（机械工程专业论文）重载锻造操作机夹钳旋转系统的模糊控制.pdf

原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。储繇蝴吼丝年厶竺日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。日期：兰年二月! 日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 作为制造大型锻件关键装备之一的重载锻造操作机，其夹钳旋转 角位移控制精度，直接影响锻件的锻造精度和质量。为了获得足够大 的扭矩，重载锻造操作机一般采用双液压马达驱动方式。由于双阀控 液压马达通道的液压动力元件特性不一致，在刚性负载的连接下，导 致两马达输出扭矩不一致，出现“偏载”现象。另外，由于液压系统 存在死区、饱和、扰动等强非线性，且具有时变特性，夹钳旋转系统 难以建立精确的数学模型。从而基于线性模型的p i d 控制器不能满足 精确控制要求。由于模糊控制器不依赖精确的数学模型，且具有良好 的稳定性，能够解决双液压马达驱动夹钳机构旋转时，存在的夹钳角 位移控制精度不高和双液压马达“偏载”问题。因此本文以锻造操作 机实验样机的夹钳旋转系统为研究对象，研究了模糊控制在保证夹钳 角位移控制精度和双液压马达负载均衡控制中的应用。主要研究工作 包括以下几个方面： ( 1 ) 分析液压系统驱动夹钳旋转的结构和原理，建立了双通道 的阀控液压马达系统的数学模型，介绍了夹钳旋转系统中的主要非线 性因素死区和饱和，产生的原因、特点和影响。 ( 2 ) 针对操作机夹钳角位移定位精度不高和双液压马达负载均 衡问题，提出一种模糊控制策略。基于模糊控制器，设计了控制角位 移精度的模糊自适应控制器和控制双液压马达负载均衡的模糊控制 器。 ( 3 ) 利用l y a p u n o v 稳定性理论证明了夹钳旋转闭环控制系统是 稳定的，通过仿真表明本文提出的模糊控制策略能够满足角位移精度 控制和双马达的负载均衡控制。 ( 4 ) 针对实验台，构建了模糊控制系统，设计了“夹钳角位移 控制”和“模糊控制策略”的实验方案，通过实验结果表明采用模糊 自适应控制器能够保证夹钳角位移精度，且比p d 控制器控制时，超 调量小、稳态误差小；同时，采用模糊p d 控制器的负载均衡控制策 略，实现双液压马达的负载均衡控制，能够减小两液压马达轴的输出 扭矩差，有效地抑制偏载现象。因此，本文提出的模糊控制策略是有 效的。该控制策略有助于提高锻件的锻造质量和锻造操作机的整机性 能。 关键词角位移，双马达，模糊控制，负载均衡 a bs t r a c t a h e a v y l o a df o r g i n gm a n i p u l a t o ri so n eo ft h ek e ye q u i p m e n tu s e d t om a n u f a c t u r et h el a r g e - s i z e d f o r g i n g s 1 1 1 ep r e c i s i o no ft h ec l a m p r o t a t i n ga n g u l a rd i s p l a c e m e n t ，d i r e c t l ya f f e c t st h ep r e c i s i o na n dq u a l i t yo f t h ef o r g i n g s i no r d e rt oo b t a i ne n o u g ht o r q u e ，t h eh e a v y l o a df o r g i n g m a n i p u l a t o rg e n e r a l l ya d o p tt h ed u a lh y d r a u l i cm o t o r s i ti sw e l lk n o w n t h a tt h e h y d r a u l i cs y s t e m i s e x s i t i n g t h e s t r o n gn o n l i n e a rf a c t o r s t h l f o r e ，t h ec l a m pr o t a t i o ns y s t e mi sh a r dt od evelopneretore d e v e l o pp r a c t i c a l， m a t h e m a t i c a lm o d e l m o r e o v e r , b e c a u s eo ft h ei n c o n s i s t e n th y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i e s ，i te a s i l yc a u s e st h ep h e n o m e n o no ft