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多缸等温锻造液压机液压速度伺服 系统关键技术的应用研究 摘要 锻造液压机是衡量一个国家机械制造水平的重大标志，具有加工精度高、自 动化水平高等特点。作为一种重要的大型锻压设备，它在工业生产、国防建设 等领域得到了广泛的应用。 本文根据y h l 0 4 0 0 0 型等温锻造液压机的工艺要求，设计了该液压机的液压 系统，并选取了合适的液压元件，分析了各液压元件的功能与作用。通过了解 该系统的工作原理，可对该系统中的一些重要液压元件进行数学建模，进而建 立起该系统的数学模型，并对该系统进行相应的静动态性能分析以及采取必要 的校正。 该电液伺服系统在工作过程中参数易变且要求有较高的控制精度，常规的 p i d 难以实现有效的控制，这就须寻求新的控制策略。智能控制在工业控制领域 有着非常广泛的应用，通过研究近年来免疫控制在工业领域的应用，设计了一 种基于b p 网络的免疫p i d 控制器。通过分析该控制器内部参数对控制器控制性 能的影响，选取了一组合适的参数，仿真结果表明，与常规p i d 控制器相比， 基于b p 网络的免疫p i d 控制器控制下的系统有较好的鲁棒性和抗干扰性，呈现 出较好的动态响应性能，该系统的控制要求可得到满足。 关键词：液压机；电液伺服系统；免疫p i d 控制器；仿真 t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho k e 3t e c h n o l o g yofresea nk e y0 h y d r a u l i cp e e ds e r v o3 ；t e mo f l l t ic y l i n d e r h y d r a u l i c s p e e ds e ros y s t e m0m u l t i - c y l i n d e r lllll l s o t h e r m a li o r g l n gh y d r a u l i cp r e s s a b s t r a c t f o r g i n gh y d r a u l i cp r e s si s o n eo ft h em a jo rs y m b o l so fm e a s u r e m e n to fa n a t i o n a l m a c h i n e r y m a n u f a c t u r i n g l e v e lw h i c hh a st h e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sf i n ep r o c e s sp r e c i s i o n ，h i g ha u t o m a t i o nl e v e l ，a n ds oo n a s a ni m p o r t a n tl a r g ef o r g i n ge q u i p m e n t ，i ti sw i d e l ya p p l i e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a n dn a t i o n a ld e f e n s ec o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s o fy h10 - 4 0 0 0i s o t h e r m a lf o r g i n g h y d r a u l i cp r e s s ，h y d r a u l i cs y s t e m o ft h e h y d r a u l i cp r e s si sd e s i g n e di n t h i s p a p e r a n dt h e nt h ep r o p e rh y d r a u l i cc o m p o n e n t sc a nb es e l e c t e dt h ef u n c t i o na n d e f f e c to fw h i c hi sa l s oa n a l y s e d b yu n d e r s t a n d i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e s y s t e m ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fs o m ei m p o r t a n th y d r a u l i cc o m p o n e n t so ft h e s y s t e mc a nb eb u i l d e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ew h o l ee l e c t r o h y d r a u l i c s e r v os y s