基于模糊自整定PID算法的精锻机夹头控制研究

文 摘 要 精锻机的研制有着重要的科研价值与经济意义，作为 专有技术，卧式精锻机的价格不菲，但作为目前轴类锻造的最优方案，国内很多锻压厂对精锻机的需求量很大。虽要完整研发一台具有自主知识产权的精锻机，我们还有很长的路要走，但退一步讲，对精锻机的研究可以使我们更好地利用现有的进口设备，节省一大笔维修费用。 夹头作为精锻机主要的辅助设备之一，它主要 是在锻打过程中，完成对坯料夹持、旋转、随动轴向进给等动作。本文研究的内容是夹头的旋转动作。从原理上分析，夹头的旋转机构实质上是一种电液伺服位置控制系统，电液伺服控制系统作为液压学科的重要分支，近年来在军事、航天、锻压等领域越来越受到重视。 电液位置伺服系统是一种典型的非线性系统， 在实际运用中，由于环境的因素，系统参数会发生改变进而影响控制品质。所以如何使控制算法更加智能，跟随外界环境的变换来改变控制策略，从而作出应对，这是我们研究的重点课题。传统的 制器实现起来比较容易，但对于非线性的控制对象，其往往不能同时满足精度与速度两方面的控制要求。模糊控制的兴起使我们对复杂的非线性系统有了新的解决方案，它属于智能控制的分支，通过借助在一线操作人员的实际经验来建立专家控制规则，以应对外部环境变换引起的系统特性整定问题。但模糊算法的控制精度不高，这在很大程度上制约了它的发展。本文采用了模糊自整定 制算法，集合了两者优点，可以达到较好的控制效果。 优秀的液压建模软件，可以较好地完成液压系统的建模，同时它具有同接口，可以使我们利用后者强大的运算能力来对液压系统进行仿真，效果比单纯利用 仿真更精确。究其原因主要是在 我们要根据控制对象进行各种简化近似处理，从而得到传递函数作为仿真系统的控制对象，这无形中加大了系统仿真的误差；而 是直接在相应的液压模型中输入相关参数来生成控制对象，对液压系统的描述更加准确、完整，所以结果更具说服力。 仿真结果表明，运用模糊自整定 制器时，精锻机夹头的旋转系统控制效果良好，可以满足夹头在高频旋转时的技术要求。 关键词： 精锻机夹头；电液位置伺服系统；模糊自整定 合仿真 he of FMs is it is of is we a to a of us so as to a of of is of of a in its is of is of In of is in a of As a in of to in as is a In to is to so it to to to a is of of ID is it of of we a of it is a of we to in to by of of is to a ID so it a is a we a it us to of is we to to is as a of of in in of ID is a to of It of ID 录 中 文 摘 要 .一章 绪论 .锻机综述 . 精锻机的结构及市场需求量 . 国内精锻机的研究现状 .锻机的系统组成及夹头控制的特点 . 精锻机的模块划分 . 夹头的作用及振荡动作的分析 .液位置伺服控制技术及其在本课题中的应用 .文研究工作内容及意义 . 选题背景和意义 . 论文研究内容及结构安排 .二章 控制算法的理论研究 .制算法 . 常规 制器的机构 . 法的离散化 . 常规 数的整定 .糊控制算法 . 模糊控制系统的结构 . 模糊控制器的设计 .糊自整定 制算法 . 模糊整定 制的概念 . 模糊自整定 制规则的建立 .章小结 .三章 夹头振荡机构的工作原理 .头振荡机构工作原理 .伺服阀 . 服阀概述 . 服阀的工作原理 .磁直线马达的工作原理 .头振荡控制系统各组件液压原理分析 . 电液伺服阀的数学模型 . 油缸系统模型 . 其他环节的模型 .章小结 .四章 基于 夹头控制系统建模 .合仿真平台概述 . 介 . 介 .于 合仿真平台的建模 . 合仿真的设置 . 基于 精锻机夹头的振荡环节建模 .章小结 .五章 基于 夹头振荡系统仿真研究 .规 制器的设计 . 