自由锻造液压机控制策略.pdf

第4 4 卷 第1 0 期 机 械 工 程 学 报 V o l - 4 4 N o ． 1 0 2 0 0 8年 1 0月 CHI NES E J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG O c t ． 2 0 0 8 DoI 1 0 ． 39 0 1 ／ J M E． 20 0 8 ． 1 O ． 30 4 自由锻造液压机控制策略 陈 柏 金 圜 高 俊 峰 2 靳 龙 1 ．华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ．兰州兰石重工新技术有限公司 兰州7 3 0 0 5 0 摘要自由锻造液压机工作压力高、换向频繁，须要对大运动惯量部件进行平稳和精确控制，难度很大，现有控制方法无法 很好地解决这一难题。通过研究自由锻造液压机工作特性，提出～种应用于 自由锻造液压机的预测型多模式模糊控制策略。 对液压机的不同区段分别进行模糊速度、位置和 B a n g ． B a n g控制，获得较高的快速性、平稳性和定位精度使用预测算法， 解决液压系统执行机构存在的动作滞后和惯性对控制特性与控制精度的影响。 应用预测型多模式模糊控制策略，以减少液压 机动作滞后 的影响，使 自由锻造液 压机活动横梁的控制精度达到士 1 mm，最高锻造次数达到 1 2 0次／ mi n ，系统的液压冲击和 主机振动也得到有效控制 。 关键词锻造液压机模糊控制预测算法 中图分类号T G3 1 6 ． 8 Co n t r o l S t r a t e g y f o r Fr e e Fo r g i n g Hy d r a u l i c P r e s s C HE N B a ij i n 睢 { U ANG S h u h u a il G AO J u n f e n g J I N L o n g ⋯ 一 f 1 ． S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f M a t e r i a l Pr o c e s s i n g a nd Di e M o u l d Te c h n ol o g y , Hua z h o n g Uni ve r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h no l o g y , Wuh a n 43 0 0 7 4； 2 ．L a n z h o u L a n s h i H e a v y Ma c h i n e ry T e c hn o l o g y C o ． ， L t d ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 Ab s t r a c t T h 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 h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h wo r k i n g p r e s s u r e a n d f r e q u e n t d i r e c t i o n c h an g e ， t h e r e f o r e t h e s mo o t h an d a c c u r a c y c o n t r o l o f t h e p a r t wit h l arg e mo v e me n t i n e r t i a i s r e q u i r e d a n d t h i s k i n d o f c o n t r o l i s v e r y d i ffi c u l t t o c a r r y O Ut ．By s t ud yi ng o n t he c ha r a c t e r i s t i c s of t h e fre e f o r gi n g h yd r a u l i c p r e s s ，a p r e di c t e d mu l t i - mod e f u z z y c on t r o l t e c h no l o g y i s d e v e l o p e d ． C o r r e s p o n d i n g t o t h e d i ffe r e n t mo v i n g are a o f t h e s l i d e b l o c k ， f u z z y v e l o c i t y , f u z z y p o s i t i o n an d Ba n g - B an g c o n t r o l a r e u t i l i z e d ， r e s u l t i n g i n h i g h s p e e d ， s mo o t hn e s s