（机械电子工程专业论文）锻造操作机夹钳旋转机构的位置与负载均衡控制.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文在本人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。 作者签名：立嶂 日期：盟年月上日 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。 中南大学硕+ ：学位论文 摘要 摘要 夹钳旋转是重载操作装备中的一项重要功能。夹钳旋转运动性能 受时变重载工况及液压系统结构的影响，为保证大型构件的锻压质 量，要求锻造机在夹钳旋转时能实现角位移的准确定位，同时驱动夹 钳旋转的双液压马达在工作过程中应时刻保持负载均衡。本文针对试 验样机的夹钳旋转液压驱动系统进行分析和建模，采用模糊p i d 控制 策略实现了夹钳旋转机构的角位移定位控制，采用转矩补偿方法，实 现了双液压马达的负载均衡控制，具体研究内容如下： 1 ) 针对锻造操作机夹钳旋转机构及其液压马达驱动系统，基于 液压原理和机械动力学等理论，建立了夹钳旋转机构的数学模型及马 达的负载转矩模型。采用拉氏变换及参数估算，确定了比例阀输入电 压到夹钳旋转角度之间的传递函数。 2 ) 对夹钳旋转机构进行了角位移控制。根据夹钳旋转机构液压 驱动系统的数学模型，设计了p i d 控制器的初始参数，并在此基础上 设计了对应的模糊逻辑系统，用以实时调节p i d 控制器的参数，并对 角位置控制进行了仿真，仿真结果表明该方案可行。 3 ) 确定了转矩补偿的多系统负载均衡驱动策略。分析了系统产 生负载不均衡现象的原因，设计了基于转矩差值补偿控制均衡控制策 略，并在马达的负载转矩模型的基础上进行了补偿控制器的设计。 4 ) 对夹持旋转装置的驱动控制系统进行了相关的实验研究。设 计了实验样机夹钳旋转机构控制系统，并进行了控制实验。实验结果 表明，基于模糊p i d 控制算法，采用转矩补偿控制策略，能够很好的 保证共同驱动的两个液压马达位置控制，以及负载均衡控制，满足锻 造操作机夹持旋转装置系统的工作要求。 关键词：夹持旋转机构，位置控制，负载均衡，实验研究 a b s t r a c t t h ec l a m pr o t a t i o ni sak e yf u n c t i o ni nh e a v yf o r g i n gm a n i p u l a t o r a c c u r a t el o c a l i z a t i o ni nr o t a t i n gp r o c e s si sr e q u e s t e df o rt h eg o o df o r g i n g q u a l i t y o fl a r g e w o r k p i e c ew h i l et h ec l a m pr o t a t i n gp e r f o r m a n c e i n f l u e n c e db yt h et i m e - v a r y i n gh e a v yl o a da n ds t r u c t u r eo ft h eh y d r a u l i c s y s t e m ，b e s i d e s ，t h et w oh y d r a u l i cm o t o r sd r i v i n gr o t a t i n gc l a m ps h o u l d b e k e p tl o a db a l a n c i n gi nt h ec o u r s eo ft h e i rw o r k i nt h i s p a p e r ， e x p e r i m e n t 2 l lm o d e lf o rt h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mo fc l a m pr o t a t i o n d e v i c eo ft h et e s t p r o t o t y p e i s a n a l y z e d a n dm o d e l e d ，t h e a n g u l a r d i s p l a c e m e n tc o n t r o lo fc l a m pr o t a t i o nd e v i c ei sr e a l i z e dw i t ht h ef u z z y p i dc o n t r o lm e t h o d ，a n dt h e1 0 a db a l a n c i n go fd u a lh y d r a u l i cm o