常规 制器在 的建立 . 常规 制器的参数整定 .糊控制器的在 的建立 .糊自整定 制器在 的实现 .统联合仿真 . 给定 1弦信号时系统的仿真结果 . 给定 5弦信号时系统的仿真结果 .章小结 .六章 总结与展望 .文总结 .来工作 .考文献 .谢 .读学位期间发表的学术论文目录 .1第一章 绪论 本章从提出该课题的背景和意义出发 ,从概述国内外精锻机研发现状开始 ,到重点阐述精锻机夹头电液位置伺服控制系统的特点和当前电液位置伺服控制系统的控制方法，最后阐述了与本课题密切相关的基于模糊自整定 法的电液控制技术 ,作为论文的前期知识准备。 锻机综述 锻机的结构及市场需求量 1946 年，奥地利的 士首次提出了多锤头对称挤压的锻造原理，同年以 2 4 锤头卧式精密旋转式径向锻造机（简称 “精锻机 ”）为主导产品的 司宣告成立，至今该公司生产的精锻机遍布世界 200 多家企业，美、日、德、英和前苏联等工业大国，精锻机的拥有量均在 80 台以上，吨位从 150 30000工尺寸范围18 850。精锻机一般可分为机械驱动和液压驱动 2 种形式。此外，径向锻造机自动化程度高，生产的锻件精度高，表面粗糙度小。本文研究的对象是晋西集团太原车轴分公司的一台从 司引进的 卧式精锻机（如图 。 精锻机生产以钢锭 (坯 )为初级原料，经过热 (冷 )锻造加工成方、扁、圆、空心轴和阶梯轴等各种截面形状的棒 (管 )材，尤其适用于高速工具钢、模具钢、轴承钢和不锈钢等高合金难变形的特殊钢锻造2。与其他的锻造设备相比，精锻机的优势体现在： （ 1）结构合理，传动方式优越，产品质量高 精锻机为电机 偏心轴传动，四锤头以 143 2000进行表面压应力锻造，故可避免产生裂纹，改善材料金相组织，确保锻件表面光洁，提高产品质量，锻材尺寸公差小于 1% 3。 （2）生产工艺先进，成材率高 锻造速度快，成材率在 80%以上。国内统计的成材率为 72% 81%，比汽锤高 3%10%。 （3）生产效率高，劳动条件好 实践证明， 一台 3400锻机年产量可达 吨， 相当于三台 2T 汽锤的总产量。工人由 72 人减为 24 人，节约劳动力 67%。 10000锻机的年产量为 吨，相当于三台 5T 汽锤，节约劳动力 50%，尤其是劳动强度大大减少，空气、噪声等环境污染小，生产安全可靠，社会效益好。 （4）节能、节财、降低损耗 2由于精锻机生产的锻材尺寸精密，后续加工余 量小，锻造加热一火即成，因而节省能源、原材料，减少工时损耗，降低成本接近 30%2。 图 产的 精锻机 X - 32 精锻机也有不足之处，因为锻造时，工件表 面变形大于中心部位变形，如果锻比控制不当会出现心部锻不透的现象。另外，由于打击频率高，产生变形热，使锻件局部温度上升，导致钢的显微组织不均匀，影响性能。 奥地利 世界知名的径向锻机生产公司，可生产 3 种类型的精锻机4： （ 1）机械传动的 ； （ 2）液压传动的 ； （ 3）连续式 。 20 世纪 60 年代，我国引进了第一台 43400锻机，落户太原。至今我国共引进了 40 多台， 50%以上都是在近 20 年引进的 (表 2009 年全年我国特钢产量 3469 万吨，其中需要锻压的特钢有 1400 万吨，精锻机可以代替的工艺锻造特钢量为 500 万吨左右。在能耗降低、成材率要求高、加工效率高效要求下，精锻机可以完全实现代替工艺锻造特钢量 300 万吨，一个 备年全负荷产能为 1 万吨左右当量，按照目前市场下限加工量推算需要有 300 台左右 量的加工能力，实际市场只有不到 60 台 备的加工当量，有 240 台 量市场空间。锻造是机械行业一个极其重要的加工工艺，每年增长量为 20%；特钢行业增长率保 3持在 20%。因而精锻机市场空间容量大，市场增长率高。 