t e mi sd e d u c e da c c o r d i n g l y f u r t h e r m o r e ，s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e a n a l y s i so ft h es y s t e mi sm a d ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o r r e c t i o no ft h es y s t e mi s n e c e s s a r yi ft h es y s t e mh a sb a dp e r f o r m a n c e a st h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e mw h o s ep a r a m e t e r sa r ee a s yt oc h a n g ei s r e q u i r e dt oh a v eh i g hc o n t r o la c c u r a c yi n t h ew o r k i n gp r o c e s s ，i ti sd i f f i c u l tt o a c h i e v ee f f e c t i v ec o n t r o lu s i n gt h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r , w h i c hi sn e c e s s a r y t os e e kn e wc o n t r o ls t r a t e g i e s i n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d sh a v eav e r yw i d er a n g e o fa p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 a san e wb r a n c h ，i m m u n ec o n t r o l s t r a t e g yu s e di ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n si ss t u d i e di nr e c e n ty e a r sa n d an e w i m m u n e p i dc o n t r o l l e rb a s e do nb pn e t w o r ki sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h r o u g ht h ea n a l y s i s o fc o n t r o lp e r f c i r m a n c eo ft h en e wc o n t r o l l e rb e c a u s eo ft h ei n f l u e n c e so fi n t e r n a l p a r a m e t e r so ft h ec o n t r o l l e r ，t h ea p p r o p r i a t es e to fp a r a m e t e r s c a nb es e l e c t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r ，t h e i m m u n ep i dc o n t r o l l e rb a s e do nb pn e t w o r kh a sb e t t e rr o b u s t n e s sa n d a n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e t h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e ms h o w sab e t t e r d y n a m i cr e s p o n s ep e r f o r m a n c eu n d e rc o n t r o lo ft h en e wc o n t r o l l e rw h o s ec o n t r o l r e q u i r e m e n t sa r ea v a i l a b l et om e e t k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp r e s s ；e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v os y s t e m ；i m m u n ep i d c o n t r o l l e r ；s i m u l a t i o n 致谢 三年的研究生学习生涯即将结束，在毕业论文完成之际，首先我要向尊敬 的导师丁曙光表示最真诚的感谢，虽然之前的论文写作过程异常艰辛和枯燥， 但丁老师依然在百忙之中抽出时间给我提出宝贵的指导和修改意见，让我在论 文写作过程中懂得了如何整合知识和运用知识，这些都使我受益匪浅。