t o ri s r e a l i z e dw i t ht h et o r q u ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g y ，t h em a i nc o n t e n t so ft h e p a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eh y d r a u l i cm a t h e m a t i c a ld r i v es y s t e mm o d e la n dt h ei o a d b a l a n c i n gm o d e la r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h em e c h a n i c a ld y n a m i c s a n dh y d r a u l i cp r i n c i p l e st h e o r i e sf o rt h ec l a m pr o t a t i o nd e v i c ea n di t s h y d r a u l i c d r i v es y s t e m b a s e do nt h e l a p l a c et r a n s f o r m a t i o n a n d p a r a m e t e re s t i m a t i o n ，t h et h i r d - o r d e rs y s t e mm o d e lo fd o u b l eh y d r a u l i c m o t o r ss y n c h r o n o u sm a t h e m a t i c a ld r i v e s y s t e mi sb u i l t ( 2 ) t h ea n g u l a rd i s p l a c e m e n tc o n t r o lo fc l a m pr o t a t i o nd e v i c ei s r e a l i z e d t h ei n i t i a lp a r a m e t e r so fp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do nt h e h y d r a u l i cm a t h e m a t i c a ld r i v es y s t e mm o d e l ，t h e nt h ec o r r e s p o n d i n gf u z z y l o g i cs y s t e mi sd e s i g n e df o ra d j u s t i n gt h ep i dc o n t r o l l e rp a r a m e t e r si n r e a lt i m e a n di t ss i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti tc a nb eu s e di nt h e c o n t r o ls y s t e m ( 3 ) t h el o a db a l a n c i n gs t r a t e g yi se s t a b l i s h e db a s e do nt o r q u e c o m p e n s a t i o n t h el o a di m b a l a n c ep h e n o m e n o np r o d u c e di nt h es y s t e m a r ea n a l y z e d ；t h el o a db a l a n c i n gs t r a t e g yi sd e s i g n e db a s e do nt h et o r q u e d i f f e r e n c ec o m p e n s a t i o n ，t h e nt h ec o m p e n s a t i n gc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d b a s e do nt h el o a db a l a n c i n gm o d e l ( 4 ) e x p e r i m e n t a ls t u d yr e l a t e do ft h ec l a m p i n gr o t a t i o nd e v i c ei s c a r r i e do n ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i s s t r a t e g yo f a d a p t i v ef u z z yp i d c o n t r o la n dt o r q u ef e e d b a c kc o m p e n s a t i o nc a ne n s u r e g o o dp o s i t i o nc o n t r o lo f t h et w oh y d r a u l i cm o t o r s ，a n dl o a db a l a n c i n g i t i ss u i t a b l ef o rt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ： c l a m p i n gd e v i c e ，p o s i t i o nc o n t r o l ，l o a db a l a n c i n g ， e x p e r i m e n t a ls t u d y 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目3 i 乏i 、， 第一章绪论。l 1 1 课题的来源及研究背景l 1 2 锻造操作机及夹钳旋转机构液压驱动系统2 1 3 国内外相关领域研究现状6 1 4 本文研究目的与意义9 1 5 本文研究的主要内容1 0 第二章夹钳旋转机构驱动系统分析及数学建模1 2 2 1 液压马达驱动系统分析1 2 2 1 1 夹钳传动原理1 2 2 1 2 液压驱动系统原理1 3 2 2 阀控马达动力机构的动力学模型。1 5 2 2 1 基本方程1 5 2 2 2 阀控马达的传递函数1 6 2 2 3 重载旋转机构液压驱动系统的基本参数1 9 2 2 4 阀控马达系统的相关参数1 9 2 3 本章小结2 3 第二章夹钳旋转机构的角位移控制研究2 4 3 1 角位移控制方案设计。2 4 3 2p i d 控制器的初始参数设计。2 5 3 2 1p i d 控制器结构。2 5 3 2 2p i d 控制参数的整定2 7 3 3 模糊逻辑系统设计3 0 3 3 1 模糊逻辑系统原理3l 3 3 3 输入量与输出量的选择。3 2 3 3 4 输入变量输出变量的模糊化处理3 2 3 3 5 模糊控制查询表的建立以及输出量的计算。3 4 3 4 仿真研究。3 6 3 4 1s i m u l i n k 仿真模块的建立。3 6 3 4 2 仿真计算及结果分析3 6 3 5 本章小结3 8 第四章夹钳旋转机构负载均衡控制策略4 0 4 1 负载均衡分析。4 0 4 2 负载均衡控制策略设计4l 4 2 1 夹持旋转装置同步控制策略的选择。4 2 4 2 2 夹持旋转装置的负载均衡控制方案设计4 4 4 2 3 负载均衡系统的数学模型4 5 4 3 补偿控制器的设计4 6 4 4 本章小结4 8 第五章实验与分析4 9 5 1 实验控制系统总体设计4 9 5 2 实验控制系统的硬件实现一5 0 5 3 实验系统的软件实现5 l 5 3 1 控制系统的上位机设计5 l 5 3 2 控制系统软件总体结构设计5 2 5 3 3 模糊p i d 控制算法的编程实现5 3 5 4 夹钳旋转机构同步驱动系统实验与分析5 6 5 4 1 旋转角位移控制实验与分析5 6 5 4 2 负载均衡控制实验与分析5 8 5 5 本章小结6 0 第人章总结与展锂6l 6 1 结论6l 6 2 展望6l 参考文献6 3 致谢6 9 攻读硕士学位期j 日j 的土要研究成果7 0 中南大学硕 ：学位论文第章绪论 第一章绪论 1 1 课题的来源及研究背景 1 ) 课题来源 本论文研究的课题源于国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“巨型 重载操作装备的基础科学问题”中的子课题“大尺度重型构件稳定夹持原理与央 持系统驱动策略 ，课题编号为“2 0 0 6 c b 7 0 5 4 0 4 。 2 ) 研究背景 锻造是一项非常关键的机械加工成型技术，在整个工业生产中有着重要地 位，锻造设备在很大程度上决定了锻造技术的高低【l l 。目前锻造车间一直在朝着 机械化和智能化方向发展，相关锻造设备的自动化程度不断提高，与锻压主机配 套的工件夹持、堆放等操作也已经实现了机械自动化，主要由锻造操作机来实现。 我国锻造操作机发展比较晚，6 0 年代开始才能在少数几家工厂生产制造有轨操 作机。进入7 0 年代后，国内制定了自己的锻造操作机系列标准，操作机得到快 速发展，国内研究并生产出了全机械传动的操作机和基于液压传动的有轨操作 机，最大能够夹持l o 吨的工件，可以提供2 5 k n m 的央持力矩。