h eu n b a l a n c e dl o a di n t h ec o n n e c t i o no ft h er i g i dl o a d s oo nt h ep r e m i s eo ft h ec l a m pa n g u l a r d i s p l a c e m e n ta c c u r a c y , i th a st o r e s t r a i nt h eu n b a l a n c e dl o a do ft h e d o u b l em o t o r s t h e r e f o r e ，t h ec l a m pr o t a t i o n s y s t e mi s u s e da st h e r e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r a n dt h i sp a p e rs t u d yt h ea p p l i c a t i o ni nt h e c o n t r o lo ft h ec l a m pa n g u l a rd i s p l a c e m e n ta n dd u a lh y d r a u l i cm o t o r sl o a d b a l a n c e t h em a i nw o r k sa n da c h i e v e m e n t sa r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec l a m pr o t a t i o ns y s t e m ，c o n s i d e r i n g t h en o n l i n e a ri n f l u e n c e sa n di n t e g r a t e dw i t ht h es y s t e mm o d e lo fv a l v e c o n t r o lh y d r a u l i cm o t o r , ac l a m pr o t a t i o ns y s t e mm o d e li se s t a b l i s h e d ( 2 ) i no r d e rt os o l v et h el o wc o n t r o la c c u r a c yo ft h ec l a m pa n g u l a r d i s p l a c e m e n ta n do f f s e tt h eu n b a l a n c e d1 0 a de x i s t i n gi nt h ed u a lm o t o r s o fah e a v y l o a df o r g i n gm a n i p u l a t o r an e wc o n t r o ls t r a t e g yo f f u z z yi s p r o p o s e d t h e 畸a d a p t i v ec o n t r o l l e ra n dl o a db a l a n c i n gc o n t r o l l e r w i t hf u z z yc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e d ( 3 ) u s i n gl y a p u n o vs t a b i l i t yt h e o r yt h a tt h ec l o s e d l o o pc o n t r o l s y s t e mo ft h er o t a t i n gc l a m p si ss t a b l e t h r o u g ht h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ， t h es t r a g e t yo ff u z z yc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ec l a m pa n g u l a r d i s p l a c e m e n ta c c u r a c y , a n dr e a l i s et h eb a l a n c e dl o a do ft h ed o u b l e m o t o r s ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n ts e t s ，t h ee x p e r i m e n ts c h e m e sa r e d e s i g n e d 1 1 1 er e s u l t so fe