面向极端制造装备的液压巨系统容错技术研究.pdf

设计与研究 组合机床与自动化加工技术 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 0 1 1 0 0 1 2 0 4 面向极端制造装备的液压巨系统容错技术研究 5 - 。 ， 谈 苑华 ， 陈晓慈 ， 于江 1 ． 重庆大学 机械工程学院， 重庆4 0 0 0 3 0 ； 2 ． 中国第二重型机械集团公司， 四川 德阳 6 1 8 0 1 3 摘 要 针 对传统 的结 构冗余容 错和 信 息容错 技 术在液 压 巨 系统 上 的应 用存 在 着 的诸 多问题 ， 提 出 了 一 种 新型 的液压 容错 方法 ， 通 过研 究流体信 息与 系统故 障 的 内在 关 系， 进 行故 障 建模 ； 设计 新 型流 体 信 息表达 单元 ， 感知 系统故 障信 息 ， 进 行逻 辑 处理 ， 将 这 些故 障信 息表 达成 机 械信 号 、 液 压 信 号或 者 电信 号 ， 直接 实现 功率级 容错 ； 设计 具有 “ 安 全模 式” 的 液压容错 单元 ， 使 液压控制 元件 由单一 功 能 变 成复合 受控功 能。 这种新 型液压 容错 方法的 应 用可 以解 决液压 巨 系统 的整 体容 错 问题 ， 并 且能 最 大 限度 的简化液压 系统 结构 。 关键词 极端制造； 液压 巨系统； 可靠性 ； 容错 ； 流体故障知识 岛 中图分类 号 T H1 3 7； T G 6 5 文献 标识 码 A Fa u l t t o l e r a nt Te c h ni q ue f o r Ex t r e m e - m a n uf a c t ur i n g Equ i p m e nt s Or i e n t e d Hug e Hyd r a u l i c Sy s t e m YU J i n ，T AN Y u a n h u a ，CHE N Xi a o c i ，YU J i a n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，C h o n g q i n g Un i v e r s i t y， Ch o n g q i n g 4 0 0 0 4 4， Ch i n a ； 2 ． C h i n a Na t i o n a l Er z h o n g Gr o u p Co ． ，De y a n g S i c h u a n 6 1 8 0 1 3，C h i n a Abs t r a c tCo ns i de r i ng t h e r e a p pe a r i ng v a r i o u s pr o b l e ms i n t h e h u g e h yd r a u l i c s ys t e m by us i n g t r a d i t i o na l r e d u n d a n c y f a ul t t ol e r a n c e t e c h no l o g y a n d f a u l t - t ol e r a nt i n f o r ma t i o n t e c h n o l o gy ，t h e a u t h o r pu t s f o r wa r d a n e w me t h o d o f h yd r a u l i c f a ul t t o l e r a n t ． Re s e a r c h i ng t h e i n t e r n a l r e l a t i o n s hi p o f fl ui d i n f o r ma t i o n a n d s ys ‘ t e m f a u l t ，f a ul t mo d e l i n g c a n be pe r f o r me d；A n e w t ype of f l u i d i n f o r ma t i o n e x pr e s s i o n u n i t wi l l be d e 。 s i g n e d t o pe r c e i v e a n d pr oc e s s t he f a u l t i n f o r ma t i o n o f t he s ys t e m，t h e n t h e s e i nf o r ma t i o n c a n b e e x 。 