丁老师 治学严谨、学识渊博，他那严谨的学术作风给我留下了深刻的印象，也给我在 学习过程中树立了良好的榜样，使我始终能以认真负责的态度完成论文的写作。 另外，在论文写作过程中，我也得到了机械设计工作室同学和班级同学的 帮助和指导，他们给我提出了许多宝贵的学习意见，在此也向他们表示衷心的 感谢。 最后，我要感谢我的家人和亲朋好友，你们的默默支持是我不断克服学习 阻力、不断前进的动力。感谢你们的鼓励和支持，使我在三年的研究生学习生 涯中努力学习，顺利完成学业。 作者：束鹏程 2 0 1 2 年0 3 月 图2 一 图2 一 图3 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图3 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图4 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 图5 一 插图清单 抗原浓度和应答强度的变化5 人工免疫系统与人工神经网络算法的主要步骤比较8 横梁下压系统液压原理图1 2 四缸同步平衡系统液压原理图1 4 四缸同步控制原理图1 5 电液伺服系统原理方块图1 5 工控机控制原理框图1 7 计算机软件结构框图1 8 阀控柱塞缸模型图1 9 系统校正前4 = o 1 的b o d e 图2 4 系统校正前4 = 0 2 的b o d e 图2 4 系统校正前f = o 3 的b o d e 图2 5 未加校正环节前系统的阶跃响应2 6 p i d 校正后的系统阶跃响应2 6 免疫系统反馈原理示意图2 8 t 细胞规则回路2 9 免疫p i d 结构原理图3 l b p 网络结构图3 3 b p 网络逼近原理图3 4 厂( x ) 为理想输出情况下的免疫p i d 阶跃响应3 5 万( x ) 为理想输出情况下的免疫p i d 阶跃响应3 6 厶似) 为理想输出情况下的免疫p i d 阶跃响应3 6 a = 0 0 5 时的抗体抑制调节函数值变化曲线3 7 a = 0 1 时的抗体抑制调节函数值变化曲线3 7 a = 0 1 时的免疫p i d 的阶跃响应3 8 a = 0 0 1 时的免疫抑制调节函数值变化曲线3 8 k = 0 2 刀= o 9 5 时系统阶跃响应3 9 k = 0 27 7 = 0 8 时系统阶跃响应3 9 k = 0 1 玎= 0 9 时的系统阶跃响应4 0 k = 0 3 刀= 0 9 时的系统阶跃响应4 0 免疫p i d 的模块封装框图4 l 免疫p i d 控制下的系统阶跃响应4 1 抗体抑制调节函数值变化图4 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 j 1 l 1 l 1 l l l 1 l 图5 2 0 加入阶跃干扰后两种控制器的系统阶跃响应4 3 图5 2 1 加入噪声干扰后两种控制器的系统阶跃响应4 3 列表清单 表2 1人工神经网络与人工免疫系统的比较7 表4 1电液速度伺服系统相关参数表2 3 第一章绪论 1 1 课题的背景与意义 本课题来源于与合锻集团的企业合作项目，是在实现高精度、高可靠性、高 自动化的大型加工背景下提出的。传统的锻造液压机大多数采用手工操作方式， 这样不仅会使能源利用率降低，原材料浪费严重，加工效率低，而且锻件的加 工精度也不会很高。近年来，随着液压控制技术、计算机控制技术、微电子技 术的不断更新和发展，锻造液压机的自动化水平也不断提高，锻件质量和劳动 生产率也随之提高。但是，由于锻造液压机经常处于连续工作状态或工况经常 会发生变化，而且锻件的加工精度要求很高，因此液压控制系统的可靠性和稳 定性要求也会得到相应的提高，这就给控制系统的设计和选择带来了一定的困 难。智能控制是近年发展起来的一门新兴技术，它存在很多优点，鉴于国内 外生产的锻造液压机大多数采用计算机控制，将智能控制应用于计算机控制中， 不仅可以实现加工的自动化，而且可以提高控制系统的动态性能。因此，对智 能控制在液压控制系统中的应用研究具有非常重要的现实意义和指导价值。 1 2 锻造液压机的国内外发展现状和发展趋势 1 2 1 液压机的发展现状 随着西方资本主义的不断扩展与发展，工业革命应运而生，传统的手工业逐 渐被现代工业所取代，传统的手工锻造工艺也逐渐转变为机器锻造。在这种背 景下，第一台蒸汽锤于1 8 3 9 年诞生。此后随着机械制造业的迅速发展，锻件的 尺寸越来越大，而如此笨重的锻锤手工操作十分困难，急需新的锻造机器。 1 8 9 5 1 8 6 1 年，第一批用于金属加工的7 m n 、i o m n 和1 2 m n 的液压机相继在维也 纳工厂产生。1 8 8 4 年，蒸汽锻造水压机在英国曼彻斯特首先被使用于锻造钢锭， 该机器的重量明显减轻，易于操作，它也因此得到了迅速的发展。