an d p o s i t i o n i n g a c c u r a c y ． T h e i n fl u e n c e o f mo v e me n t d e l a y a n d i n e rti a o n t h e c o n t r o l p e r f o r ma n c e a n d a c c u r a c y i s r e d u c e d b y u s i n g t h e p r e d i c t i o n a l g o r i t h m ． By u s i n g t h i s c o n tr o l s y s t e m． t h e a c c u r a c y o f 1 mm f o r t h e mo v i n g s l i d e b l o c k an d f o r g i n g s p e e d o f 1 2 0 t i me s p e r m i n u t e are a c h i e v e d ． F u r t h e r mo r e ， t h e i n fl u e n c e o f t h e mo v e me n t d e l a y o f t h e p r e s s i s r e du c e d， t he h yd r a ul i c i mp a c t a n d ma ch i ne vi b r a t i on a r e a l s o c o nt r ol l e d e ffe ct i v e l y ． Ke y wo r ds Fo r gi ng Hyd r a ul i c p r e s s F uz z y c on t r o l Pr e di c t i o n a l g o r i t hm 0 前言 现代化 自由锻造液压机采用油泵直接传动， 工作 乐力高达 3 2 MP a以上，流量每分钟数千升，运动部 件活动横梁重达数十吨至一百吨以上，在每分钟锻造 次数高达 1 0 0次左右时，要求主机和管道工作平稳， 活动横梁控制精度达 lJ l mm，技术难度很大。由于 锻造液压机流量大， 工作环境恶劣， 一般为多级阀控 2 0 0 7 1 2 1 8收到初稿，2 0 0 8 0 7 0 6收到修改稿 制，属非线性系统，不可能获得精确数学模型。基 于这一情况，应用模糊控制技术，可以取得满意的 效果。但由于影响自由锻造的因素很复杂，并且自由 锻造液压机的快速性与平稳性是相互排斥的，即使应 用模糊控制技术，也不能很好解决快速性与平稳性之 间的矛盾，同时由于液压系统的固有特性，控制精度 仍有可能出现超调。 解决这一技术难点的关键是控制 策略。文献[ 1 】 中采用 白调因子的三维模糊控制器，其 仿真和试验结果表明控制效果较好，但算法较复杂， 无法解决动作滞后问题； 文献[ 2 1 中对锻造液压机锻造 过程中的镦粗和模锻两种工艺采用了模糊位置控制 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈柏金等 自山锻造液雎机控制策略 3 0 5 和模糊力控制，取得了满意效果，控制精度较高，但 对系统的快速性没有涉及。作者通过对 自南锻造液压 机控制特性和规律进行研究， 提出和发展了一种预测 型多模式模糊控制技术，成功地解决了自由锻造液压 机的控制难题。 1 自由锻造液压机活动横梁控制特性 实现 自F h 锻造液压机每分钟锻造次数高、尺寸 控制精度好 以及振动小等要求，关键措施是获得理 想的主控阀组控制特性 ，即在尽可能小的液压冲击 和机械振动前提下，优化主控阀组的启闭规律。 已有研究表明[ 3 1 ，自南锻造液压机活动横粱位 移 曲线为正弦曲线时 图 l a的曲线 a ，机器运行 平稳。但是，在 ． 次操作方式下，在起始时刻 0和 终止时刻 时，仍存在⋯定程度的冲击和振动 ，如 加速度Y ” 曲线所示 图 l a的曲线 c 。 Y ， Y Y” 。 ／ 。 ＼ ＼ ／ a 活动横梁位移 3 ，、 速度 和加速度 Y ， 曲线 Y Y Y 一 p一 b 修正后活动横梁位移 、 速度J 和加速度Y ” 曲线 图 1 活动横梁运动曲线 若对活动横 梁的位移 曲线进行修正 ，使其位 移、速度和加速度 曲线没有急剧的变化，如图 1 b 所示位移 曲线 a 、 速度 曲线 b和加速度曲线 C ，则活 动横梁运动的任何时刻 ，位移 Y ，速度 或加速度 均无不连续现象 ，在频繁换向条件下 ，冲击振动 最小，活动横粱的运动精度最高。因此，在实际控 制中应不断调整控制策略，使活动横梁的位移曲线 为如图 2所示的经过修正的正弦曲线。 行程 h 时间 2 机行程和时间关系 I 廿 J 线 修『 F 的正弦曲线 通过控制液压系统中的不同阀组，可 以使活动 横梁的行程与时间关系为一条修正了的正弦曲线， 如图 2所示。