pr e s s e d a s me c h a n i c a l s i gn a l ， h yd r a u l i c s i gn a l o r e l e c t r i c a l s i gn a l wh i c h c a n b e us e d a t po we r l e ve l t o i mpl e 。 me n t f a u l t t o l e r a nc e ； Th e h yd r a u l i c f a u l t - t o l e r a n t c o n t r ol un i t s wi t h s a f e mo d e wi l l be d e s i gn e d t o c ha n g e t h e c o n t r o l e l e me n t s f r o m s i ng l e f un c t i o n t o mul t i pl e f un c t i o n．Th e a ppl i c a t i o n of t h e n e w me t ho d c a n s o l v e t h e q u e s t i o ns o f t h e who l e f a ul t t o l e r a nc e i n t h e h u g e h yd r a ul i c s ys t e m，mo r e o v e r ，wi t h i t t h e s t r u c 。 t ur e o f h yd r a u l i c s ys t e m c a n b e g r e a t l y s i mpl i fte d ． Ke y wo r dse x t r e me - ma n uf a c t u r i ng ； h u g e h yd r a u l i c s ys t e m； r e l i a bi l i t y； f a u l t t o l e r a n c e ；k n o wl e d g e mo d u l e s o f h vd r a ul i c f a u l t O 引 言 液压 巨系统 ， 通常 指具 有 高压 或 超 高压 、 超 大 流 量 、 多 泵组 、 多执行 元 件 、 复杂 控制 系统 、 超 大 元 件 等 特征 的系 统 。我 国发 展 中的 数 万 吨 级模 锻 装 备 、 数 百万 吨级石 化装 备 、 空 天 运 载工 程 、 薪一 代 高效 节 能 冶金 流 程 装 备 等 极 端 制 造 中 都 包 含 有 液 压 巨 系 统 ⋯ 。例如 中 国 二 重 正 开 始 建 造 的 8 0 0 MN模 锻 压 机 ， 最 高压 力 6 5 MN、 高压 流量 2 4 0 0 0 L ／ m i n 、 总装 机功 率 2 8 8 0 0 k W、 泵 组有 6 O个 泵 、 液 压缸 多达 7 0只、 高压 元件 通径达 1 0 0 m m。 目前 世界 的航 空 制造 业 强 国都 拥有 4 5 0 MN以上 的重 型模 锻 压 机 ， 这些 面 向极 端装 备 的液压 巨系统 控制 系 统庞 大 、 复 杂 ， 对 系统 运行 时 的可 靠性 和保证 系统 质 量 的各 种特 性 提 出 了更 高要 求 。 可靠性 工程 从 2 0世 纪 6 0年代 萌生 至今 ， 已建立 了成熟 的理论体 系， 形成了结构 冗余 容错 和信 息容 收 稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 6 基金项 目 国家科技重大专项资助项 目 作者简介 于今 1 9 6 4 一 ， 男 ， 贵卅 I 贵阳人， 重庆大学机械工程学 院副教授 ， 硕士研究生导师 ， 博士 ， 从事液体智能传动 与控制 的教学 与研究 Ema i l t i t i a n v i p ． q q． e o m。 1 2 2 0 1 0 年第l 1 期 设计与研究 错两大技术 。