x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h a tt h ef u z z ya d a p t i v e c o n t r o l l e rc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n to ft h ec l a m pa n g u l a rd i s p l a c e m e n t a c c u r a c y , a n dt h el o a db a l a n c i n gc o n t r o l l e rw i t hf u z z yc o n t r o l l e rc a n s u b s t a n t i a l l yr e s t r a i nt h eu n b a l a n c e dl o a do ft h ed o u b l em o t o r s t h e r e f o r e ， i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n t r o ls t r a t e g yo ff u z z yi se f f e c t i v e ，a n di tc a nb o o s tt h ef o r g i n g q u a l i t yo f t h ef o r g i n g sa n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef o r g i n gm a n i p u l a t o r k e yw o r d sa n g u l a rd i s p l a c e m e n t ，d o u b l em o t o r , f u z z yc o n t r o l ， l o a db a l a n c i n g i i i 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。工工 第一章绪论1 1 。1 课题的研究背景1 1 2 锻造操作机夹钳旋转系统的研究现状1 1 2 1 锻造操作机及其夹钳旋转系统概述l 1 2 2 液压系统控制研究现状3 1 2 3 同步控制研究现状4 1 3 模糊控制器研究现状介绍5 1 3 i 模糊控制器的发展状况5 1 3 2 模糊控制器的参数整定方法6 1 4 负载均衡控制策略研究介绍6 1 5 本文研究的意义7 1 6 本文研究的主要内容8 第二章锻造操作机夹钳旋转机构建模9 2 1 概述9 2 2 重载锻造操作机夹钳旋转系统概述9 2 3 锻造操作机夹钳旋转机构驱动系统分析1 1 2 3 。1 单通道阀控马达的动力学模型1 1 2 3 2 双通道阀控马达的动力学模型1 5 2 3 3 电液比例阀的模型1 7 2 4 夹钳旋转机构驱动系统非线性因素分析1 8 2 4 1 非线性因素描述1 8 2 4 2 死区现象1 8 2 4 3 饱和现象2 1 2 5 双液压马达驱动系统的模型参数计算2 1 2 6 结论2 4 第三章夹钳旋转系统的模糊控制器设计2 5 3 1 概述2 5 3 2 夹钳旋转系统控制策略设计2 5 3 2 1 夹钳旋转系统控制策略分析2 5 3 2 2 常用的同步驱动控制策略2 6 3 2 3 夹钳旋转系统控制策略2 8 3 2 4 控制器选择2 8 3 3 模糊控制器原理及模型2 8 3 3 1 模糊控制器的结构原理2 9 3 3 2 模糊控制器的p i d 控制特性3 3 3 4 角位移控制器设计3 4 3 4 1 模糊p d 控制器3 4 3 4 2 角位移控制器参数整定3 5 i v 中南大学硕士学位论文目录3 5 负载均衡控制器设计3 83 5 1 负载均衡控制器设计原理3 83 5 2 负载均衡控制器3 93 5 3 负载均衡控制器参数设计4 03 6 结论4 1第四章夹钳旋转控制系统的稳定性分析与仿真4 24 1 概述4 24 2 夹钳旋转控制系统的稳定性分析4 24 2 1l y a p u n o v 稳定性理论4 24 2 2 夹钳旋转控制系统的稳定性证明4 34 3 夹钳角位移控制仿真4 74 3 1 建立夹钳旋转系统的仿真框图4 74 3 2 夹钳角位移仿真分析4 84 4 模糊控制策略仿真5 04 4 1 建立模糊控制策略仿真模型5 04 4 2 模糊控制策略的仿真结果与分析5 14 5 本章小结5 4第五章夹钳旋转系统的控制实验5 55 1 概述5 55 2 夹钳旋转液压驱动平台的控制系统5 55 。