1 8 9 3 年，当 时世界上最大的1 2 0 m n 锻造水压机被建成，自此以后，锻锤操作的锻造加工已 被淘汰，锻造水压机已被正式应用于各种钢锭的锻造工作1 2 j 。 1 9 世纪末到2 0 世纪初，西方资本主义开始向帝国主义过渡，伴随着不断对 外扩张和争夺殖民地的军事政治需求，各种锻造液压机和模锻液压机得到了迅 速的发展。在这段时间，为满足战争需要，德国先后制造出一台7 0 m n 的模锻水 压机、三台1 5 0 m n 的锻造水压机和一台3 0 0 m n 的大型模锻水压机。 第二次世界大战结束过后，美国和苏联都致力于航空航天事业的发展，此时 液压机又得到了进一步的发展，在此期间，美国先后生产出3 15 m n 和4 5 0 m n 的 大型模锻水压机各两台，苏联也先后制造出3 0 0 m n 的模锻水压机三台和当时世 界上最大的7 5 0 m n 模锻水压机两台。另外，西欧的一些主要国家如英国、法国 和联邦德国也先后生产过2 0 0 - 3 0 0 m n 的大型模锻液压机。1 9 7 6 年，法国还建成 了当时西欧最大的6 5 0 m n 的大型模锻液压机。 液压机在世界上的主要发达国家已经取得了长足的发展，相比而言，我国的 液压机的生产起步晚，发展速度较慢。1 9 5 2 年，我国开始实施第一个五年计划， 为了建立一个完整的独立自主的工业体系，各种类型的液压机在这种背景下应 运而生，得到了迅速的发展。从1 9 5 6 年起，为了改变依靠向国外进口的现状， 我国开始独立自主研发锻造液压机。在这个阶段，北重、上重、天重、太重、 沈重、西安重型机械研究所等单位各自独立成功地研发出各种吨位的锻造液压 机，主要规格包括5 m n 、8 m n 、1 0 m n 、1 2 5 m n 、1 6 m n 、2 0 m n 的锻造液压机等。2 0 世纪7 0 年代，我国已经开始向国外一些国家出口各种规格的锻造液压机，其中 最大的一台为6 0 m n 的锻造液压机。应该可以说，2 0 世纪5 0 年代到8 0 年代是 我国独立自主研发锻造液压机的黄金时代【3j 。2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代，随着 改革开放的不断深化和国民经济的持续发展，这一时期我国适时地向国外进口 了一系列的锻造液压机。虽然当时国内主要的大型锻造厂基本上都装备了锻造 液压机，但是这些设备的档次较低，主要以中小型锻造液压机为主。 从1 9 9 8 年起，对低吨位锻造液压机技术的研发已日趋成熟，我国开始研制 一批高吨位的锻造液压机，如1 6 m n 和2 0 m n 的锻造液压机，并在2 0 0 3 年后相继 将产品推向市场，自此我国锻造液压机的发展又进入了一个崭新的阶段【4 j 。 据不完全统计，到2 0 0 6 年底，我国已拥有大约1 6 0 台锻造液压机，其中， 8 1 2 5 m n 锻造液压机约6 5 台，1 6 2 0 m n 锻造液压机约6 5 台，2 5 4 5 m n 锻造液 压机约3 5 台，6 0 一1 2 5 m n 锻造液压机约9 台，1 2 5 1 8 0 m n 锻造液压机约5 台。2 0 0 7 年2 月8 日，中信重机公司与德国威普克一潘克公司在洛阳签订了一份新合同， 宣布联合制造当时世界上锻压力最大的1 8 5 m n 自由锻造油压机机组，并计划在 2 0 0 8 年底完成这台设备的制造、安装、调试和投产【5 】。 虽然从锻件的总产量上来看，我国已进入世界制造大国行列，但是从锻件的 品种、加工精度和工艺水平上看，与国外发达国家相比，我国的产品仍然存在 一定差距，尚需改进和提高。 1 2 2 液压机控制系统的发展现状 随着对液压机的本体结构和液压系统的技术研究已日趋成熟，国内外机型已 经没有较大的差距，主要的差别在于加工工艺和安装方面【6 j 。良好的工艺可以 使液压机在制造成本、防止振动及节能减排等方面得到明显的改善。本体结构 基本上采用整体铸造及全预应力焊接形式，主缸密封技术也已经赶上了国外同 类产品的技术水平。液压系统大多数采用油泵直接传动，相比与水泵蓄能器传 动，其能源利用率得到了大幅提高1 7 j 。 液压机的发展趋势最主要体现在控制系统方面，随着数控技术、计算机控制 技术、微电子技术和智能控制技术的飞速发展，液压机控制性能的提高已经成 为可能。当前，国内外生产的各种大中型液压机都普遍采用计算机控制，只有 在一些加工精度要求不高或小型加工的情况下，才采用传统的继电器控制方式。 液压机的计算机控制方式主要分为可编程控制器( p l c ) 和工业控制计算机这两 大类【8 】。 ( 1 ) p l c 从广义上来讲也是一种计算机控制系统，它以原有的继电器控制和顺 序控制为基础，逐步发展成为一种不仅具有逻辑控制、计时、计数等顺序控制 功能，而且具有数学运算、数据处理、操作提示、联网通讯等功能的新型工业控 制装置，其结构简单，编程方便快捷，己被广泛应用于工业生产的过程控制， 但从总的计算机功能方面来看，与工业控制计算机相比，仍然存在很大的差距。 目前，国内外厂家生产的p l c 产品种类众多，但它们都存在以下的共同特点： 1 ) 系列化。