随着液压传 动技术的发展，以及液压技术在重载情况下的独特优势，锻造操作开始朝着全液 压驱动方向发展。到了9 0 年代初期，我国的锻造操作机技术在有了不断发展之 后，取得了巨大进步。如1 9 9 2 年5 月在太原完全自行设计制造成功的锻造操作 机能够提供1 0 0 k n i l l 的力矩，能替代同类型国外进口产品，该台锻造操作机的 诞生，使得大型自由锻造水压机的能力得到进一步发挥，同时也提高锻造车间的 生产效率，降低了锻造工人的劳动强度，保证了大型锻件的质量，并奠定了我国 大型快速锻造压机的研发基础。但是国内的技术仍然满足不了生产的需求，国内 一些企业为了提升自身的锻造水平，满足市场的需求，从国外购买引进了先进的 锻造设备和与之相配套的锻造操作机，如第一重机厂和第二重机厂分别从日本引 进了2 0 0 0 k n m 和5 0 0 k n m 力矩的锻造操作机。 国外的锻造操作机发展比较早，在上个世纪6 0 年代以前就开始在美国、前 苏联出现，随后日本、德国、英国、法国、奥地利等国也开始了锻造操作机的发 展，使之形成系列化的工业产品。最早的操作机是纯机械传动的，这种锻造操作 机体积大，效率低，随着液压技术的发展，又逐步出现了机械与液压混合传动的 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 操作机和全液压传动的操作机，由于液压技术的特点，操作机的结构布置得更加 紧凑，使用时更加灵活，工作效率更高。 进入上个世纪8 0 年代，随着工业的发展，各图对锻造操作机又有了更高的 要求，结构的改进和工艺的提高带动了锻造操作机的设计、制造和技术改造等方 面的发展。为了不断提高锻造工艺，发挥水压机的生产能力，操作机的载重力矩 也不断在提升，目前，载重力矩发展达到6 3 m n m 的大型锻造操作机已经在 国外出现，并能够和自由锻造水压机实现联动操作。出于重工业的发展需求，重 载锻造操作机也在国外许多国家都得到了大力发展，如英国和日本均配备了3 m n m 的锻造操作机为水压机工作；美国和俄罗斯的锻造操作机也分别能够提 供最大为3 5 6 3m n m 和6 3m n m 的力矩；而现在世界上央持力矩最大，最 先进的锻造操作机是由德国d d s 和s u m s 公司生产的，最大央持力为6 5 m n 恤。 近年来，国内外许多企业和研究机构均对锻造操作装备进行了大量的研究工 作。锻造操作机在朝着简单结构、低成本和良好的适用性方向不断发展。高性能 的锻造操作机能够极大的提高生产效率和锻压机的利用率，满足锻件的高质量要 求，降低加工的成本，大型的锻造操作机还能够满足不断发展的鼋工业对巨型锻 件的加工需求，所以研发我国的巨型重载锻造操作机有很强的现实意义i m j 。 1 2 锻造操作机及夹钳旋转机构液压驱动系统 1 ) 锻造操作机简介 重载锻造操作机主要是用来夹持重型锻件，配合锻压机进行锻压工作，为了 满足锻造工艺要求，锻造操作机一般具有以下几个基本动作h 1 ： ( 1 ) 夹钳钳口的夹紧和松开； ( 2 ) 央钳钳杆的旋转； ( 3 ) 夹钳机构平行上升、下降及倾斜； ( 4 ) 车身的前进与后退。 操作机的主体结构可分为夹钳、台架和车身三大部件，如图卜l 所示。支承 在操作机夹钳平行升降机构及倾斜机构上的夹钳机构，包括钳口央紧机构部分和 旋转机构部分，实现钳口松开与夹紧动作，以及夹钳钳杆的旋转动 2 中南大学硕卜学位论文第章绪论 2 3 图1 - 1 有轨锻造操作机 1 一夹钳 2 一台架3 一车身 图1 - 2 锻造操作机夹钳旋转机构液压同步驱动原理图 夹钳平行升降及倾斜机构和台架回转机构共同组成了操作机的台架部分，主 要完成锻造工作过程中对夹持工件的平行升降及倾斜动作。在锻压过程中，锻压 3 中南大学硕十学位论文 第一蕈绪论 的冲击会对工件造成震动，为了削弱冲击力对整个机构的的影响，在央钳机械结 构和台架之间设置有垂直液压缓冲装置和水平液压缓冲装置。操作机的车身支承 整个台架，沿着铺设好的轨道前进或后退。操作机采用全液压驱动，配有电气系 统和上位机电脑进行控制。 夹钳旋转是锻造操作机在锻造工艺过程中的一个基本动作。工件在锻压机的 冲压动作下，由操作机夹钳机构夹住，并间歇性的转动，完成工艺要求。 锻造操作机的夹钳旋转机构在文献 5 】发明专利中有液压驱动系统的详细介 绍，其液压驱动原理如图l - 2 所示。由于驱动负载具有重载和大惯性的特点，单 个液压马达不能输出足够的力矩驱动夹钳旋转机构，需要双液压马达共同驱动。 重载夹钳旋转机构液压驱动系统中，夹钳旋转角度通过旋转式光电编码器检测， 由齿轮传动将液压马达的输出转矩传递到钳杆上，带动整个夹钳机构的旋转。同 时，为安装和维修的方便快捷，节约制造成本，两路液压马达驱动系统采用了相 同的回路结构设计，选取的各元件型号和规格也完全一致。 