3 夹钳旋转系统控制实验设计5 75 3 1 实验控制系统硬件介绍5 75 3 3 实验目的和方案设计5 95 4 实验结果与分析6 05 4 1 夹钳角位移控制实验与分析6 05 4 2 驱动元件特性分析6 35 4 3 模糊控制策略控制实验与分析6 55 5 本章小结6 8第六章总结与展望6 96 1 结论6 96 2 展望6 9参考文献7 1致谢7 7攻读硕士学位期间的主要研究成果7 8v 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 大型锻件的生产和质量是一个国家制造能力和技术水平的重要体现，是国防 安全和国民经济的重要保障，被广泛用于核电、水电、火电、船舶、飞机、冶金、 轧制、锻造等行业。随着大型锻件向巨型化、高精度、高技术的方向发展，大锻 件具有外形巨大，能适应苛刻的工作环境，工作寿命长，科技含量高等优点，但 也具有制造难度高，消耗资源多等缺点。因此，大型锻件的锻造技术和装备已成 为国内外研究的热尉1 3 】。生产大型锻件的锻造装备，被视为一个国家的机械工 业发展水平的的重要标志之一。锻造能力是锻造装备的最主要指标。作为锻造装 备中的重载锻造操作机，是制造大型锻件的关键装备之一1 4 s 】。 锻造操作机起步于上世纪六十年代，最早在美国和前苏联出现，随后其他一 些工业发达的国家也开始了对锻造操作机的研究。锻造操作机首先从全机械传动 类型发展到机械液压混合传动类型，然后再进化到全液压传动类型，最后形成了 系列化的工业产品【6 7 】。进入上世纪八十年代，工业飞速发展，经济空前繁荣， 各国对大型锻件的需求日益增加，这就要求锻造操作机向适应性好、结够简单、 成本低、承载能力大的方向发展。近年来，各国的研究机构和企业都在向这个方 向努力，并取得了大量的成果1 8 9 】。比如德国d d s 公司推出了8 5 0 k n ，1 7 0 0 k n m 无轨锻造操作机；s m s m e e r 公司研制成功了2 5 0 0 k n m 、6 3 0 0 k n m 有轨锻 造操作机；英国开发的3 m n m 有轨锻造操作机；我国二重集团公司自主开发 设计的2 5 k n 的全液压操作机，太原重工设计制造的1 0 0 k n 锻造操作机。 锻造操作机的锻造能力和发展水平，对大型锻件的生产影响巨大。采用锻造 操作机，能够使锻件的生产效率提高2 倍以上。另外，高性能的锻造操作机不仅 能够提高设备利用率、劳动生产率、锻件质量，而且能够降低生产成本、改善劳 动条件和减轻劳动强度【1 0 。1 1 】。所以，研发重载锻造操作机，具有重要的现实意义。 1 。2 锻造操作机夹钳旋转系统的研究现状 1 2 1 锻造操作机及其夹钳旋转系统概述 锻造操作机主要用于夹持锻件配合锻压机来保证工件的锻造加工工艺的完 成，也用于工件、模具、坯料等的运输、堆放、夹持、装出炉等操作 6 】。锻造操 作机实物如图1 1 所示。 按结构形式锻造操作机可分为：有轨式和无轨式。有轨式操作机只能在承载 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 轨道上运动，运动范围受限，但该类操作机结构简单、操作方便，承载量较大， 适合于重型锻件的夹持锻造和坯料的出炉；无轨式操作机大多采用橡胶车轮运 载，行走不受限制，运动范围广，但该类操作机操作复杂，承载量小，主要用于 小锻件的夹持锻造和搬运【s 】。按传动方式锻造操作机可分为：机械传动式、液压 传动式和气压传动式。机械传动式的，精度要求低，便于制造，但结构庞大、复 杂，自身重量大，操作不便。液压传动式的，结构简单、紧凑，重量轻、操作方 便动作灵敏，但制造精度要求较高，密封性能要求较高。气压传动式的，结构简 单，制造精度和密封要求较低，但由于空气压力低，所以气缸体积大。 图卜1 锻造操作机 由于液压传动式的锻造操作机具有结构布局紧凑、工作过程稳定、易于实现 自动化控制等的优点，成为目前锻造操作机的主要发展趋势【1 2 1 。本文的锻造操 作机就是这种液压传动式的。锻造操作机的夹钳旋转部分是重载锻造操作机的重 要组成部分，是体现操作机功能的主体部分【1 3 】，主要实现钳杆旋转带动夹持工件 到达预定位置的动作。在锻造过程中，锻造操作机要能够按工艺要求，快速准确 的进行旋转定位。其夹钳旋转锻造加工工艺过程如图卜2 所示。 图1 - 2 夹钳旋转锻造加工工艺过程 重载锻造操作机的夹钳旋转角位移控制精度，直接影响锻件锻造精度和质量 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论【4 ，7 ，1 2 】。为了获得足够大的扭矩，重载锻造操作机一般采用双液压马达驱动方式【1 3 1 。由于液压系统存在强非线性 1 4 15 1 ，夹钳旋转系统难以建立精确的数学模型，其精确控制就比较困难，其角位移精度就很难满足要求。另外，由于双阀控马达通道特性不一致，在刚性负载的连接下，导致两液压马达输出扭矩不一致，出现“偏载 现象【1 6 】。因此在保证夹钳角位移控制精度的前提下，还需保证双液压马达的输出扭矩同步，实现双液压马达的负载均衡。1 2 2 液压系统控制研究现状锻造操作机的夹钳旋转是以液压传动技术为基础的系统。液压传动是指以密闭容器中的液体为工作介质，用液体的压力来传递动力的技术。