图 2【 f ] A B段为速度渐增的缓降段； B C段接近直线，为速度较高的快速下降段；C D段 速度逐渐变小，加压主要在这一速度段进行；D E 段为缓慢加压直至下停点 ； E F段速度较低 ，以便 无冲击 卸压 ； F G段 为快速 网程 阶段 ；G H 段 回程 速 度渐缓直至上停点 。整个 曲线具有快速平缓的特 性，表明压机活动横梁速度快，冲击振动小，运动 精度高。 从图 2白南锻造液压机活动横梁运动曲线可以 看出，在一个运动行程内， 上停点 和下停点E有 位置控制要求，其中E点的控制精度高，必须准确 定位 ，其他几点没有精度控制要求，仅起触发相应 的控制阀组动作的开关作用， 并与活动横梁的位移、 速 度有 关 。 2 预测型多模式模糊控制 自南锻造液压机控制策略须满 足 以下要求 ① 对大惯量活动横梁的控制，既要做到快速和平 稳，又要控制精度高，无超调。 ② 对锻造过程和液 压系统出现的外负载干扰不敏感 。 ③ 根据系统的各 种反馈 ， 自动调整控制 策略，具有较强的智能。 ④ 在每分钟较高的行程次数 F， 控制算法应简 可 行 ，并 且实 时性强 。 为了提高 白r } 1 锻造液压机的快速性和平稳性， 通常将主缸及同程缸的进油和排油分开控制，多个 执行元件同时作用在活动横梁这一负载上，是一个 多执行机构系统 图 3 。南十负载系统的联结，各 个通道的输 出及控制相互影响，虽然理论上可以求 出控制 阀组的等效输入 ，但必须对各控制阀进行解 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 6 机械 I 程学报 第 4 4卷第 1 0期 耦运算，求 出 ． 个元件的控制与输出响应。在实际 应用中，还涉及到解耦方式的选取、解耦矩阵的确 定以及大量的实时矩阵运算【 4 J 。此外， 自南锻造液 压机液压控制系统是非线性时变系统，存在较大的 参数变化和大时变负载干扰，很难构造出一个完善 的控制模型，因而用常规的控制方法难以取得理想 效果。根据以 L 特点，课题组采用了钾能控制理论中 的模糊控制， 1 9 8 0年课题组在实验室完成了有关试验 图 4 ，极大地改善了控制效果。但是该模糊控制策 略相对简 ，对复杂系统控制效果不理想。 ， 4 常规模糊控制器结构框图 2 ． 1 预测型多模式模糊控制 为了进一步提高 自南锻造液压机技术水平，经 多年努力 ， 发展了一种预测型多模式模糊控制技术。 该预测型多模式模糊控制系统结构示意图如图 5所 示，由预测机构、 B a n g ． B a n g控制器、F u z z y速度控 制器 、F u z z y位置控制器 、控制对象及传感器组成 。 根据 自由锻造液压机工作特点，在大偏差范围 内采用 B a n g - B a n g控制 即开关控制 ，在趋向 目 标点时采用速度控制，在接近 目标点时采用位置控 制，控制方式的切换时机由预测模型决定 。这种控 制方式形式简 ，具有快速 、准确、超调量小及对 参数不敏感的特点。 控制开始时 ，偏筹 e 较大，当l e I ≥E b 时 E b 为 B a n g B a n g控制时 e的边界值 ， 系统的控制量取最 大，实行非线性 B a n g B a n g控制。当偏差 e逐渐减 小到 E p l e l E b 时 为转换位置控制时 e的边界 值 ，实行 F u z z y速度控制。当 e 减d , 1] l e I ≤ 时， 实行 F u z z y位置控制。这样既能减少液压冲击，又 能加快过渡过程 ，提高速度，保证系统超调量小， 甚至无超调，从而获得好的控制精度 。 给定值 I 预淝 机构 I 传感器l 愤糊位置控制 I 模糊速度控制 l B a n g B a n g ]tc- 1] 匦 。。。。。。。。。’。 J f 5 颅测型多模式模糊控制系统结构 图 6与图 7是模糊速度控制器和模糊位置控制 器示意 图 。 图 6 模糊速度控制器 当 自由锻造 液压机 工作在不要求精确定位 的 范围内，由模糊速度控制器对活动横梁的速度进行 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 陈柏金等 白山锻造 液压机控制策略 3 0 7 控制，以抉得快速性和平稳性，控制的目标值是活 动横梁的速度。当白南锻造液压机工作在要求精确 定位的范围内，由模糊位置控制器对活动横梁的位 置进行控制，以获得较高的定位精度，控制的目标 值是给定的活动横梁位置。当系统出现大偏差、大 扰动时，控制器切换至 B a n g B a n g控制，以实现对 给定值 的快速跟踪。 图 7 模糊位置控制器 2 ． 2 预测模糊控制器设计 由于 汁算机向液压系统发出动作转换命令后， 液压系统执行机构存在动作滞后，加 以活动横梁的 惯性很大 ，导致出现滞后和超程现象 ，影响控制特 性与控制精度。 传统模糊控制的方法南于是 “ 事后控制型 ”算 法 ，在有大滞后现象的控制过程 中会产生较强的振 荡，控制效果不理想。为解决这一问题，提 出了预 测控制，即根据采样时刻 t 及前几步系统输出的历 史数据，建立系统输出的下一 步预测模型，然后再 根据预测输 出值 ，计算系统误筹变化率 的预测值 P 和 f ，并由此确定控制器输出 “ ，实现 “ 提 前控制”的思想。 