p l c 产品根据不同的用途可分为小型、中型和大型这三类，其中： 小型：输入输出( i o ) 点从几十点到2 5 6 点，内存卜4 k b ，单处理器，8 位机。 中型：i o 点为2 5 6 3 0 0 0 多点，内存4 3 2 k b ，双处理器，1 6 位机。 大型：i o 点可达8 0 0 0 点，内存2 m b ，多处理器，1 6 位机。 2 ) 较大的存储能力。存储器容量从几千字节到数兆字节，并具有掉电保存信息 能力。 3 ) 智能外围接口。p l c 自带很多的智能外围接口，它们都有独立的处理器和存 储器，主要用于完成一些特殊的功能，如有独立进行闭环控制的接口，用于完 成对温度或位移的控制，有用于连接显示终端、打印机和通信功能的接口等。 4 ) 网络化。p i c 可与外界连接成功能强大的网络系统，一般可分为低速网络和 高速网络这两类。由于很多网络都可以兼容不同类型的p l c 和计算机，这就保 障了p l c 的联网通讯能力。 5 ) 通俗的编程语言和丰富的指令。p l c 向科技人员提供了多种形式的编程语言， 例如有用于顺序控制的梯形图，有用于数值控制的系统流程图，还有类似于汇 编语言的语句表等编程语言。 ( 2 ) 工业控制计算机是在计算机控制技术已日趋成熟的基础上发展起来的一种 工业控制装置，它以工业控制机或单片机作为主控单元，通过外围接口器件 ( 如a d ，d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压系统的控制，同时利用各 种传感器组成闭环控制系统，从而达到精确控制的目的。它具有下列特点： 1 ) 友好的人机交往界面。人机交互性强，用户可通过数字面板对输入压力、快 进速度、回程速度和压制速度等参数进行设置，操作方便简单。 2 ) 控制精度高。一般来讲，行程的控制精度可达0 0 5 m m 。 3 ) 可有效实现对压力、位移、速度等工作参数的单独调整及控制。 4 ) 可对不同工件的工艺过程和工艺参数进行预先存储并反复调用，实现预存工 作模式，这样就缩短了工件的调整时间。 5 ) 可利用软件对其进行故障预诊断，并显示故障及进行故障的自动修复。 6 ) 方便实现对生产线的集散控制。它能与上位机进行通信并实现调度控制从而 构成柔性生产线。 1 2 3 液压机的未来发展趋势【9 。1 1 】 ( 1 ) 高安全性、高可靠性。锻造液压机的发展水平体现了一个国家生产制造的 能力，一旦发生事故，不仅会造成人员的伤亡，还会给国家造出设备缺失及数 百万元的经济损失。因此，在任何环境下锻造液压机都必须具有高安全性和高 可靠性。 ( 2 ) 高精度。随着经济的高速发展和工业生产的需要，锻件的加工精度要求日 益提高，锻造液压机控制系统的控制精度也必须与之适应。 ( 3 ) 高效率、节能环保。到了2 1 世纪，节能环保成了国家呼吁的战略口号， 并已不断贯彻到生产和生活的各个方面，不仅要考虑到产品的生产效率，而且 也要注重原材料和能源的利用率。 ( 4 ) 自动化、智能化。伴随着计算机控制技术、微电子技术、人工智能技术等 技术的迅猛发展，液压机的自动化和智能化已经成为可能。自动化应不仅体现 在产品的加工方面，而且也应该体现在控制系统能够进行故障的自诊断和报警， 进行数据的自动采集和预处理等方面。 ( 5 ) 网络化。随着全球计算机网络技术的发展以及多媒体技术、无线接入技术、 自动化技术的日趋成熟，液压机的网络化控制成为可能。 ( 6 ) 液压系统的集成化和精密化。液压元件的集成化不仅可以减少液体在管道 流动中的压力损失和冲击振动，而且还可以有效地防止泄漏和污染。 1 3 本文的主要研究内容 本文主要以y h i o 一4 0 0 0 型等温锻造液压机的液压系统部分作为研究对象，液 压部分作为液压机的重要组成部分，不仅为本体部分提供了强大的动力，而且 其动态响应性能也会直接影响到液压机的工作特性。针对液压机的液压系统部 分，本文主要进行了以下的研究内容： ( 1 ) 根据y h i o 一4 0 0 0 型等温锻造液压机的等温锻造工艺要求，设计该液压机的 整个液压系统，并选取合适的液压元件。 ( 2 ) 根据电液伺服系统的工作原理，对系统中的重要液压元件进行数学建模， 从而建立该电液伺服系统的数学模型。 ( 3 ) 针对已建好的y h i o - 4 0 0 0 型等温锻造液压机电液伺服系统模型，利用 m a t l a b 对其进行静动态性能分析。 ( 4 ) 通过对免疫控制在工业控制领域的应用研究，设计一种免疫控制器并利用 m a t l a b s i m u l i n k 进行相应的仿真实验研究，为其在y h i o 一4 0 0 0 型等温锻造液压 机的电液伺服系统中的应用提供理论支持。 4 第二章免疫控制理论基础 2 1 人工免疫系统 2 1 1 人类免疫系统的主要功能与特性 在漫长的进化史中，包括人类在内的各种生物进化出高度复杂的、多层次的、 自适应的、不可或缺的免疫机制，它能使生物体抵御各种细菌和病毒，不断适 应外部环境的变换，达到保护自我的目的。除了人类外，植物、鱼类、昆虫也 具有较发达的免疫系统，但人类的免疫系统是所有生物中最复杂的，因此，研 究人类的免疫系统对了解生物体的免疫系统有很大的促进作用。 