2 ) 实验样机简介 本文以重载锻造操作机为背景，由于锻造操作机载衙巨大，加工周期长，造 价高等原因，不方便直接加工制造来进行试验，因此采用与重载锻造操作机相似 的设计结构和工作原理，设计了1 吨有轨式锻造操作机实验样机来进行央钳旋转 机构液压驱动系统的研究，如图1 3 所示。 图1 - 3 锻造操作机实验样机 为了保证实验样机夹钳旋转机构采用的液压系统与重载锻造操作机夹钳旋 转机构液压驱动系统在结构上相似，系统采用与其相似的元件及组成形式，只是 型号不同。 在实际工作中，工件在锻压机的冲压动作下，由操作机夹钳机构夹住，并间 4 中南人学硕l 学位论文第章绪论 歇性的转动，完成j 【艺要求。由于载荷大，且有锻压冲击等影响，要快速配合锻 压机的工作，需要锻造操作机旋转机构能够提供巨大的力矩，反应迅速且平稳， 旋转定位精确；另外，操作机夹钳机构的传动系统中齿轮齿隙的存在也会在重载 工况下对夹钳旋转机构产生不容忽视的影响，齿轮齿隙过大时会产生冲击，严重 的情况下可能会造成断齿等现象。这些因素对夹钳旋转机构液压驱动系统提出了 以下技术要求： 1 ) 速度同步 由于重载锻造操作机的载荷巨大，仅靠一个液压马达的驱动能力不足以满足 重载工况的要求，必需采用两个甚至多个液压马达共同驱动。由于液压系统的性 能不完全一致【5 l ，夹钳机构驱动系统的液压马达会产生转速不同步的现象，造成 液压系统的输出不协调，降低机构的工作性能。因此需要采取合适的策略使得同 时工作的液压马达速度一致。 2 ) 旋转角度的精确平稳定位 在重载锻造操作机实际工作过程中，锻造操作机需要按工艺要求，配合锻压 机一起运动。锻件由操作机夹持放在锻压机的垫台上，受到锻压机冲压后，旋转 一个设定角度，再继续被锻压机冲压，如此反复进行，实现间歇性的转动，对大 型工件进行快速、准确的旋转角度定位，使得锻件得到满意的加工质量，加工过 程如图1 4 所示。另外，操作机夹钳机构的传动系统中齿轮齿隙的存在也会在重 载工况下对夹钳旋转机构产生不容忽视的影响，齿轮齿隙过大时会产生冲击，严 重的情况下可能会造成断齿等现象，这要求锻造操作机夹钳旋转机构定位过程能 够平稳的运行。 图i - 4 锻件加工过程 5 中南人学硕l ：学位论史 第章绪论 3 ) 负载均衡 锻造操作机夹钳旋转机构采用双液压马达驱动，如图1 2 所示，由于锻造操 作机的载荷巨大且随加工而变化，以及液压驱动系统的性能不完全一致1 5j ，如果 不进行有效的控制，双液压马达驱动系统会产生输出力矩不同步的现象，进而造 成重载液压设备性能低劣，甚至设备失效和严重损坏 7 1 。因此，需要保证重载操 作装备中央持机构旋转运动过程中负载均衡。 基于上述央钳旋转机构液压驱动系统技术要求的综合考虑，需要通过合适的 策略对夹钳机构进行速度同步控制，位置同步控制和负载均衡控制。 1 3 国内外相关领域研究现状 1 ) 速度同步控制发展现状 速度同步是指多个被控对象以相同的角速度或者线速度运动。速度控制是同 步系统的一种经常出现表现形式，为方便控制，各执行元件所在的回路通常采用 相似的硬件结构，根据l o r e n z f 8 1 和k e r o n 9 1 提出的两大同步控制理论，以及近年 来国内外对同步驱动技术理论的研究，速度技术主要分为基于单通道模型的同步 控制技术和基于多通道模型的同步控制技术【1 0 1 4 】。 基于单通道模型的速度同步控制技术主要是根据对各个通道的性能进行补 偿来实现多通道的同步。它主要可分为以下控制方法【1 5 - 1 6 l ： ( 1 ) 主从控制 多个用于同步控制的执行元件中，其中的一个执行元件的输出作为系统的理 想输出，其余的执行元件都把它作为输入信号并实时跟踪它来达到速度同步控制 的目的。 ( 2 ) 等同控制 多个用于同步控制的执行元件，所在的控制回路和组成结构都完全相同，并 对同一设定的理想输入进行实时跟踪，而达到速度同步控制的目的。 对于“主从控制”这种方式，因为从动系统和主动系统的输入不是同一个信 号，从动系统在采集主动系统的输出作为输入信号，并作出跟踪输出的这个过程 需要响应时间，这会使得从动系统与主动系统之间出现较大的动态同步误差，不 利于在要求快速响应的场合使用；“同等方式 工作则不会有这中时间上的迟滞 带来的动态同步误差，但是需要构成各路闭环控制系统的各个执行元件，反馈传 感器和控制阀等完全相同，这显然无法满足。元件的差异会带来不可消除的同步 6 中南大学硕b 学位论文第一蕈绪论 误差。 基f 多通道模型的同步控制技术又可分为多通道解藕同步控制技术和“交叉 藕合同步控制技术。多通道解藕同步控制技术主要是考虑各子通道间的藕合作 用，通过解藕控制将它们进行解藕，然后再进行各自的性能补偿，从而使各通道 达到同步【协1 引。