液压传动具有重量功率比大、无极调速、工作平稳、易于自动化、易于实现过载保护、且已实现标准化、系列化和通用化的优点，逐步发展为衡量一个国家工业水平的重要标准。所以，现代工业中的机械设备的驱动、传动和控制，几乎都应用到液压传动【1 7 1 9 】。为提高液压系统的运行精度和可靠性，研究液压传动的控制技术具有重要意义。早期的液压系统控制主要是基于传统控制理论的设计，且将所建系统模型简单线性化。例如，在线性化的液压驱动系统模型的基础上，l u 和l i n 2 0 1 ，提出了系统的鲁棒性控制器；b o b r o w 和l u m 2 l 】针对液压系统设计了一种在线辨识来补偿系统参数变化的自适应控制器。但是，由于存在阀的非线性流量压力特性、死区、油液的压缩、泄露、马达迟滞、摩擦等，液压系统具有很强的非线性【2 0 2 1 】。液压系统难以建立精确的数学模型，从而传统的控制方法难以满足控制系统的精度要求。考虑到液压系统中强非线性因素的影响，非线性控制方法被广泛应用到液压驱动系统的速度或位移控制。例如，v o s s o u g h i 和d o n a 吐1 【2 2 1 ，s e o a 等 2 3 1 ，k w o n等【2 4 】，n a s c u t i u 2 5 】等分别提出了液压系统的反馈线性化控制器。为了补偿系统的非线性因素和参数时变的影响b o n c h i s 2 6 1 ，s h a 等1 2 7 1 将滑模变结构控制方法引入到液压系统控制中。刘云峰和缪栋【2 8 】提出了一种消除或抑制常规滑模控制不良影响的模糊变结构控制器；李文磊和蒋刚毅【2 9 】提出了液压系统的自适应鲁棒控制器。然而，上述非线性控制方法都依赖于系统的精确数学模型。在实际的控制过程中，有待进一步的改进和发展。近年来，智能控制方法，如神经网络控制、模糊控制等，得到了快速发展。由于其不受系统精确数学模型的制约，在液压系统控制上，得到了广泛应用。例如，l e e 和k o p p 针对液压锻造操作机设计了一种模糊控制器【3 0 1 ，z h a o 和v i r v a l 0 1 3 1 1 ，k a l y o n c u 和h a y d i m 3 2 1 等，分别为液压系统设计了模糊控制器。s h a o 等【3 3 j 针对电液伺服系统提出了一种模糊p i d 控制器。上述模糊控制器，虽然考虑了液压系统的非线性问题，但其模糊规则库的设计是 中南大学硕士学位论文第一章绪论以专家经验为基础，缺乏普遍性的学习机制。另外，k n o h l 和u n b e h a u e n 3 4 】，考虑阀的死区特性，应用径向基函数神经网络的方法，来控制液压系统的非线性。张友旺等【3 5 】采用自适应模糊神经网络对电液系统进行控制。m o h s e n i 等【3 6 】，s h o o r e h d e l i e t c 等【3 7 】等也分别设计了液压马达转速的模糊神经网络控制器。上述神经网络算法，设计过程都较为复杂，且计算量大，训练网络的权值和阈值在实际应用中难以获得。1 2 3 同步控制研究现状由于在大型锻件的锻压过程中，具有重载，大惯量的特点，要求夹钳驱动系统，能够提供足够的力矩来驱动负载进行旋转，且驱动过程要平稳，因此，多采用两个或多个液压马达来共同驱动。在双液压马达驱动夹钳旋转机构时，由刚性负载联结的两液压马达，在保证双马达转角相同的情况下，由于液压回路通道特性的不一致性，两液压马达间必然存在力矩交联耦合和惯量交联耦合的影响 1 6 , 3 8 - 3 9 】，使马达输出扭矩不一致，出现“偏载 现象，极大的降低马达的承载能力和使用寿命。所以，针对夹钳旋转液压驱动系统，除了考虑夹钳角位移旋转精度的控制外，还要考虑双液压马达的同步控制，即负载均衡控制，尽量抑制或消除马达的“偏载”现象。同步控制是指通过合适的策略实现多个执行元件以相同的输出力或输出力矩进行运动，减少系统内部的耦合效应。在工业实际应用中，对于在多个执行元件驱动下的多轴同步控制问题，一直是研究的热点。液压同步闭环控制，是以利用闭环控制，来获得多个被控执行元件和负载的输出量相同的控制方法，其一般采用“等同方式”或“主从方式”的控制策略 4 0 4 1 1 。等同方式是指对每个执行元件如液压马达，单独设计控制器，不考虑各个执行元件之间互相的影响，靠元件自身的特性，同时跟踪设定的理想输出，达到同步驱动。主从方式是考虑各个执行元件之间的耦合效应，以一个执行元件的输出为理想输出，设计控制器，其他执行元件去跟踪目标执行元件，达到同步驱动。近年来，为了满足工业实际生产的需要，提高同步驱动控制精度，很多学者对主从控制方式进行了改进和发展，来提高同步闭环控制系统的性能。如k u l k a m i 和s r i n i v a s a n 4 2 1 ，t o m i z u k 等【4 3 】，f e n g 等【删利用交叉耦合控制策略，即共反馈同步误差同步控制策略，来解决机床、机器人等的同步问题。