表 分进口精锻机概况 of of 号 吨位 进口报价（万元）使用厂 使用用途 国内参考价 （万元） 000 4300 太原 743 厂 锻车轴、炮管 840 000 4900 太原重机厂 锻车轴 980 000 8000 重庆特钢公司 特钢锻材 1500 0000 10000 抚顺钢厂 特钢锻材 1600 4000 14000 济源 大型锻件 1900 中国锻造协会副会长，西安交通大学赵升吨教 授认为，市场前景看好，只管做，但是没有数据，只是行业专家经验评估；精锻机行业资深人士，大连奥特莱特的陈广生顾问认为中国 5 年内中型需求在 40 台左右；特钢行业资深人士，毕业于哈尔滨工业大学锻造专业，大连裕龙高速钢有限公司王汉光总经理认为特钢行业至少 5 年内近期需要量在 40 多台；晋西车轴资深精锻机维护服务工程师，在国内精锻机行业资深专家许文认为，国内近期需要量为 40 台左右。 国外产品每台价格在 左右，国产化后的每台价格按 6500 万元计算，精锻机国内市场容量在 25 亿元左右。 内外精锻机研究现状 精锻机行业属于绝对垄断，目前世界上只有奥地利 司、德国奥穆科公司和俄罗斯梁赞重型压力机械股份公司能够生产该种产品。奥地利 司 1945 年成立，是世界知名的径向锻机生产公司，在全世界共生产了 700 台左右，其中汽车行业轴类专用的有 160 多台， 中国目前一共有 40 多台精锻机， 50%都是在近 10 年引进的。 德国 马克梅尔公司在 1999 年开始研发径向液压精锻机，一共生产了 16 台，中国 6台，台湾 1 台5。 方面向超大尺寸进料型号发展，主要为 列产品；一方面向小型可移动产品 号发展；但是核心关键技术径向分布锤头、偏心轴原理都一样，改变机械机构和控制模式升级，满足不同客户需求。 司主要形式为液压控制锻造，原理没有改变，只是完善产品系列化与产品性能。 司液压径锻机集成了普锻和快锻的功能，在破碎晶粒，改善材料机械性能和快速成型上有一定优势，但是锻造频率相对慢点，耗电量大约是 3 倍。 俄罗斯梁赞重型压力机械股份公司自行开发研 制的径向锻机，性能可靠，刚性好， 4各项指标不亚于世界第一品牌 奥地利 司产品。更为独特的是：其机器驱动系统采用了非常简单的结构，不仅较奥地利产品降低了电机功率，便于制造，还能使制造商从使用昂贵的多层滑动轴承转向采用国内可以制造的普通青铜轴承，可靠性提高，维修费用和制造难度降低。 我国对精锻机的开发过程十分缓慢，到目前为止只成功仿制了 2 台中型精锻机。其中一台是由大连钢铁厂牵头制造的 340t 精锻机， 而另一台则是由大连精工锻造高新技术公司提供技术，然后委托中国一重制造的一台 400t 精锻机，自设备投产使用 5 年，每年的加工量达 2000t6。 国内从事精锻机开发生产的单位有：济南铸造锻压机械研究所、 大连精工高新技术开发公司、齐齐哈尔重机厂、辽阳锻压机床厂等。 从公开资料看，大连奥特莱特精锻机开发中心 据称已开发成功。该中心是在原大连精锻机研究所和大连锻压高新技术公司发展而来， 1992 年为大连旅顺重工精锻机厂生产制造了一台 精锻机，投产至今已有 21 年之久， 1997 年为大连精锻厂改装大修了一台（套）由太原晋西机器厂（ 743 厂）报废的 40t)精锻机（系 1969年由奥地利进口）达到 司的出场标准， 16 年来一直运行正常。 此外，西安宝信冶金技术公司也正在自主开发 径向精锻机，该公司已成功开发了精锻机的电控系统，液压系统，部分机械设备关键零部件，目前整体设计已经完成 80%，研发，设计，材料选择，基本完成，即将进入生产成套阶段。 锻机的系统组成及夹头控制的特点 锻机的模块划分 精锻机是作为一种高效锻造设备，可以将加热的渣锭、电铸锭一次成型锻打成棒坯、方料、扁方和阶梯轴等。其锤头具有位置连续可调的特点，既能保证了大尺寸坯料锻造的实现，又可实现不同规格坯料的输出6。四锤头中心对称布置，能使锻打力相对于中心而相互抵消，大大降低了震动及对周围环境的噪声影响。定中心连续旋转间隙锻打方式有效实现了坯料变形的一致性， 使金属材料的均匀性得到保证， 有的数控技术使精锻机系统具有了超高精度的位置控制，提高了其它锻造设备的加工精度和质量标准。液压位置伺服系统的广泛应用，使精锻机在可控性、易调整等方面的优势得到充分体现，数控系统全自动锻打模式在很大程度上降低了工人的劳动强度7。