而交叉藕合技术同步控制最早是1 9 8 0 年k o r e n 提出的 9 1 ，随后 不少学者在此基础上将交叉藕合技术应用于各种实际系统的同步控制中，使其有 了更进一步的发展【l9 1 。对一般两轴的综合控制设计它主要包括前馈环、反馈环、 交叉藕合控制。这是最初的交叉藕合同步思想，同时也是最基本的同步控制思想。 在液压同步闭环控制中【2 2 1 ，由于液压系统特有的强耦合及非线性等特点， 往往使得用上述控制策略来实现高精度的同步驱动达不到性能要求。随着控制相 关理论和技术的持续更新，各种控制理论互相结合，互相借鉴，开始朝着能够取 长补短的复合控制方向发展，并得到了有效应用。刘福才等人在多电机协调控制 中使用了“补偿控制”的原理【3 3 捌1 ；安维胜等在双缸同步控制系统中应用了“串 并复合结构”的控制方式1 3 5 j 。另外，人们还在控制系统的结构改变上来提高同 步控制系统的性能，通常是在前馈或反馈回路上通过添加不同的校正环节，如采 用了“动态特性一致性校正和同步误差比例微分校正 【1 2 1 ，“同步误差比例微分 积分校正”1 3 6 l 等。同时，现代控制理论在7 0 年代后有了巨大发展，在工业控制 中获得了巨大的成功，被广泛的应用于各类工业实际系统中。在液压同步闭环控 制方面，为了提高同步驱动控制系统的精度，自适应控制理论和智能控制理论在 被控对象的控制策略得到了应用，自适应学习控制器【3 7 1 、模糊学习控制器【3 8 l 和 基于逆传递函数矩阵辨识的控制器【3 9 】这类控制器也得到了成功应用。新理论的 采用及新型控制器的实际应用，在很大程度使得液压同步闭坏控制的性能得到了 优化，在工业上取得了显著成效。 2 ) 位置控制发展现状 位置控制对被驱动对象性的空间位置进行自动控制的技术，广泛应用于各种 机械加工设备和工业装置。位置控制可以是一维、二维或三维空间的位置控制， 也可以分为线位移控制和角位移控制。 位置控制系统可分为模拟控制和数字控制两类。模拟控制系统是完全由模拟 电子元件构成，通过合理的设计完成对位置控制的运算处理；数字控制系统则以 计算机为位置控制系统的核心，采集位移检测信号转换为数字量，用计算机对被 控对象进行数字式调节和控制。基于计算机控制，可以方便地运用一些复杂的现 代控制理论和智能控制理论，提高位置控制的质量。 在以往有位置控制要求的系统中，控制算法除了使用传统的p i d 控制之外， 7 中南人学硕i 学位论文 第一章绪论 大多数采用比较先进的控制方法，如模糊控制、神经网络【1 们、内模控n t 4 1 1 、 滑模变结构控制等。 模糊控制是一种常用的智能控制算法，它不依赖于精确的数学模型，在复杂 的过程控制系统和非线性对象中得到了广泛的应用1 4 2 1 。模糊控制系统的核心是 模糊控制器，以计算机作为载体，集成了专家知识和熟练操作者的成熟经验，以 模糊规则动念完成相关知识的推理表述 4 3 1 。因此它具备数字控制系统的特点， 有着良好的鲁棒性能，但是很难消除静态误差，对控制对象的精度难以保证。 而神经网络算法是一种具备自学习功能的智能算法，能够处理复杂的非线性 动力学系统，在很高层次上体现了人类大脑的智能行为，具备自学习和自适应的 特点畔- 4 5 1 ，在控制系统中能够同时充当对象模型和控制器两种功能，常用于某些 复杂控制系统，但同时也因算法相当复杂，限制了其在恶劣工况下快速响应复杂 系统中的应用。 内模控制作为系统控制器的概念最早由g a r c i a 和m o r a r i l 4 6 l 于1 9 8 2 年完整的 提出。之后，g a r c i a 和m o r a r i l 4 7 】于1 9 8 5 年将内模控制方法进一步推广到多输入 多输出的系统，e c o n o m o u 等【4 8 】于1 9 8 6 年提出了非线性系统的内模控制器。 z a f i r i o u h e 和m o r a r i l 4 9 】进一步研究了内模控制器在非线性系统中的应用。对于线 性系统和仿射性非线性系统的内模控制器，由于能够很方便地建立数学模氆，并 可直接求解出系统的逆模型，因此这类系统内部通常采用传统的数学模型；在复 杂系统中，当存在严重的非线性特性时，系统的数学模型很难建立，或者建立的 模型不存在解析逆，这种情况下，需要采用其他方法确定被控对象的内部模型。 正是对数学模型的依赖，限制了内模控制在时变非线性复杂系统中的使用。 滑模变结构控制器也是一种不需要知道系统准确的数学模型控制方法。它只 需要得知被控制系统的性能参数及外部扰动的大致变化范围，控制规律比较简 单，能较好地处理系统的动态响应特性与静态特性之间的矛盾，并且具备降阶和 解耦控制的功能【5 0 j 。在进行控制时，滑模变结构控制算法进入滑模状态后，控 制系统状态会发生转移，并且不再受到原有系统参数的变化和外部干扰的影响， 因此具有良好的自适应性和抗干扰性能。