s u n 等【4 5 】，l i u 和s u r l 4 6 】利用位置误差和交叉耦合同步反馈控制器，设计了一种多轴同步运动控制算法。m o o r e 和c h e n 4 7 】设计了多执行元件的基于模糊控制方法的同步驱动控制器。王荣【4 8 】针对飞行姿态仿真转台的中框双液压马达进行了同步驱动控铝i i 。4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 另外，许勇1 4 9 j 针对2 5 0 t 的重载锻造操作机利用功率键合图建立了电液比例 阀控马达的数学模型，采用近似逆的内模控制方法和基于压力反馈补偿控制的负 载均衡控制策略；刘振【5 0 j 针对2 5 0 t 的重载锻造操作机的非线性的比例插装阀模 型，利用近似神经网络内模控制和基于压差反馈的交叉耦合同步补偿控制来达到 角位移精度和负载均衡控制的目的；胡香平【5 l j 建立了单通道的阀控马达模型， 利用传统的模糊p i d 控制器和基于液压马达扭矩的主从控制策略。上述研究， 取得了一定的控制效果，但在实际应用中具有局限性。许勇和刘振只是针对2 5 0 t 的重载锻造操作机进行理论分析和仿真，且控制算法复杂，不易实现；胡香平只 分析了单通道的阀控马达模型，且对负载均衡控制没有做理论分析，其最后的实 验结果与实际的控制要求具有一定的偏差。 因此，根据以上分析，本文提出了一种基于不依赖系统精确数学模型的模糊 控制算法和液压同步闭环控制的负载均衡控制策略。 1 3 模糊控制器研究现状介绍 1 3 1 模糊控制器的发展状况 在1 9 6 5 年，美国加州大学l a z a d e h 教授首次提出模糊集合的概念。在1 9 7 4 年，伦敦大学的e h m a m d a n i 将模糊控制理论成功地应用在气轮机和锅炉的过程 控制中。至此以后，模糊控制器因为具有鲁棒性强，且不依赖于被控对象的精确 的数学解析模型的优点，已被广泛应用于工业生产过程【5 2 。5 3 】。在实际应用中，虽 然模糊控制器已取得成功，但模糊控制规则库的设计需要依赖专家经验，没有完 整系统的设计理论体系，难以得到规则库的数学解析模型，从而限制了模糊控制 的进一步推广应用和发展。因此，自上个世纪末，许多学者都在关注模糊控制的 解析方法 5 4 1 ，使得模糊控制理论取得了快速的发展，但仍然缺乏相关的整定理 论 5 5 - 5 们。所以，模糊p i d 控制器由于专家经验不同，被控对象不同，使得其没有 形成系统的设计方案。一般看来，主要有以下三种类型的模糊控制器，分别为单 输入类型的模糊控制器、两输入类型的模糊控制器和三输入类型的模糊控制器 【5 7 】。模糊控制器结构图如图l 一3 所示。 ( a ) c o ) ( c ) 图卜3 模糊p i d 控制器类型 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论单输入类型的模糊控制器，输入变量只有一个，只能表达很小的控制信息，难以满足控制要求，很少在实际系统中应用。三输入类型的模糊控制器，因为需要三个输入变量，设计规则多且麻烦，实际应用不方便，使用的也很少。两输入类型的模糊控制器是以被控量与给定值的偏差和偏差变化率，作为输入变量，并用输入变量的非线性函数来表示模糊控制器的控制量，另外它还具有适当的控制结构和设计方便的特点。因此，在理论和实际应用上，两输入类型的模糊p i d 控制器是最受欢迎的控制器之一。在文献 5 8 中，设计了一种新型结构的模糊控制器，其控制规则的设计方法在实际应用中，具有普遍性【5 9 。6 0 】。该模糊控制器的设计原理是以系统响应特性为核心，利用相平面分析的处理方法，确定通用的模糊规则库，然后采用新的图形法设计方案，导出模糊规则库的数学模型。本文的模糊控制就是利用这种模糊控制器的进行的研究。1 3 2 模糊控制器的参数整定方法近些年来，模糊控制已成为智能控制研究中最活跃的领域之一，且在工业控制中越来越被重视。但在实际应用中，模糊控制仍然存在较大的限制，其中最主要的原因之一是模糊控制器缺少解析的参数整定方法。在实际控制过程中，一方面模糊控制器的规则库参数调整比较困难，另一方面，调整后的规则库对控制效果的影响较小，且使控制器的非线性增强，数学解析更困难。因此，一般针对模糊p i d 控制器的比例因子进行整定。国内外学者在模糊控制器参数整定方面已经做了较多的研究。如文献 6 1 中提出了一种线性和非线性相结合的双层整定方法，首先通过线性整定方法初步获得控制效果，然后再经过非线性的整定方法来调整控制性能，这种方法虽然能够满足较好的控制性能和鲁棒性，但整定过程复杂，且非解析。文献 6 2 】中提出的一种比较整定方法，利用常规p i d 与模糊控制器的对比，来进行模糊控制器比例因子的整定，取得了不错的控制效果，但这种方法的整定过程比较复杂，不能够进行数学解析的。文献 6 3 】提出了一种参数自整定方法，首先估计控制器的比例因子，然后通过闭环反馈环节来优化控制器参数，取得了一定的控制效果。