工业自动化水平的提高，必然也带来对系统各环节稳定性和可靠性方面带来更高的要求。 锻机按功能模块划分可为主机、旋转夹持夹头组件、液压组件、电控组件、及辅助系统。 轮传动箱、锻锤开口调节装置组成，以完成锻打及尺寸调整等主要功能。 夹头、 B 夹头和夹头安装床组成。其作用是用来实现对坯料的夹持、旋转等锻打时的辅助动作。 节系统、 A 液压控制站、 B 液压控制站。实现对精锻机整个系统的润滑、液压动作调整和夹头随动行走等动作。 00 型号的 有的 控系统及上位机软件组成，保证了设备的整体运转。 坯料和成品进行上下料操作的机械手。除此之外，对成品进行冷却传输的冷床，还有对成品进行打标号的自动打号机等设备。 精锻机的各模块独立完成各自工作，并受中央 电控系统统一控制，生产技术人员可通过微机实现对设备工作方式的切换和相关锻造参数的设置。 头的作用及振荡动作的分析 夹头作为精锻机的最主要辅助机械设备，在锻 打过程中，要完成夹持，旋转，锻打随动轴向进给等动作，和锤头相互配合完成对坯料的快速成型加工过程。这其中，夹头的控制要求很高，具体表现在： 适应锻打过程中坯料变形所带来的轴向移动； 合锤的锻打过程，在锻打间隙中进行旋转，以保证坯料能够均匀受力，此过程 对夹头的控制要求很高， 在锻打频率提高时要求控制夹头运动的液压系统有足够快的响应速度和跟随精度。 本文只研究上文中的第三点内容，即夹头的旋转动作。如图 示，夹头的旋转是由伺服阀驱动的蜗杆上的滑 套沿蜗杆水平往返运动，进 而使蜗轮与蜗杆间隙性得咬合，蜗杆的左侧由电机通过皮带轮带动它一直做高速转动，在蜗轮蜗杆咬合的瞬间，蜗轮转过一定角度，这里特别需要强调的是夹头的旋转与锤头锻打坯料的动作要作到完全隔离，以防止造成坯料的扭转损坏。由于精锻机的锻打频率很高，所以与之匹配的夹头旋转动作也相当迅速，所以专业的说法是夹头的振荡动作。锻锤在高速锻打时，往往可以达到 180 次 /分的击打，这时相应的夹头振荡频率也接近 3文的目的是在研究备的基础上，为后续对车轴厂的老设备改造时提供技术支持，从而大幅提高老设备的生产效率。出于安全余量方面的考虑，在文中我们选取了 5弦信号作为我们研究的上限技术指标。 6图 头振荡机构示意图 液位置伺服控制技术及其在本课题中的应用 电液位置伺服系统是以电液伺服阀为驱动元件 的伺服系统，它的被控量是位移8。伺服系统作为自动化系统的一个分支，有时也被称为随动系统，控制目标就是要实现系统输出量跟随复现输入量的变化过程。伺服系统中往往还有一个基本职能就是对检测到的信号进行放大处理，确保在施加到被控对象（负载）时有足够大的推动力跟随输入信号的运动，并保证误差在指定范围内。电液位置伺服控制系统的结构如图 示。 电液伺服系统一般由以下几部分组成：控制器 ，伺服阀，功率放大，油缸，位移传感器等。其中，输入元件、反馈检测元件与运算比较元件组合成为误差测试器。电液伺服阀是用来完成连接电信号和液压信号的中介，它既能将电气信号转化为对应大小的液压信号，又能将输入的小功率电信号进行放大，从而驱动执行机构动作，带动阀芯运动，从而改变阀的输出液压油压力和流量。电液伺服阀要有很高的控制精度和足够快的响应速度。电液伺服系统中的其他元件也有很重要作用： 而起功率放大作用。 把液压能转化为机械能（位移与力） 。 将检测到的行程转换为相应的 7电信号作为反馈信号， 与输入给定信号比较得出误差控制信号， 进而形成闭环控制系统。 图 液位置伺服控制系统结构框图 he 液位置伺服控制系统的输入是电信号，输出 是液压信号，是一个典型的闭环控制系统9。它融合了信息科学，电子技术的长处，同时又吸取了液压控制的诸多优点。具体说来，电子信号的采集，放大，传输和运算都比较方便；电气感应器种类全，精度高，传输快，成本也较低；而液压系统具有执行过程平稳、输处力大等优点。正由于电液伺服控制系统吸取了两种技术的优点，它才受到了越来越多工程技术人员的青睐，从而在许多工程领域都得到了应用。 经典 制由于其算法简单，实现容易等优点，很受工程技术人员的欢迎，同样在电液位置伺服控制系统中也运用很广。