但是，这种控制方法会存在难以消除的 抖振现象，即控制系统的状态轨迹按照某种特定的频度和幅度在滑模切换开关线 附近反复来回穿越的现象。抖振现象的存在，会对控制系统中滑模存在的条件产 生破坏性影响，进而使得动态响应过程有可能产生超调现象，延长过渡时间；同 时系统状态的高频抖动，容易激发振荡，影响系统的稳定性能，难以满足重载工 况下平稳响应的要求【5 1 5 2 1 。 日* 状态变量鲁棒控制法出现较晚，8 0 年代初期才被提出，这是在进行控制 器的设计时便考虑被控对象模型潜在发生的变化的一种方法。日m 鲁棒控制系统 8 中南大学硕l 学位论文第一章绪论 以h 。控制方法与变结构奇异值方法两种为典氆，正逐步形成一个完整的体系， 广义传递函数g ( s ) 在虚轴上无交点，满足实的、正则的、且在实的左半平而无 零点或者极点的控制对象，比较适用于采用这类控制器【5 3 。5 4 1 。 圩。控制虽然效果比较好，但是由于算法复杂，在具体应用中有一定的难度。 针对这一情况，在对被控系统的数学模型进行了分析和研究之后，结合控制对象 的工况条件，确定了本文设计的模糊p i d 控制算法。 3 ) 负载均衡控制发展现状 负载均衡是指通过合适的策略实现多个执行元件以相同的力或者力矩运动， 本质上属于同步系统中的力同步形式。 随着工业技术的发展，对机械设备的负载能力提出了越来越高的需求，因为 载荷增加或机械结构布局的原因，往往需要多个执行元件一起驱动同一个工作目 标，由于各执行元件所在系统难免存在差异，将造成多执行机构系统的性能不完 全一致 5 5 1 1 5 6 ，如果没有效地加以控制并克服这种差异，当执行元件和工作目 标通过采用机械约束构件硬性连接起来实现时，将会造成执行元件之间存在相对 扭矩，导致各螺栓连接位置松动和断裂，设备性能低劣，可能造成机构的卡死 现象，甚至引发设备失效和严重损坏盯】。因此很多场合需要进行负载均衡控制。 王翠萍1 57 】在镀锡生产线上使用负载均衡策略保证电机输出恒定的转矩，达 到开卷机张力均衡的目的；赵海斌1 5 9 l 在六辊轧机机架轧辊进行了负载均衡控制， 使轧辊输出的转矩相同；朱德春【6 0 l 在抓斗起重机中通过监测电机扭矩，采用主 从策略实现起重机驱动电机的负载均衡；刘振【6 l l 和许勇【6 2 1 等人在2 5 0 吨锻造操 作机夹钳机构中，通过采集驱动马达两端的压力差距，做了负载均衡理论方面的 探讨。 1 4 本文研究目的与意义 刘振【6 1 1 和许勇1 6 2 j 等人通过设计合适的液压油路，采用神经网络、内模控制 等方法对2 5 0 吨重载锻造操作机大惯性液压驱动系统进行辨识，在建立相关数学 模型的基础上，对2 5 0 吨重载锻造操作机旋转机构的双马达已经进行了速度同步 方面的研究。本文针对锻造加工工艺的要求，通过实验样机，对锻造操作机夹钳 机构进行旋转角度位置控制和驱动液压马达之间负载均衡的研究。 为了提高锻造工艺过程中的生产效率，增加夹钳旋转系统的可靠性和稳定性 以及具有更好的抗干扰性能，合适控制策略变得越来越重要。由于液压传动技术 具有执行机构的功率- 重量比和扭矩惯量比大，能够远距离灵活传输动力的特点 【6 3 l ，锻造操作机旋转机构采用液压驱动，系统由液压泵、电液比例阀和液压马 9 中南大学帧r i 学位论文 第一章绪论 达组成，其基本功能是实现央钳的快速、平稳而准确地旋转动作，即要求液压驱 动系统定位精度高、响应快、超调小、可靠性强、具有很好的鲁棒性能。 重载锻造操作机的液压系统流量大，工作环境恶劣，系统存在非线性，部分 参数还存在时变特性，很难建立系统精确数学解析模型等特点，这些都增加了控 制的难度。传统p i d 控制适用于线性系统，但是很多复杂非线性对象是难以用 精确的线性数学模型表示的，传统p i d 控制鲁棒性能差，应用存在局限性。在 实际应用中，人们往往把p i d 控制和各种成熟的控制理论有机的结合起来，发 挥各自的长处，从而得到满意的控制效果。因此，本文采用模糊控制理论，在建 立锻造操作机夹钳旋转机构液压位置驱动控制系统数学模型的基础上，设计了模 糊p i d 控制器以及液压马达位置控制方案。 同时，由于本文所研究的锻造操作机央钳旋转机构采用双液压马达共同驱 动，双马达系统之间存在的差异必然会引起马达输出转矩的不同步，从而影响操 作机的使用效率，严重时甚至会引起夹钳机构的卡死。针对锻造操作机的工艺要 求和特殊结构形式，本文所研究的液压驱动系统不仅要保证夹钳旋转机构的精确 定位，同时也要保证系统在同步工作过程中的输出力矩同步，即负载均衡。 5 本文研究的主要内容 本文主要研究了重载锻造操作机夹钳旋转机构的驱动控制问题，针对1 吨锻 造操作机，对夹钳旋转机构阀控马达液压驱动系统进行分析和建模，设计了模糊 p i d 控制器实现对夹钳的角位移控制，基于转矩补偿策略，实现驱动马达在工作 过程中负载均衡，并进行了实验研究。