结构冗余 容错和信息容错方 法是 通过对液压 系统、 电气 系统进行 硬件 设计、 信号 采 集 、 数 据 处 理 、 软 件 分 析 最 终 实 现 容 错 ， 信 息 流 通 路 径长 ， 本身 就 降低 了可靠 性 。传统 容错 技 术 在液 压巨系统的应用会带 来如下 的问题 ① 结构冗余容 错 的应用 会使 液压 巨 系 统变 得 非 常 庞 大 、 笨 重 ， 结 构 上难以实现； ② 信息容错 只解决 了系统电控级 的容 错 问题 ， 而 液压 执 行 级 主 功 率 级 的容 错 问题 得 不 到很好 解决 ， 使 液 压 巨系 统 的 整体 可 靠 性 和 安 全 性 得不 到有效 提高 。这些 问题 就 构成 了液 压 巨 系统 亟 待解决 的科 学 问题 。 “ 流体故障知识岛” 容错方法通过设计先导级 的 信息表达单元 ， 包含逻辑运算模块 ， 可对流体 多种异 常信息进行直接的检测 、 处理运算和判断 ， 并将结果 直接用 于推 动液 压 容 错控 制 单 元 执行 容 错 任 务 。这 样 和传 统容 错方 法 比较 ， 信 息 流 通 路径 短 ， 信 息 处 理 实 时性 强 。“ 流体 故 障知识 岛 ” 容 错单 元 除 为 系统 提 供 正 常 工作 状 态 ， 还 能 故 障 状 态 下 ， 通 过 表 达故 障 ， 控 制系统 启 动 应 急 措 施 。这 种 液 压 容 错 单 元 只 有 一 ，两个 功 率 级单 元 ， 但 是 有 多 个 信 息 表 达 单 元 ， 在 简化 系统 结 构 同 时 ， 能 够 解 决 液 压 巨 系 统 整 体 容 错 的 问题 。 1 设置“ 流体故 障知识 岛” 方法 “ 流体故障知识 岛” 方法的主要 内容包括 流体 的故 障信 息 及 表 达 方 式 、 故 障 阈值 、 流 体 的控 制 方 法 ， 并将 这 些 内容 集 合 于 容 错 控 制 单 元 内 。通 过 研 究流体 信息 特 性 与 系 统 故 障 之 间 的 内在 关 系 ， 进 行 故障建 模 和容 错 阈值 的 研 究 ， 并 对 故 障 表 达 方 式 进 行 分类 和优 化 。 1 ． 1液 压 系统故 障建 模 “ 流 体故 障知 识 岛” 方法 通 过 采取 模 糊理 论 智 能 综合评价液 压系统 故障 ， 达到 可靠 ， 高效 评价 的 目 的。模糊 理论 的定 量化 表 达是 通 过 “ 隶 属度 ” 来 刻 画 的 ， 可 以先建立 粗 略 的隶 属 函数 ， 然后 通 过 “ 学 习” 和 不断 的经 验积 累 ， 逐 步 修 正 和 调整 权 值 ， 使 隶 属 函数 趋于完 善 ， 符合 客 观事 实 ， 实 现 故 障建 模 ] 。其 步 骤如 下 1 建立 影 响 系 统 故 障 的 因素 集 包 含 流 量 、 压 力 、 能 量 、 温 度 、 粘度 、 位移 、 振 动等 根 据参 评 指 标 的性 质 将 其 分 成 几 个 大 类 ， 再 将 每个大 类指 标分 为若 干个 子类 ， 即 U { Ⅱ I ， M 2 ， ⋯ ， M ， } M { u l ， 2 ， ’ 一， u } i1 ， 2 ， ⋯ ， m 式 中 m 大 类 或 称一 级 指 标个 数 ； p 各 大类 指 标 中子 类 或 称 二 级 指 标 个 数 。 2 建 立故 障类 型集 合 V { l ， 2 ， 。 ‘ ‘ ， } 3 综 合评 价 对 多个 故 障 因 素进 行 评价 时 ， 引 入加权系数 A { a ， a ， ⋯， a } ， a 表示故障因素 u 的故障严重程度， 即u i 权重大小， 而且∑ 。 1 。 进行 综合 评价 B A R， 即 ⋯ r 】m ] [ b ， b ， ⋯一 b][ n ， ， o ， ⋯， n ] ． I； ‘ ． l 一． ．． j 其 中 ， R为 模糊 关 系矩 阵 ， 表 示 影 响故 障 的因 素与 故 障类型的隶属 关系 ；“ ． ”为模糊 合成算 子 ； B为评 判结 果 子 集 ， 表 示 第 i 个 故 障 类 型 发 生 的 可 能 性 大 小 。 1 ． 2 系统故 障表 达 液 压 系统任 何 故 障 的发 生 或特 性 的 变化 都 会 反 映在流体基本信息 的变化上 ， 通过分析这些信息变 化 与液 压 巨系统 故 障 发生 或 特 性 变化 之 间 的关 系 可 以准 确地 预测 或 判断 系统 的故 障 。 