文献 6 4 提出了一种基于拉格朗日插值的局部参数自适应方法，可以通过插值来整定一个范围的控制器的参数值，但效果不够理想。文献 6 5 中提出一种连续变化的参数自适应控制方法，根据控制要求生成一个全局的补偿器，结构简单，能够很好的改善系统的性能。本文采用文献 6 5 中提出的参数自适应整定方法。1 4 负载均衡控制策略研究介绍 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 对于对多液压执行元件的同步驱动系统，传统的解决方法是利用纯液压控制 的方法，如采用改进的液压回路设计和液压分流结构；或者利用纯机械的控制方 式，如设计特殊的机械连接结构等来实现同步运动的目的。虽然这些方式取得了 一定的同步控制效果，然而它们使得系统大幅度增大体积和增加重量，并且使系 统结构变得复杂，还进一步导致系统的可操控范围受到限制【6 酬。为了达到更好 的控制效果的目的，常常需要对液压同步驱动系统，采用适当的控制策略。s u n 和c h i u 6 6 研】针对双液压缸同步系统，采用了一种非线性的同步控制策略，利用 外环和内环控制来达到同步控制和消除非线性因素等的影响的目的。l i 等【6 8 】针 对电梯系统的双液压缸同步驱动问题，设计了一种比例微分控制器，和伪微分反 馈控制器的同步控制策略。l i 等 6 9 1 针对双阀控液压缸的电液系统，采用非线性 控制器控制两缸的同步，利用压力反馈来补偿控制的同步控制策略。李军伟等【7 0 j 针对双液压马达系统，设计了一种基于协调控制的主从同步控制策略。周继成等 【7 1 】针对双液压马达电液同步驱动系统，提出了一种同步校正补偿的控制策略， 利用校正环节调节双马达同步运动。逢波等【| 7 2 】对双马达驱动系统转速同步与负 载均衡进行了探讨；付永领等r 7 3 】初步对夹钳角位移控制和双马达负载均衡进行 控制研究。 1 。5 本文研究的意义 锻造操作机中夹钳旋转机构是实现操作机主体功能的关键结构，锻件的加工 精度主要受夹钳旋转系统的控制精度的影响，因此，为获得高质量的锻件，应提 高夹钳旋转系统的控制性能。根据锻造工况要求，对夹钳旋转系统提出了具体的 性能要求：快速响应、运动平稳、精确定位、强抗干扰性等。 目前大部分液压系统控制方法都是以液压系统精确的数学模型为基础，由于 操作机夹钳旋转液压驱动系统中存在时变和强非线性，系统难以建立精确的数学 模型。因此，现有的液压控制方法运用于本系统时，很难达到预期控制精度。研 究设计一种具有对液压系统建模误差，干扰等有较强鲁棒性的非线性控制器，对 于提高夹钳旋转系统的运行精度具有重要意义。 本文研究的夹钳旋转液压驱动系统是为了研究2 5 0 t 的重载锻造操作机的重 载、大惯量特性，由双液压马达共同驱动。在双液压马达驱动系统中，由于刚性 负载的强制运动，使得原来不同步的两个液压马达输出角位移、角速度等相同， 从而内部存在严重的力矩交联耦合和惯量交联耦合问题，出现两液压马达的“偏 载”现象，严重影响了锻造操作机的使用性能，使系统整体性能降低，甚至对系 统造成损坏。因此在保证夹钳旋转机构角位移控制精度的同时，需要对两个液压 马达采取适当的控制策略，进行输出力矩的控制，抑制或消除液压马达的“偏载” 中南大学硕士学位论文第一章绪论 现象，即进行负载均衡控制。因此，研究一种同步控制性能优良，且算法简单的 同步控制器，实现负载均衡控制，有助于提高锻造操作机的整体性能和使用效率。 1 6 本文研究的主要内容 本文以重载操作机的1 t 实验样机平台的夹钳旋转系统为研究对象。针对双 液压马达驱动夹钳机构进行旋转时，存在的夹钳角位移控制精度不高和双液压马 达偏载问题展开探讨和研究。提出了一种模糊控制策略。建立了双液压马达驱动 夹钳旋转系统的数学模型，并设计了一种模糊自适应控制器来满足夹钳角位移精 度要求：针对双通道液压马达的“偏载 现象，设计了一种带模糊控制的负载均 衡控制器来抑制或消除液压马达的“偏载”现象。通过仿真和实验，验证了所提 出的控制策略是有效的，有助于提高锻件的锻造质量和操作机的性能。具体内容 如下： ( 1 ) 综述国内外锻造操作机的研究现状及发展趋势，指出本文的研究对象 锻造操作机的特点，介绍液压控制技术和同步控制策略的研究现状和发展趋势。 ( 2 ) 介绍锻造操作机夹钳旋转液压驱动系统的基本结构和液压驱动的基本 原理，建立夹钳旋转系统的数学模型，并简要介绍系统中的主要非线性因素，确 定双液压马达驱动夹钳旋转系统的参数值。 ( 3 ) 介绍夹钳旋转系统在控制时的问题，提出一模糊控制策略；设计合适 的角位移控制器和采用模糊控制的负载均衡控制器。 ( 4 ) 利用l y a p u n o v 稳定性原理证明夹钳旋转液压驱动系统的闭环稳定性。 ( 5 ) 针对夹钳角位移控制精度和双液压马达负载均衡控制，一方面利用 m a t l a b 进行角位移控制仿真和模糊控制策略控制仿真；另一方面利用夹钳旋 转系统的数字控制系统进行角位移控制实验和模糊控制策略控制实验；验证本文 提出的模糊控制策略的有效性。 