随着科技的发展，工业控制目标的越来越高，控制的难度越来越大， 于对参数的依赖程度很大，在系统外部条件改变时，控制性能就会变坏。电液位置伺服系统的控制难度增大主要表现在以下方面： 外界出现干扰机交叉耦合的情况，系统的特性会改变； 统的非线性特征就无法忽视了，这时要建立一个精确的控制模型几乎是不可能的。 于是模糊自整定 制算法越来越受人们的青睐。它集合了传统 速跟随及控制准确的优点，同时又有模糊算法对非线性系统控制优势的特点，集二者之精华。所以说模糊自整定 制是实现电液位置伺服系统控制的理想方案。 文研究工作内容及意义 题背景和意义 本课题源于导师与晋西集团车轴分公司关于 精锻机设备升级改造的合作课题。在我国，目前能够完整对精锻机进行升级改造并具有自主知识产权的国内制作商还没有。由于精锻机在采购时花费了大量资金，所以怎样最大限度地发挥其作用是我们面临的重要课题。作为奥地利 专有技术，在整机制造生产上我们也许还有很长的 8路要走。但只要我们潜心研究，完全可以完成对设备的维护，这也是件非常有意义的事情。一方面，老设备由于年久使用造成元器件的老化磨损，一些原配件早已停产，更换起来非常困难；另一方面，随着工业技术的飞速发展，对一些机构进行升级改造不仅可以解决老配件无法找到的问题，还可提高设备的自动化程度，使设备更加高效地运行。 文研究内容及结构安排 本课题的研究内容是 精锻机夹头振荡系统，对结构中的关键元件进行适当简化后建立模型，在查阅大量技术资料和国内外文献的基础上，先充分研究模糊 制方法和分析电液位置伺服系统特性的及控制目标，然后在 台上建立模型，基于 制，模糊控制，模糊自整定 制理论的基础上设计出了电液伺服控制系统三种控制器，在 合仿真平台上进行了仿真，依据仿真结果得出模糊自整定 制器具有良好的控制性能。 第一章 绪论。简要介绍了精锻机的发展概况及功能组成，从而引出夹头振荡过程中的电液伺服运动系统，对电液伺服系统及其控制方法进行了简要说明，最后引出了本课题研究的模糊自整定 制算法，并对课题的来源和研究意义做了说明。 第二章 控制算法的理论研究。 本章介绍了用于精锻机夹头控制的三种算法的相关知识，理论基础及控制的优缺点，给出了 数的调节方法及模糊规则的设定方法，为后续章节作理论铺垫。 第三章 夹头振荡机构的工作原理。本章介绍了 司生产的 精锻机夹头振荡系统的系统组成及各部分的液压工作原理，并分析电液伺服位置控制系统结构，逐个分析伺服阀与液压缸及位移传感器等环节的的物理特性。通过分析计算得出相关参数，为下章利用 件建模提供理论依据。 第四章 基于 夹头控制系统建模。 本章首先介绍了 使用方法，并详细叙述了实现 合仿真应用的步骤，并在 建立了夹头振荡系统的液压仿真模型。通过编译生成了可供 用的 S 函数。 第五章 基于 夹头液压系统仿真研究。在 搭建三种控制器，将 立的 S 函数做为被控对象，这样就建立了 联合仿真系统，并通过分析夹头振荡过程，明确提出了要使系统在 5弦信号下仍有很好的跟随特性这一控制目标 ，分别对三种控制器的效果 进行分析，得出模糊自整定一种集合了模糊控制及常规 制器优点的先进控制器，能满足精锻机夹头中的电液位置伺服控制系统的控制指标，可以在实际工程应用中推广。 第六章 总结与展望。总结了本课题所做的工作，给出了今后进一步研究的方向。 9第二章 控制算法的理论研究 制算法 英语 缩写。即比例、积分和微分的意思。 早期的控制系统很多都 采用简单的比例控制 ,后来根据它出现的问题逐渐加入了积分和微分作用 ,并在 1915期间正式提出了 制的概念 ,先后出现过机械式、电子式、数字式、气动式、液动式等许多实现的方法 ,在各种各样的场合广泛应用。 按照误差的比例、积分、微分进行控制的调节器称为 节器。常规 节器结构和算法都比较简单和直观 ,应用广泛 ,参数调整方便 ,可靠性高 ,生命力强 ,在长期应用中人们己累积了许多经验 ,虽然出现了很多的先进控制方法 ,但在目前的工业控制过程中仍有 80%以上的控制系统采用的是常规 制10。 规 制器的机构 图 规