基 于建立 的 故 障 数 学 模 型 和 标 定 的 容 错 阈值 ， 研究 新 型 信 息 表 达 方 式 并 设 计 先 导 级 逻 辑 控 制 单 元 ， 这种 逻辑 控 制 单 元 可 直 接 感 知 系统 的各 种 流 体 信息 ， 根 据 已标 定 的 容 错 阈 值 ， 对 故 障状 态 下 的 压 力， 流量 ， 粘度 ， 温度 ， 能量 ， 振动 ， 等信息进行逻辑运 算 ， 将 其表 达 为能 直 接控 制 功 率级 单元 的机 械信 号 ， 液压 信号 或 电信号 。 1 ． 3 容 错控 制 单元 设计 通过 表 达方 式 和 结 构 上 的 创 新 ， 使 液 压 元 件 在 不只具 有在 正 常 工 作 状 态下 的 开 机 与 停 止 状 态 ， 并 能根据 标定 的容错 阈值逻 辑 判 断 并实 时 的进行 避 障 控 制 ， 系 统转 入 经 过优 化 的辅 助 应 急处 理 工作 状 态 ， 使 系统 安 全工作 。 “ 流 体 故 障知 识 岛 ”的 容错 控 制 单 元包 括 压 力 控 制 单 元 ， 流 量 控 制 单 元 ， 方 向控 制 单 兀n 1 ． 3 ． 1 压力 控制 单 元 如 图 1 所 示为 “ 流体 故 障知识 岛”减 压控 制单 元 原理 ， 它 是在 传 统 的 减 压 阀 的先 导 级 上 增 加 逻 辑控 制模 块 ， 具 有 1个功 率级 单元 和 4个压 力 信息感 知 和 处理 的 先 导级 单 元 X 1 、 X 2 、 X 3 、 X 4 ， 可 以感 知 系统 相应的流体信息， 并对这些流体信息进行逻辑处理 ， 自动 实现对 调 压 弹簧 的 调 节 ， 最 终 调 节 系 统 的输 出 压力 P 2 。 一 旦感 知 到 的信息 X 1 、 X 2 、 X 3 、 X 4 通 过逻 辑运算， 满足故障条件 ， 则该 阀的功率级单元输 出压 力 P 2 0 ， 这种 创 新 的 结构 就 实 现 了具 有 容错 能 力 减压 控制单 元 。 设计与研 究 组合机床与自 动化加工技术 逻辑控制模块 尸 2 1 2 3 X4 图 1 “ 流 体 故 障 知 识 岛 ”压 力 控 制 单 元 1 ． 3 ． 2 流量 控制单 元 如图 2所示 为 “ 流体故 障知识 岛 ”流量 控制单 元 原理图， 设计新型的流量控制单元 ， 其具 1 个功率级 单元和2个流体信息感知和处理的先导单元 ， 可以分 别感 知 流量 阀人 口和 出 口 的流 体 信 息 X 1 ， X 2 ， 在 液压 回路运行 正 常 时 ， 流 量 控 制 单 元 处 于 正 常 工 作 状态 ； 如果 系统 出现故 障状 态 ， 感 知 的压力信 息 1 与 的逻辑运算值达到设定 的故障阈值 ， 则 流量控制 单元 自动切换到断开状态 ， 使功率级输 出的流量 Q 0 ， 实现 了对 系统 的安全保 护 。 如 图 3 所示 为该原 理 的流量 控制单 元 用 于 防油 管 突 然 爆 裂 ， 如 果 流 量 阀 下端 油管 出现 突然 破裂 ， 流 量控 制 阀进 、 出 口压 力 差 X1一X 2 增 大 ， 驱 动功 率级主 阀 自动 切换 至断开 状 态 ， 避 免 了油路泄 漏 。 图 2 “ 流体故障知识 岛” 流量控制单元 图 3“ 流 体故 障知 识 岛 ” 流量 控 制 阀 2“ 流体故障知识 岛” 应 用 在对某 钻机液 压控 制系 统 改造 中 ， 应用 “ 流 体 故 障 知识 岛” 容错单 元进行 压 力 容错 控制 ， 如 图 4所 示 为负载感知调压 阀 其具有多个先导级压力信息感 知与逻 辑控 制模块 ， 感 知 系统 各 种压 力 信息 ， 判 断 液 压 系统 回路 是否处 于故 障状 态 ； 如果 出现故 障状 况 ， 容错单 元将 控制液 压 回路 进行 卸荷 。 图 4负 载 感 知 减 压 阀 2 ． 1 信 息表 达与容 错控 制 通 过调 节 反馈 弹簧 和调 压 弹簧 的 压缩 量 ， 设 置 负载 感知调 压 阀的启 动 压力 。当控 制 口的油 压低 于 启动 压力 ， 反馈活 塞 始终 贴 紧活 塞 环 ， 此 时 阀后压 力 由负 载决定 ， 不超 过最 高 工作 压 力 ； 当控 制 口油压 高 于启 动压力 ， 反馈 弹 簧被 压缩 ， 反馈 活 塞 向调 压头 方 向移动， 压缩弹簧压球 阀的力减小 ， 随即使减压阀阀 后压 力减小 。 