人类免疫系统中包含各种免疫细胞和免疫分子，它们分布在机体的各个器官 和组织中，当机体遭受外界抗原侵袭时，它们就会被激活进而逐渐消灭进入机 体的抗原，重新维持免疫系统的稳定性。虽然目前对人类免疫系统的具体工作 机制不是很清楚，但其能迅速消灭抗原并能维持免疫系统的稳定的能力是非常 明显的，这与免疫系统的一些有益功能和特性是密不可分的，人类免疫系统的 主要功能有免疫应答与免疫调节。 ( 1 ) 免疫应答 机体遭受外界抗原刺激后，体内的各种免疫细胞通过对抗原的识别产生免疫 效应的过程称为免疫应答。免疫应答的过程主要发生在机体内，通过机体内各 种免疫细胞和分子之间相互促进和抑制作用，从而能够消灭抗原，维持机体的 平衡。在免疫应答早期，抗原浓度很高，抗体浓度较低，应答水平较低。随着 抗体浓度的迅速升高，免疫系统能够对外界快速作出反应，在免疫应答后期， 当抗原浓度下降到一定程度时，免疫抑制开始发挥作用，此时抗体浓度也随之 降低，最终整个免疫系统趋于稳定。图2 1 表示抗原浓度和应答强度的变化示 意图。 抗原 浓度 抗体及 答水平 j jl r l 八 | z tt 7 早期抗原分解期后期 图2 1抗原浓度和应答强度的变化 ( 2 ) 免疫调节 在免疫应答全过程中，机体内的各种免疫细胞和分子进行相互制约和相互协 调的过程称为免疫调节，它决定了免疫应答过程的丌始、发展和结束。只要机 体的免疫调节过程产生故障，免疫系统就会紊乱，机体就会生病。 免疫系统通过各种方式保护人体免受外界抗原的入侵，体现了免疫系统不同 于体内其它系统的特性。 ( 1 ) 分布性 免疫系统遍布人体全身，没有一个统一的中央管理器，它由广泛分布于全身 的各种免疫细胞组成，这些免疫细胞通过时间和空间上的分布式网络结构相互 通信，相互协作，从而完成各种复杂的免疫功能。 ( 2 ) 自学习性 免疫系统的学习能力主要体现在两个方面：在微观方面，通过克隆选择作用， 在体内产生能够识别各种抗原的特殊抗体，并加以分类储存；在宏观方面，通 过免疫网络的调节作用，免疫系统能够对外部环境作出合理的评价与分析，并 迅速地作出免疫应答。 ( 3 ) 自适应性 免疫系统是自然界中典型的自适应系统之一，当外界抗原进入人体后并开始 迅速复制增多，为了尽可能较快地检测和清除抗原，淋巴细胞往往要求与抗原 细胞的抗原决定基有较高的亲和度。抗原细胞的抗原决定基越特殊，抗原被检 测和清除的概率就越大。免疫系统能使淋巴细胞学习和适应各种抗原细胞的抗 原决定基的机制，这就是免疫系统的自适应性。 免疫系统的白适应性与其所处的环境密切相关，它使免疫系统能够以动态灵 活的方式对外界刺激作出应答，保证人体能迅速适应外界环境的变化。 ( 4 ) 鲁棒性【1 2 】 免疫系统的鲁棒性是指系统对外界环境的不敏感性，即系统的稳定性不会因 为外界的干扰或内部的某些变化而发生变化。 免疫系统的鲁棒性是分布性的结果。每个淋巴细胞、组织和器官都是一个独 立的免疫系统，它们之问相互通信和协作，给人体提供了全局防御，由于没有 中央控制，这就保证了整个免疫系统不会因为某个细胞的死亡或检测失败而造 成紊乱，从而实现了系统的稳定性。 2 1 2 人工免疫系统与其它方法的比较 伴随着自然界的进化，各种生物包括人类也进化出一套完备的免疫系统来抵 御外界抗原的侵害，这些有用的生物信息给人类研究免疫系统提供了一种有效 的工具和手段。人工免疫系统就是研究、借鉴和利用人类免疫系统相关机制而 发展起来的一种解决工程实际问题的技术和手段，该技术可以将免疫学、计算 机科学、工程应用有效地连接起来，目前对人工免疫系统的研究主要集中在三 6 个方面：免疫建模，理论免疫学和应用免疫免疫学。应用免疫学的研究范围包 括研发基于免疫的新算法，构建基于免疫的计算系统，实现人工免疫系统在现 实世界的应用。免疫建模研究人工免疫系统的具体工作细节和免疫系统的仿真。 而理论免疫学旨在研究人工免疫系统的理论方面，包括免疫算法的数学建模， 收敛性分析和这些算法的性能和复杂性分析【l3 1 。应用免疫学是人工免疫系统中 最具潜力、最有前途的分支，已被广泛应用于免疫优化【1 4 郴】、故障诊断【17 1 、模 式识别和分类1 8 , 1 9 】、图像处理【20 1 、网络学习 2 1 , 2 2 1 等领域。 人工免疫系统是借鉴人类免疫系统的机理、特性开发出的一门新兴学科并已 广泛应用于工程领域，与其它解决工程实际问题的方法相比，有其独有的优点。 ( 1 ) 与人工神经网络的比较 2 3 , 2 4 j 人工免疫系统和人工神经网络都由许多的高性能单元构成，两者都具有容噪 泛化能力、记忆能力以及通过竞争实现的并行分布处理能力。具体比较如表2 1 所示。 表2 1 人工免疫系统与人工神经网络的比较 特点神经网络免疫系统 参加免疫的淋巴细胞数量超 基本单元1 0 1 0 个神经元过1 0 1 2 个，系统比神经网络更 复杂 单元间的相 刺激和抑制连接激活和抑制相互作用 互作用 通过改变神经元之间的连通过改变免疫网络单元之间 学习 接权值实现学习的浓度和亲和度实现学习 识别是通过与存储在连接识别由单元的接受器完成， 知识权值中的“知识”匹配完知识存储在抗体与抗原之间 成的的相互作用中 结构固定，神经元的位置结构松散，免疫系统分布在 结构 固定，由大脑控制人体全身，没有中央控制 人工免疫系统与人工神经网络算法( 主要通过竞争) 的主要步骤比较见图 2 2 。