具体内容如下： 第一章介绍研究背景，以及和本课题相关的研究现状，指出本文的研究目 的及意义。 第二章针对锻造操作机央钳旋转机构及其液压马达驱动系统，基于液压原 理和机械动力学等理论，建立了夹钳旋转机构的数学模型及马达的负载转矩模 型，采用拉氏变换及参数估算，确定了比例阀输入电压到夹钳旋转角度之间的传 递函数。 第三章对夹钳旋转机构进行了角位移控制。根据央钳旋转机构液压驱动系 统的数学模型，设计了p i d 控制器的初始参数，并在此基础上设计了对应的模 糊逻辑系统，用以实时调节p i d 控制器的参数，并对角位置控制进行了仿真， 仿真结果表明该方案可行。 第四章确定了转矩补偿的多系统负载均衡驱动策略。分析了系统产生负载 不均衡现象的原因，设计了基于转矩差值补偿控制均衡控制策略，并在马达的负 载转矩模型的基础上进行了补偿控制器的设计。 1 0 中南夫学硕卜学位论文第章绪论 第五章对夹持旋转装置的驱动控制系统进行了相关的实验研究。设计了实 验样机夹钳旋转机构控制系统，并进行了控制实验。实验结果表明，基于模糊 p i d 控制算法，采用转矩补偿控制策略，能够很好的保证共同驱动的两个液压马 达位置控制，以及负载均衡控制，满足锻造操作机夹持旋转装置系统的工作要求。 中南人学硕 ：学位论文 第_ 二章夹钳旋转机构液肤马达驱动系统建模 第二章夹钳旋转机构驱动系统分析及数学建模 本章分析央钳旋转机构的机械传动结构以及液压驱动系统，基于液压传动原 理和机械动力学等理论，建立夹钳旋转驱动机构液压阀控马达系统的线性动力学 模型，为后续的p i d 控制器初始参数设计提供基础。 2 1 液压马达驱动系统分析 2 1 1 夹钳传动原理 夹钳旋转机构一般可由电机或液压马达驱动，由于液压传动系统具有控制方 便，执行机构的功率重量比和扭矩惯量比大等特点，重载操作机通常采用液压 驱动。 3 图2 - 1 液压驱动马达分布示意图 1 、2 、3 、4 一液压马达 5 、6 、7 、8 一齿轮9 一夹钳钳杆 本文研究的锻造机中，夹钳旋转机构包含四个液压马达，按空间对称分布， 如图2 一l 所示，液压马达通过齿轮啮合带动夹钳钳杆旋转。由于齿轮间隙难以消 除，在重载的情况下，旋转机构驱动马达启动时，传动齿轮的轮齿间会产生很大 的冲击，影响旋转运动的平稳，严重时还会造成轮齿断裂。为了消除齿隙带来的 不良影响，将四个驱动马达分为两组，马达l 和马达3 为一组，控制夹钳正转， 马达2 和马达4 为另外一组，控制夹钳反转。夹钳正转工作时，马达2 和马达4 油路短接，处于自由状态，与其相联接的齿轮6 和齿轮8 被动贴紧钳杆9 上的齿 轮；夹钳反转工作时，马达l 和马达3 油路短接，处于自由状态，与其相联接的 中南犬学硕t ：学位论文第- 二章夹钳旋转机构液压马达驱动系统建模 齿轮5 和齿轮7 被动贴紧钳杆9 上的齿轮。由于一组双马达系统只控制夹钳正转 或反转中的一个方向，主动齿轮与从动齿轮始终啮合，这样可以忽略齿隙的影响。 两组双马达驱动系统交替工作来实现央钳的i f 反转，它们的结构、元件型号 和工作原理都相同，因此只需要对一组双液压马达驱动进行分析研究。 双液压马达驱动夹钳旋转的原理如图2 - 2 所示。其中液压马达l ，5 位于钳 杆4 的两侧，处于空间对称的位置，直接驱动齿轮2 、6 ，带动钳杆4 上的齿轮3 精确转动，达到驱使夹钳的钳杆4 转动的目的。整个传动机构对称设计和安装， 液压马达l 和马达5 相同，齿轮2 和齿轮6 相同，齿轮2 、6 与齿轮3 之间的传 动比为4 6 。 5 2 1 2 液压驱动系统原理 图2 - 2 夹钳传动机构图 在锻造操作机的工作过程中，夹钳旋转机构的定位精度和稳定性直接影响锻 件的精度，因此要求其液压驱动系统能够快速响应，精度高且抗干扰能力强。针 对实际工况条件下，操作机需要夹持巨型锻件，单个液压马达不能提供足够的功 率，因此夹钳旋转机构使用两个液压马达共同驱动。 为方便安装和控制，降低设计与制造难度，两路液压马达驱动系统采用相同 的回路结构，各元件的型号和规格选取也完全一致。其结构原理图如图2 3 所示。 液压油经过过滤器1 过滤，被液压泵2 从油箱中吸出，在溢流阀4 的溢流保护下， 以不超过1 4 脱p 口压力的流到多路比例阀5 ，单向阀3 防止液压油倒流给液压泵 造成破坏。多路比例阀5 在电压的实时控制下，调节每联多路阀的阀芯位移大 小，进而控制通过每联多路阀输出的液压油流量大小。液压油从多路阀5 的各联 阀流出后，分别到达液压马达l o 、l l ，推动其旋转。液压马达l o 、1 1 自带有溢 流阀起保护的作用，单向阀6 、7 、8 、9 在必要时，能对液压马达油路补油。 1 3 中南人学硕。卜学位论文 第一二章央钳旋转机构液尽马达驱动系统建模 5 1 - o 1 1 图2 - 3 夹钳机构液压原理图 1 一过滤器2 一液