信息表达单元感知 回路 的各种 压力信息， 如负 载压力 ， 驱 动 压 力 ， 并 对 这 些 压 力 信 息 进 行 逻 辑 计 算 ， 根据设 定 的故 障 阈值 判 断 系统 的工 作 状 态 ， 负载 感知减 压 阀将 自动 调 节 阀后 压 力 ， 实 现 钻 头 钻 进 力 的 自适应 调 节 。如 果 出现 卡 钻 的故 障 状 态 ， 马 达 驱 动压力急剧上升 ， 信 息表 达单元将表达 出的故 障压 力信 号转换 为机械 信号 ， 控制 回路 自动卸 荷 。 2 ． 2调压特 性 负载感 知调 压 阀 的启 动 压 力设 置 为 8 ． 5 MP a负 载感 知 阀的调压 特性 曲线 如 图 5所 示 ， 可 以 看 出 ， 当 马达 负载压 力 超 过 了设 定 的减 压 阀启 动 压 力 ， 减 压 阀的阀后压力不断降低 ， 调节钻机钻进力大小， 避免 因 卡钻等故 障状 况导致 的各 种事故 的发 生 。 图 5调 压 阀调 压 特 性 曲线 3 结束语 “ 流体故 障知识岛” 方法是一种新型的容错控制 方法 ， 不需要 增加 冗 余 的硬件 资 源 ， 也不 需 要 使用 其 它控 制器进 行信 号采 集 与处 理 实 现容 错控 制 。在 已 有 的工程应 用实 践 中 ， “ 流 体故 障知 识 岛” 方法 不 仅 可以简化系统结构 ， 同时也可以实现 系统 的整体容 2 0 1 0 年第l 1 期 设计与研究 错 功能 ， 极大 提 升 了液 压 系 统 的 容 错 性 能 和智 能 程 度 。 因为这 种 新 型 容 错 方 法 本 身 具 备 的 特 点 ， 使 其 在 面 向极 端装 备 的液 压 巨系统 中具有 很 好 的应 用前 景 和市场 前 景 ， 但 是 由 于 液 压 巨 系 统 信 息 的复 杂 性 与故 障 多样性 ， 在 面 向极 端 制 造 的液 压 系 统 的 “ 故 障 知识 岛 ” 方 法上 ， 还 需要 做更 多 的基 础性 理 论 与 实验 研究 工作 ， 以期 将 其 发 展 形 成 一 种 具 有 普 遍 应 用 价 值 的容错 方法 。 [ 参考文 献] [ 1 ]钟掘．极端制造 制造创新 的前 沿与基 础[ J ] ．中国科 学 基 金 ， 2 0 0 4 6 3 3 03 3 2 ． [ 2 ]Y A N G G H，L A M J ， WA N G J L ．R e l i a b l e H。 。 c o n t r o l f o r a f f i n e n o nl i n e a r s y s t e m s[ J ] ．I E E E T r a n s o n A u t o m a t i c C o n t r o l ，1 9 9 8， 4 3 8 1 1 1 21 1 1 7 ． [ 3 ]V E I L L E T T E R J ， ME D A N I C J V，P E R K I N S W R ．D e s i g n o f r e l i a b l e c o n t r o l s y s t e ms[ J ] ．I EE E T r a n s o n Au t o ma t i c Co n t r o l ，1 9 9 2， 3 7 3 2 9 33 0 4 ． [ 4 ]陈跃鹏 ， 张庆灵．广义 系统 H 可靠性 控制 [ J ] ．控 制理 论与运用 ， 2 0 0 5 3 4 0 7 4 0 8 ． [ 5 ]刘辉金 ， 于永新．一 类 时滞不 确定 非线性 广义 系统 的鲁 棒与可靠性控制 [ J ] ．辽 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a o y a n Hu a n g ，K e i t h B r a d l e y ，A n d r e w G o o d m a n ．F a u l t - To l e r a n t Br us hl e s s DC Mo t o r Dr i v e F o r El e c t r o Hy d r o s t a t i c A c t u a t i o n S y s t e m I n A e r o s p a c e A p p l i c a t i o n ．