其中人工免疫系统算法步骤中的亲合度调整和神经网络算法步骤中的权值 修正作用是相同的，都是为了提高系统对外界输入的识别能力。 虽然两种系统在行为级上存在很多的相似点，但是两者在系统元件和结构组 织上却表现出较大差别。与神经系统相比，免疫系统具有以下优点： 1 ) 免疫系统表现出多样性。虽然它不要求达到全局最优，但它能够进化抗体从 而消灭不同的抗原。 2 ) 免疫系统是一个分布式系统， 人体全身。 抗原刺激 它没有统一的中央控制器，即免疫系统分布在 输入模式 神经元 竞争 权值修正 。壬； 未被诹活的 胜利者4 、并嚣芫“ 1 r 】二l 分裂修剪 a ) 免疫系统流程b ) 神经网络流程 图2 2人工免疫系统与人工神经网络算法的主要步骤比较 3 ) 免疫系统是一个自然生成的事件驱动响应型系统，它能够对外界环境的变化 快速作出响应。 4 ) 免疫系统具有一定的自组织记忆能力，它能够有效保持之前遗忘的相关信息， 这得益于免疫细胞的记忆能力。 5 ) 免疫系统的记忆能力是可再次寻址的，即同一抗体能够辨识有差别的抗原， 这就使抗体即使在有噪声干扰的情况下也能有效的识别抗原。 6 ) 免疫系统可应用于特殊情况下的模式辨识，而神经网络只适用于一般情况下 的模式识别。 ( 2 ) 与遗传算法的比较1 2 5 , 2 6 l 虽然免疫算法与遗传算法存在着较多相似点，例如它们都采用群体搜索策 略，并且都强调群体中的个体要进行信息互换等，但这两种算法也存在一定的 差别，总的说来，可归纳如下： 1 ) 免疫算法是在记忆单元的基础上进行运算，能快速地收敛于全局最优解，但 遗传算法并不能保证概率收敛。 2 ) 免疫算法不仅要计算抗体与抗原之间的亲合度而且还要计算抗体与抗体之间 的亲合度，它反映了免疫系统的多样性，但遗传算法只涉及计算个体的适应度。 3 ) 免疫算法在整个免疫应答过程中通过各种免疫细胞和分子之间的相互协调和 抑制作用，从而维持免疫系统的稳定性，体现了个体的多样性，但遗传算法只根 据个体的适应度大小来相应地选择父代个体，从而忽略了个体的多样性，这可 作为免疫算法用于改进遗传算法的一种有效方法。 4 ) 虽然免疫算法中抗体的产生可通过遗传操作中的交叉变异等实现，但是也可 以通过遗传算法中没有的操作来完成，例如免疫记忆、克隆选择、疫苗接种等。 综上所述，与遗传算法相比，免疫算法具有以下优点： 1 ) 基于免疫系统的多样性原理可以使免疫算法在解决优化问题时能得到一个更 佳的全局最优解。 2 ) 基于免疫细胞的记忆功能可以使免疫算法能够以较快的速度得到一个全局最 优解。 3 ) 高效率并行搜索。 2 2 人工免疫系统在控制领域的应用 在实际工业生产过程中，被控对象往往存在时变性、非线性、不确定性等特 点，传统的控制器难以取得良好的控制效果，对工况的适应性也很差。人工免 疫系统的有益特性( 自适应性、分布性、鲁棒性、免疫反馈等) 可以为解决工 业生产中的实际问题提供有效的参照。最早对免疫控制方面的研究开始于2 0 世 纪9 0 年代，其主要的研究方向包括以t a k a h a s h i 为代表的反馈控制、以 k r i s h n a k u m a r 为代表的智能控制、以b e r s i n i 为代表的自适应控制等。 t a k a h a s h i 与y a m a d a 最早设计出基于免疫反馈机理的免疫控制器，并将其与 传统的p i d 控制器结合起来，将该控制器应用于d c 伺服马达系统后，控制系统的 动态性能得到明显提高。t a k a h a s h i 还根据t 细胞的免疫反馈规律设计出自调整 免疫反馈控制器，并将其用于控制反应速度的激活项和稳定效果的抑制项。 b e r s in i 于1 9 9 1 年借鉴生物免疫系统的恢复与学习机理提出了一种自适应控 制方法，他指出生物免疫网络是一个随环境动态变化的自组织系统，控制系统 的某些特征与其类似。b e r s i n i 和v a r e l a 在1 9 9 4 年学习并总结了生物免疫系统的 亚动力学特性和动态特性，同时还指出免疫系统的亚动力学特性可以使免疫系 9 统的动态特性保持很长一段时间，并且还能使其不断适应外界环境的变化。 i s h i d a 根据自体耐受原理设计出一种自适应干扰中和器，每个识别器只能 辨识一种特异的干扰信号并且能将其中和口7 ，列j 。 克隆选择算法作为人工免疫系统的一个重要分支，s a p a n i m a d a i r a m a s w a m y 等人提出将它应用于非线性系统的优化控制中，并开发出一种不仅对 实数值操作有效而且可以很快收敛的新的突变操作1 2 9 1 。 针对不同工作环境下的监控系统在执行任务时须满足高自适应性和高可靠 性的需求，w e n j i al i u 和b oc h e n 提出了一种基于人工免疫系统概念的监控网 络。