基于 GM 1 ， 1 p 模型的灰色预测方法 ，依据 对历史数据进行累加生成， 建立数据列的预测模型， 通过从整体上掌握和预测系统输出数据列的动态规 律和发展趋势，对系统输出进行预测。在数据量少 及含有各种不定因素影响的情况下 ，灰色预测方法 具有较高的预测精度，能满足控制要求。该预测算 法简单 ，实时性强，特别适合电液控制系统的快速 预测控制 。 自由锻造液压机控制系统的灰色预测算法，是 采用当前时刻系统输 出的采样值 y 及采样时刻之 前四步采样值的历史数据， 即 y 七 一1 ， 七 一2 ， J } 一 3 ， y k --4 ，根据 GM 1 ，1 预测模型求得系统输 出的下一采样时刻的预测值 1 。 偏差 e及偏差变化率的预测值分别为 O k 1 足 1 一Y 足 1 七 1 一e k 采用以上算法，可求 出 e和 的预测值，进而 获得具有 “ 提前控制 ”效果的控制输出。 3 实施效果 采用 白南锻造液压机预测 型多模式模糊控制 技术 ，减少 了液压机动作滞后的影响，同时在不同 区段采用不 同的控制策略，锻件尺 寸控制精度达到 士 1 mm，每分钟最高锻造次数达到 1 2 0次，系统的 液压冲击和主机振动得到了有效控制，以上指标达 到国外同类产品水平 。预测型多模式模糊控制技术 通过了生产实践考验 ，取得 良好的效果， 目前 已在 2 4套国产 8 ～2 0 MN 自南锻造液压机组和 3 套进口 自由锻造液压机组改造上得到应用 ，机组南自南锻 造液压机 、操作机 、移动砧库等组成，计算机控制， 一 人操作，液压机 与操作机能 自动联动。 4 结论 1 1通过对 自由锻造液压机工作特性的研究 ， 提出了 自由锻造液压机的预测型多模式模糊控制策 略。对液压机的不同区段分别进行模糊速度 、位置 和 B a n g B a n g控制，获得较高的快速性、平稳性和 定位精 度 。 2 使用预测算法，解决液压系统执行机构存 在 的动作滞后和惯性对控制特 性与控制精度 的影 响，解决高压、大流量 、换向频繁工况下，对大运 动惯量部件进行平稳和精确控制的技术难题，实现 了自由锻造液压机的高速 、高精度平稳控制。 3 应用预测型多模式模糊控制策略，以减少 液压机动作滞后的影响，系统 的液压冲击和主机振 动也得到有效的控制。 参考文献 ⋯_十勇 ，熊晓红 ，黄树槐 ，等．快速 锻造 液压 机组 的模糊 控制策略研究【 J ] ． 机械工程学报 ， 1 9 9 8 ， 3 4 4 1 0 2 ． 1 0 5 ． WANG Yon g ，XI ONG Xi a o ho ng ，HUANG Sh uh ua i ，e t a 1 ． S tu d y o n f u z z y c o n t r o l i n h i g h s p e e d f o r g i n g p r o c e s s [ J ] ． Ch i n e s e J o u rna l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，1 9 9 8 ，3 4 4 l O 2 一 l 0 5． 下转第 3 l 2页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 l 2 机械工程学报 第 4 4卷第 1 0期 的视场而使得反馈失败；过小则调节时间过长，而 P D控制能够很好地协调二者的矛盾。 4 结论 1 在基于图像 的视觉伺服控制中，利用图像 矩作为特征，可 以解决传统的基于特征点等方法 中 存在的雅可比矩阵奇异性问题，并且由于雅可比矩 阵为上三角型，能够将平移和转动运动部分解耦 ， 因此简化 了控制器设计。 2 基于遗传算法优化的最优 P D 视觉控制策 略能够获得比常用的 P控制策略更好的综合动态特 性。 通过在微轴孔的精密对准试验应用本文的算法 ， 验证 了上述 的基于图像矩 的视觉伺服控制的有效 性，精密对准精度可 以达到像素级。 3 在试验中仅考虑物体平面和图像平面平行 时的简单情况， 对于更一般的情况需要进一步研究。 参考文献 [ 1 ]C H O H S ． O p t o - m e c h a t r o n i c s y s t e ms h a n d b o o k t e c h n i - q u e s a n d a p p l i c a t i o n s [ M] ． B o c a R a t o n ， F L C R C P r e s s ， 2 00 3． [ 2 】C H O H S ．