[ J ] I E E E ， 20 06 47 3． [ 1 2 ]Ma r k K a r p e n k o ， N a r i ma n S e p e h r i ． F a u l t t o l e r a n t c o n t r o l o f a s e r v o hy d r a u l i e p os i t i o n i n g s y s t e m wi t h e r o s s po r t l e a k a g e 『 J] ． I E E E T R ANS AC T 1 0N S ON C ON TR OL S Y S T E MS T E CHN0L 0GY． 2 0 0 5， 1 3 1 l 5 51 6 0 ． [ 1 3 ]徐 章遂 ， 房立清 ， 王希武 ， 等．故 障信息诊断 原理及应用 [ M] ．北京 国防工业出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 1 4]Mo t a z e d i a n D a r i u s h l ， A t k i n s o n G a i l M． S t o c h a s t i c f i n i t e ． f a u l t mo d e l i n g b a s e d o n a d y n a mi c c o r n e r f r e q u e n c y[ J ] ． Bu l 1 ． S e i s mo 1 ． S o c ． Am． 2 0 0 5， 9 5 3 9 9 51 0 i 0 ． [ 1 5 ]雷 天觉 ．液压 工 程手 册 [ M] ．北京 机械 工业 版社 ， 1 9 8 9 ． 编辑赵蓉 上接 第 1 1页 果较好 ， 共 振处 4 0 0 H z 附 近 振 幅近 似 没 变化 。6 4 0 H z 附近 的最大 共振 振 幅从 2 ． 6 71 0～m 减小 到 1 ． 5 7 1 0 ～n l ， 减 振 效果 达 到 4 1 ％ ； 8 0 0 H z附 近 的 最 大 共 振 振幅从 3 ． 7 31 0 13 3 减 小 到 1 ． 4 41 0～I l l ， 减 振 效 果 达到 6 1 ． 4 ％ ； 9 4 0 H z附近 的最 大共 振 振 幅 从 1 ． 3 7 X 1 0 i n增 大 到 1 ． 9 5 X 1 0 13 1 ， 振 幅 增 加 3 0 ％ 。 从 上 述 数 据 可 知 ， 9 4 0 H z附 近 的 最 大 共 振 振 幅 增 大 3 0 ％ ， 但 是振 幅仅 达 到 1 ． 9 51 0 ～I l l ， 和 其 它共 振 处 振动幅值相比较小 ， 故其重要程度较低。C曲线说明 Z向减振 效果 良好 。 5 结 束 语 通过 对主 轴 箱 的 阻尼 减 振 的 数 值 模 拟 ， 得 出 主 轴箱 阻尼减 振 前 后 的谐 响 应 幅 频 曲线 ， 谐 响 应 的 共 振幅值虽然在某 几个共振点 的有所增 大， 但是其所 能达 到 的幅值 和 较 大 的 共 振 幅 值 相 比相 对 很 小 ， 在 曲线 上可 以看 出 ， 这 种 情 况 不 影 响 整 体 良好 的 减 振 效果 。 主轴 箱 的 减 振 效 果 在 x向 最 大 能 达 到 9 0 ％ ， 在 Y向最大能达到 6 4 ％ ， 在 z 向最大能达到 6 1 ． 4 ％。 从 数值 模拟 的结 果 得 知 ， 阻 尼 减 振 有 着 优 良的 减 振 效 果 ， 它通过 耗散 主 轴 箱 的振 动 能量 ， 减小 谐 响 应 的 振 幅 ， 使振 动带 来 的危 害降低 。 [ 参考文献] Ma n o j N． R．，B a r ma n S ．，ch a n d r a s e k h a r L ． ，e t c ． C o n s t r a i n e d l a y e r da mp e r s for a t t e nu a t i o n o f s t r uc t u r a l v i b r a t i o n [ J ] ．D e f e n 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