在该网络中，移动监控代理在分散的监控系统中被视为免疫细胞用以侦查 异常现象和模式识别，并与监控环境进行信息交换从而对出现的问题快速做出 应答，该网络已被运用于结构健康监测中p0 。 为实现计算机的自动故障诊断，c a l a u r e n t y s 等人根据现有的免疫理论 提出了一种错误检测方法。该问题的关键在于发现正常活动与潜在有害活动的 区别，基于自然杀伤性免疫细胞的工作机制，可将其免疫环境类比于故障诊断 系统。在这种系统中，正常工作模式被视为杀伤细胞抑制受体，而异常模式被 视为杀伤细胞激活受体【j 1 | 。 近年来，随着对人工免疫系统研究的深入，特别是借鉴免疫反馈机制的有益 特性，免疫控制在控制领域得到广泛地应用。例如，文献 3 2 1 n 用图像雅可比 矩阵的伪逆和免疫反馈机制设计了一种视觉控制器，并将其应用于机器人的视 觉伺服控制，取得了较好的控制性能；文献 3 3 1 根据免疫反馈机制和s m i t h 内模 控制设计了一种免疫内模控制器，将其应用于过热汽温控制系统后，控制系统 的动态性能得到明显改善；文献 3 4 1 根据免疫反馈机制和模糊神经网络控制理 论，并结合传统的p i d 控制器设计出一种模糊神经免疫p i d 控制器，将其应用 于恒张力控制系统后，控制系统有较好的动态性能；文献 3 5 1 根据免疫反馈机 制设计出一种免疫p i d 控制器，应用于汽车防抱制动系统后，系统的动态响应 特性得到显著改善。目前，基于免疫反馈机制的人工免疫系统己广泛应用于各 种工业控制，例如温度和湿度控伟1 3 6 , 3 7 1 、速度控制38 1 、位置控制39 1 、力控制 4 0 l 等领域。 2 3 本章小结 人工免疫系统是在仿造和借鉴人类免疫系统相关机制的基础上发展起来的 一门新兴技术，它是介于免疫学和计算学之间的一门新兴学科，与其它一些智 能算法相比，具有多样性、分布性、自适应性等优点，目前已被广泛应用于优 化、模式识别、控制工程、图像处理等领域，随着与微电子技术、计算机控制 技术等的交叉应用，人工免疫系统的应用领域还会不断扩大。 l o 第三章四柱等温锻造液压机液压伺服系统设计 随着科学技术的不断进步和发展，机电液一体化已成为控制系统的发展趋 势。液压控制是液压技术的一个重要分支，它一般采用伺服阀等电液控制阀组 成闭环控制，以传递信息为主，以传递动力为辅，强调被控对象的控制特性。 伴随着微电子技术和计算机控制技术与液压技术的结合，液压控制技术在各行 各业得到广泛应用，目前该技术已应用于各类机床、重型机械、汽车、飞机、 航空航天、船舶等领域。 3 1四柱等温锻造液压机液压伺服系统设计 3 1 1液压伺服系统的设计要求和工况分析 等温锻造是指在保持模具温度基本不变的情况下将坯料置于一定温度的模 腔中使其以低应变速率进行变形的一种工艺，它主要用于金属的超塑成形工艺， 因此它也被称为超塑成形技术。我国从7 0 年代对超塑技术进行研发以来，已经 在超塑性变形原理、超塑性力学、超塑性材料及超塑成形应用等方面取得了较 大的研究成果 4 1 , 4 2 。 等温锻造具有以下显著的优点： ( 1 ) 可以显著提高金属材料的塑性。 ( 2 ) 减小了因金属材料内部变形不均匀而引起的组织性能的差别，极大地降低 了锻造时的变形抗力，在通常情况下，等温锻造时所受的变形抗力只相当于普 通模锻的几分之一到几十分之一。 ( 3 ) 能在一次模锻中加工完成各种形状复杂、薄壁、高筋的锻件，若用普通模 锻，则须进行多次模锻，从而影响了锻件的表面质量。 ( 4 ) 金属充满型槽的能力强，可以得到尺寸精密的锻件，材料利用率高。 ( 5 ) 锻件的晶粒组织细小均匀，锻件尺寸稳定，有均匀的力学性能。 ( 6 ) 可在小型设备上实现较大锻件的成形，也使复杂锻件的精锻成形成为可 能。 y h l 0 4 0 0 0 型等温锻造液压机在等温锻造过程中要求活动横梁下压时压头 的工作速度控制在0 0 0 5 0 5 m m s 范围内，速度误差小于1 ，且要求速度响应 快。对于如此高的速度控制要求，液压机的液压伺服系统就必须有较好的动态 响应性能，如系统有较快的响应速度、较小的超调量和较高的控制精度等。考 虑到液压系统在工作过程中可能会存在偏载问题，这就会对锻件的加工精度有 一定的影响，因此还必须解决横梁的调平问题。 3 1 2液压伺服系统的控制方案 因液压伺服系统在工作过程中对响应速度和稳定性有一定要求，宜选用闭环 伺服控制系统。该控制系统通过执行器控制活动横梁的位移，在活动横梁下压 过程中，通过检测执行器的位移来调整校正活动横梁的位移。机械反馈式液压 系统简单可靠，价格低廉，但它对偏差信号的校正不便，而且系统的惯性较大， 响应频率也低，在实际应用中很少采用这种形式。相比而言，电液反馈式液压 系统惯性小，反应灵敏，响应速度快，对信号的测量和校正都很方便，具有很 大的灵活性和广泛的应用性。为满足系统的控制要求，宜采用电液伺服系统。 由于横梁的下压运动为直线，作用力大，故执行器采用阀控液压缸结构，该 形式结构简单，成本低，响应快，但其工作效率低，发热量较大。阀控液压缸 一般由四通滑阀和液压缸组成，液压缸在等温锻造过程中承受很大的负载冲击 力，宜选用柱塞式液压缸，这种形式的液压缸一般较粗，在工作时总是受压， 且缸体的内壁与柱塞不接