中南大学硕士学位论文第二章锻造操作机夹钳旋转机构建模 2 1 概述 第二章锻造操作机夹钳旋转机构建模 由于液压驱动系统，一般具有快速响应、高运行精度、大传动功率和便于伺 服控制等特点，重载锻造操作机通常采用液压控制驱动系统。液压动力元件( 由 液压控制元件和执行元件组成) 是液压控制系统的关键性部件，其动态特性的优 劣决定着整个系统的性能。本章根据对夹钳液压驱动系统的分析，参照阀控马达 的建模过程和各参数之间的关系，分析液压系统中存在的非线性因素，建立液压 动力机构的数学模型。所建立的模型，可作为分析和设计液压控制系统的基础。 2 2 重载锻造操作机夹钳旋转系统概述 本文针对“国家9 7 3 课题”搭建的，仿2 5 0 t 重载锻造操作机的1 t 试验样机 平台中的夹钳旋转液压驱动系统进行研究。夹钳旋转液压驱动系统的主要功能包 括：测试液压泵、液压阀和液压马达的主要性能，对伺服控制的阀控马达进行科 研开发，对夹钳角位移进行精度控制和双液压马达的同步控制。 其中的夹钳旋转驱动系统实物如图2 1 所示。 图2 - i 夹钳旋转驱动系统 夹钳旋转机构液压驱动系统液压原理和夹钳工作原理如图2 2 和2 3 所示。 工作时，电动机3 带动液压泵4 通过过滤器2 吸油，作为伺服阀的油源；伺服阀 7 、8 的输入电压信号为 一6 v ，6 v ，通过改变其输入电压信号，调节电液比例阀 阀的阀块开口大小，来控制油路中的流量大小，从而控制液压马达的转动；液压 中南大学硕士学位论文第二章锻造操作机夹钳旋转机构建模马达1 3 、1 4 通过刚性轴与小齿轮进行连接，进行旋转；小齿轮1 7 、1 8 与大齿轮1 9 进行啮合，带动夹钳部分进行旋转，完成锻造操作机的夹钳旋转动作。另外油路中的溢流阀9 、1 0 、1 1 、1 2 是液压马达1 3 、1 4 的保护元件，扭矩传感器1 5 、1 6 用来反馈液压马达轴的扭矩数据。由于重载锻造操作手夹钳机构存在重载、大惯量、低速的特点，为了获得足够大的旋转扭矩，一般采用双液压马达驱动方式。图2 3 中分别由元件1 、2 和元件5 、6 所组成的两个同步通道共同驱动负载4 、8 、9 、1 1 。其中3 、7 、1 0 为夹钳旋转系统双通道状态的检测元件。为了保证两条通道的液压驱动系统具有相似的性能指标，两液压马达位置采用对称布置。两液压通道采用相同的驱动原理和液压动力元件。故先以单马达驱动建立阀控马达数学模型，再得出双液压马达驱动数学模型。8图2 - 2 夹钳旋转机构液压驱动系统卜油箱2 一过滤器3 一电动机4 一液压泵5 一单向阀6 一先导式溢流阀7 、8 一电液比例阀9 、1 0 、1 1 、1 2 一溢流阀13 、1 4 一液压马达15 、1 6 - 扭矩传感器17 、18 一小齿轮1 9 - 犬齿轮1 0 中南大学硕士学位论文第二章锻造操作机夹钳旋转机构建模1256图2 - 3 夹钳旋转机构夹钳工作原理1 、6 液压马达2 、5 电液比例阀3 、7 一扭矩传感器4 、8 一小齿轮9 一大齿轮1 0 一磁环编码器1 卜夹钳2 3 锻造操作机夹钳旋转机构驱动系统分析2 3 1 单通道阀控马达的动力学模型阀控马达原理如图2 4 所示【7 4 】。根据阀控马达液压系统文献 7 5 - 7 6 】，建立夹钳液压驱动系统的三个基本方程，即液压比例阀的流量方程，液压马达的流量连续性方程和液压马达与负载的力矩平衡方程。图2 - 4 阀控马达原理图( 1 ) 电液比例阀的流量方程假定电液比例阀是零开口四通滑阀，具有理想的动态特性，4 个节流口匹配且对称，液压源供油压力p s 恒定，阀的回油口压力风为零。电液比例阀线性化 中南大学硕士学位论文第二章锻造操作机夹钳旋转机构建模流量方程为力。蜘l = k q 呶，一k c p l( 2 1 )式中：q 为负载流量，k 为流量增益，k 为流量- 压力系数，p l 为负载压为了表达方便，让变量从初始条件下的变化值用变量本身表示，则可得q l = k q x v k c p l( 2 2 )电液比例阀一般是在从零位开始工作状态的，因此可以看做增量和变量相等。在动态分析时，由于考虑液压马达的外泄漏和油液压缩性的影响，从而使流入液压马达的流量吼和流出液压马达的流量g ：不相等。为了简化分析，定义负载流量吼为吼= 掣粤( 2 。3 )( 2 ) 液压马达的流量连续方程假定电液比例阀和液压马达之间的连接油管短而粗且对称，液压管道中的压力损失和管道动态影响可以忽略；液压系统的泄露为层流状态；油液的密度和温度保持不变，油液的体积弹性模量为常数；液压马达各工作腔内压力相等。流入液压马达的流量g 。和流出液压马达的流量g ：为吼= 见警吲：心a + 爱鲁( 2 - 4 )g ：= 见i a o r + ( a 一岛) 一巳见一爱警( 2 - 5 )式中：以为液压马达角位移，见为液压马达的排量，c f 。为液压马达内部泄露系数，c 硎为液压马达外部泄露系数，巧为液压马达进油腔的容积( 包括阀、连接管道和进油腔)