O p t o me c h a t r o n i c s F u s i o n o f o p t i c a l a n d me c h a t r o n i c e n g i n e e r i n g [ M] ． B o c a R a t o n ， F L C R C P r e s s ， 2 00 5． [ 3 ]C H A UME T T E F ． I ma g e mo m e n t s a g e n e r a l a n d u s e f u l s e t o f f e a t u r e s f o r v i s u a l s e r v o i n g [ J ] ． I E E E T r a n s ． o n R o b o t i c s ， 2 0 0 4 ， 2 0 4 7 1 3 7 2 3 ． [ 4 ]T A H R I O ， C H AU ME T T E F ． P o i n t b a s e d a n d r e g i o n b a s e d i ma g e mo me n t s f o r v i s u a l s e r v o i n g o f p l a n a r o b j e c t s [ J ] ． I E EE T r a n s ． o n Ro b o t i c s ， 2 0 0 5 ， 2l 6 1 l l 6 1 1 2 7 ． 【 5 ]WA NG J P ， C HO H． Mi c r o P e g a n d h o l e a l i g n me n t u s i n g i ma g e mo me n t s b a s e d v i s u a l s e r v o i n g me t h o d [ J ] ．I E E E T r a n s ． o n I n d u s t ri a l E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 8 ， 5 5 3 1 2 8 6 1 2 9 4 ． [ 6 】刘金琨．先进 P I D控制及其 Ma t l a b仿真[ M】 ． 北京 电子 工业出版社， 2 0 0 3 ． L I U J i n k u n ． Ad v a n c e d P I D c o n tro l a n d i t s s i mu l a t i o n u s i n g MA T L AB [ M] ． B e r i n g E l e c tr o n i c s I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 3 ． 作者简介王军平，男，1 9 7 4年出生，博士后，副教授。主要研究方向 为智能控制、电动汽车等。 E ma i l w a n g j t m p i n g ma i l ． x j t u ．e d u c n 上接第 3 0 7页 [ 2 ]L E E Y H，K O P P R ． A p p l i c a t i o n o f f u z z y c o n tr o l f o r a h y d r a u l i c f o r g i n g ma c h i n e [ J ] ． F u z zy S e t s a n d S y s t e ms ， 2 0 0 l ， l 1 8 9 9 1 O 8 ． [ 3 】王运赣，田亚梅， 阮绍骏．锻压设备的计算机控制[ M】 ． 武汉华中理工大学出版社，1 9 8 8 ． WA NG Y u n g a n ，T I A N Y a me i ，R UA N S h a o j u n ．T h e c o mp u t e r c o n tr o l o f t h e f o r g i n g ma c h i n e [ M] ． Wu h a n P r e s s o f Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y， 1 98 8． [ 4 】王 占林．近代液压控制[ M】 ．北京 机械 工业 出版社， l 9 97 ． WA NG Z h a n l i n ． Mo d e m h y dra u l i c c o n t r o l [ M] ． B e ij i n g C h i n a M a c h i n e P r e s s ， 1 9 9 7 ． 【 5 ]邓聚龙．灰色系统理论教程[ M] ． 武汉华中理工大学 出 版社 ，1 9 9 2 ． DE N G J u l o n g ．T h e g r e y s y s t e ms t h e o r y c o u r s e [ M] ． W u h a n P r e s s o f Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 1 9 9 2 ． 作者简介陈柏金，男，1 9 6 5年出生，博士，副教授。主要从事材料成形 设备及自动控制方面教学与科研工作。 获省部级奖 4 次， 发表论文 3 O余篇。 E - ma i l c h e n b a O i n s in a c o m． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m