h I ma g e c o mp a ny i s t h e s o f t ware o f mo d e l i n g h y d r a u l i c ／me - c ha n i c a l s y s t e m a n d s i mu l a t i o n ． I t h a s s o me a d v a n t a g e s t h e f ri e n d l y g r a p h i c a l o p e r a t i n g i n t e r f a c e ，p e r - f e c t s u b mo d e l l i b r a r y r e l a t i v e l y．c h o o s i n g t h e i n t e ． gra t i o n s t e p a u t o ma t i c a l l y a nd s o o n． Th e s i mu l a t i o n wa s d o n e t h r o ug h f o u r mo d e s s k e t c h mo d e， s u b mo d e l mo d e，p a r a me t e r mo de a nd s i mu l a t i o n mo de ． I n t } l e s ke t c h mo d e．t he mo d e l wa s b u i l t a c c o r d ． i n g t o t h e hy d r a u l i c s y s t e m i n t h e s o f t ware o f AMES i m．Th e mo d e l i s s h o wn i n F i g ．4．S up e r c o mp o n e n t wa s a p p l y t o mo d e l s e rie s o f c o mp o n e n t s， s u c h a s v a l v e s b l o c k s ，t h e s i g na l p r o c e s s i n g p a r t ，t he h y d r a u l i e p o we r s o u r c e a n d s o o n．S I GAL SC ．．1 i s t h e mo d ． e l o f t h e c o n tro l s i g n al o f v a l v e s ． VALVE S C 1 a nd VALVE S C一5 i s t he i n l e t a n d o u t l e t v a l v e o f r e t u r n c y l i n d e r s r e s p e c t i v e l y ． 蹦 E S C 2 a n d VALVE S C- 4 i s t h e i n l e t a n d o u t l e t v a l v e o f w o r k i n g c y l i n d e r s r e s p e c t i v e l y ． I n t h e s u b - mo d e l mo d e ，t h e a p p r o p ria t e s u b ． mo de l wa s s e l e c t e d f o r t he c o mpo n e n t ． Th e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o mp o n e n t s，s u c h a s f ric t i o n，d a mp i n g an d t l l e d ut v c y c l e a n d s o o n．we r e als o c o n s i d e r e d． I n t h e s i mu l a t i o n mo d e，p ara me t e rs we r e s e t a s f o l l o ws 3 0 s e c o n d s t o the s i mu l a t i o n t i me ，1 0 s e c ． o n d s t o t h e c y c l e ．a n d 0 ． 1 s e c o n d s t o the s i mu l a t i o n s t e p． T h e AMES i m mo d e l o f hy d r a u l i c s y s t e m a d d e d t o t he t r a d i t i o na l P I D c o n t r o l i s s h o wn i n F i g．4． Th e c ur v e s o f s i mu l a t i o n are s h o wn i n Fi g．5． I t c a n be s e e n f r o m Fi g．5t h e t r a c k i n g f e a t u r e i s s t i l l g o o d ， b u t the r e i s a l a g ． a g A 兰 凸 F i g ． 4 T h e AME S i m mo d e l o f h y d r a u l i c s y s t e m F i g ． 5 Di s p l a c e me n t c u r v e s i n t h e P I D c o n t r o l T he f o r c e c u r v e s o f t he a c t i v e be a m a r e s h o wn i n Fi g ．6． I t c a n b e s e e n f r o m t h e Fi g u r et he r e are s e r i O U S c o mmu t a t i o n flu c t u a t i o n s ． 匿 t ／ s F i g ． 6 P r e s s u r e c u rve s o f t h e a c t i v e b e a m i n the P I D c o n t r o l 3． Pr e di c t e d mul t i ． mo de c o nt r o l T h i s p a p e r a d o p t e d p r e d i c t e d mu l t i mo d e c o n t r o l b ase d o n f o r g i n g p r o c e s s a n d t h e r e q u i r e me n t s o f p o s i t i o n a l a c c ur a c y a n d s p e e d． Th e v a r i o u s s t a g e s a s k t o t a k e d i f f e r e n t c o n t r o l s t r a t e g i e s ．Th e d y n am i c c h ar- a c t e r i s t i c o f t h e c o n v e n t i o n a l P I D i s v e ry g o o d，b u t Hy d rome c h a t r o ni c s En g i n e e rin g t h e r e i s a s e rio u s l a g wh i c h c a n r e s u l t i n o s c i l l a t i o n a f f e c t i n g t h e c o n t r o l e ffe c t s e rio us l y．I n o r d e r t o o b - t a i n t h e b e t t e r c o n t r o l e f f e c t ，a p r e d i c t e d mu l t i mo d e c o n t r o l a l g o rit h m ba s e d o n c l u s t e rin g wa s a d o p t e d t o a c h i e v e t h e e a r l y c o n t r o l e ffe c t i n t h i s p a p e r ． Th e d o wn s p e e d o f t h e a c t i v e b e a m wa s c o n t rol l e d b y t h e l i q u i d o u t l e t v a l v e s b l o c k s o f t h e r e t u m c y l i n d e r s ． Wh e n l e I ≥E 6 E 6 i s t h e b o u n d a r y v a l u e o f e w h e n a d o p t i n g t h e c o n t r o l a l g o ri t h m P ，t h e q u a n t i t y o f s y s t e m c o n t r o l i s ma x i mu m ，p r o p o r t i o n a l c o n t r o l wa s a d o p t e d t o ma ke t h e s y s t e m o bt a i n f a s t d y n a mi c r e s p o n s e s pe e d． P e rfo r ma n c e i n t he c o n t r o l s y s t e m wa s t h a t t he 1 i q u i d i n l e t v a l v e o f t he r e t u r
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