（机械电子工程专业论文）大型模锻液压机动梁驱动及位置控制系统研究.pdf

ll_，til ，。 原创性声明 f i i i i ii i l l li i i i i i iiil l i l l li i i i i i i i i y 1719 3 16 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。 作者签名：j 燃 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：旁扣垒年上应日 硕士学位论文摘要 摘要 高精度大型模锻件是飞机制造、航空航天工业生产中的关键零部 件，重型精密模锻液压机是保证这些模锻件质量的关键设备，其动梁 驱动及位置控制系统的精度直接决定模锻件的品质。大型模锻液压机 具有高压力、大流量、多点并联驱动、大惯量等特点，系统在大惯量 大行程快速运动中会引起超调振荡，产生强冲击，降低运动的动态精 度和工作平稳性。为了实现高精度位置控制，提高装备整体工作能力， 本文以动梁驱动及位置控制系统为研究对象，围绕其控制机理、控制 总体方案、控制策略进行了研究。论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 分析国内外液压机控制技术及控制系统研究等方面的现状及 发展，提出动梁驱动及位置控制总体方案。整个系统由驱动液压系统、 位置检测系统、电气控制系统三部分组成，构建了基于总线技术的主 从站结构的分布式两级计算机动梁位置控制系统和上位机监控系统 的方案。 ( 2 ) 以模锻液压机液压驱动系统及动梁为对象进行了数学模型的 分析研究。在考虑流体的可压缩性、粘性阻力、泄漏等影响因素的基 础上，建立活动横梁的驱动系统动态模型，采用传递函数的方法得到 系统的数学模型框图，并对系统模型参数进行了确定。通过分析p i d 控制器的三个参数对系统静态和动态性能的影响及模糊控制理论，设 计了模糊自适应p i d 控制器，重点研究其实现的方法。应用m a t l a b 中的模糊逻辑工具箱和s i m u li n k 对p i d 控制和模糊自适应p i d 控制 算法进行对比分析。 ( 3 ) 完成了控制平台的设计，用p l c 实现了模糊自适应p i d 智能 控制算法，采用w i n c c 组态软件设计开发了基于拓扑结构、多视窗分 级的上位机监控系统，实现了模锻液压机动梁位置控制系统。 ( 4 ) 完成了模锻液压机试验平台的调试工作。对比分析同种工况 下不同控制策略以及同种控制策略在不同工况下的控制效果，研究表 明，本系统采用模糊自适应p i d 控制器，响应速度快，位置控制精度 高，明显优越于p i d 控制器，动梁低速运行时的控制效果比高速运行 时要好，动梁位置控制精度达到0 1 0 2 m m 。 关键词：模锻液压机，位置控制，模糊自适应p i d ，p l c ，上位机 硕士学位论文 a bs t r a c t h i g h p r e c i s i o nl a r g e - s c a l ef o r g i n gi s t h ek e yp a r t so ft h ea i r c r a f t m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya n da e r o s p a c ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，a n dh e a v y p r e c i s ed i ef o r g i n gh y d r a u l i cp r e s si st h ek e ye q u i p m e n t t og u a r a n t e et h e q u a l i t yo ft h e s ed i ef o r g i n g s ，t h ea c c u r a c yo f i t sm o v i n gb e a m sd r i v ea n d p o s i t i o nc o n t r o ls y s t e md e t e r m i n e st h eq u a l i t yo ff o r g i n gp a n sd i r e c t l y g i a n tf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s sw i t hah i g hp r e s s u r e ，b i gf l o w , m u l t i p o i n t p a r a l l e l - d r i v e n ，l a r g ei n e r t i aa n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，s y s t e mi nt h el a r g e i n e r t i al a r g et r a v e lf a s tm o v e m e n tw i l lc a u s eo v e r s h o o to s c i l l a t i o n ，h a v i n g as t r o n gi m p a c ti nt h es y s t e ma n dr e d u c i n gt h em o v e m e n to fd y n a m i c a c c u r a c ya n dw o r k i n gs m o o t h l y t h i sp a p e rs t u d i e dt h ed r i v ea n dp o s i t i o n c o n t r o ls y s t e mo ft h eh y d r a u l i cp r e s s ，b a s e do ni t sc o n t r o lm e c h a n i s m ， c o n t r o lo ft h eo v e r a l l p r o g r a ma n dc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t o a c h i e v e h i g h - p r e c i s i o np o s i t i o nc o n t r o la n di m p r o v et h eo v e r a l lc a p a c i t yo ft h e a c t u a le q u i p m e n t i nt h i sp a p e r ，t h e s em a i nr e s e a r c hw o r k sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) b a s e do na n a l y s i so fp r e s e n ts t a t ea n dp e r s p e c t i v e so nc o n t r o l t e c h n o l o g yo ft h e s ed o m e s t i ca n df o r e i g ng i a n td i ef o r g i n gh y d r a u l i c p r e s s ，a n dc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c ha l s o ，t h eo v e r a l lp r o g r a mo f t h ed r i v e a n dp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mw a sp r o p o s e d t h es y s t e mc o n s i s t so ft h r e e p a r t s w i t hd r i v eh y d r a u l i c s y s t e m ，p o s i t i o n d e t e c t i o n s y s t e m sa n d e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，ap o s i t i o nc o n t r o l s y s t e m b a s e do nb u s t e c h n i q u e ，m a s t e r - s l a v es t r u c t u r e ，d i s t r i b u t e dt w oc o m p u t e r ss y s t e m a n dt h eu p p e rc o m p u t e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw a sp u t f o r w a r d ( 2 ) m a t h e m a t i c a lm o d e lw a sr e s e a r c h e do nh y d r a u l i cd r i v es y s t e m a n dm o v i n gb e a mo ff o r g i n gh y d r a u l i cp r e s s b a s e do nc o m p r e s s i b i l i t y ， v i s c o s i t yr e s i s t a n c e ，l e a k a g eo ft h ef l u i d ，d y n a m i c se q u a t i o no fm o v i n g b e a mw a se s t a b l i s h e d t h e s eh y d r a u l i c - m e c h a n i c a ld y n a m i c sm o d e l so f d r i v es y s t e mf o rt h em o v i n gb e a mw e r ee s t a b l i s h e db yt r a n s f e rf u n c t i o n m e t h o d ，t h es y s t e mm o d e lp a r a m e t e r sw e r ed e t e r m i n e d d e s i g nt h ef u z z y s e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ra n dr e s e a r c hi t si m p l e m e n t i n gm e t h o d ，b a s e d o n a n a l y z i n g t h ef u z z yc o n t r o lt h e o r ya n dt h ei n f l u e n c eo ft h r e e p a r a m e t e r su p o nt h es y s t e ms t a t i cs t a t ea n dt h ed y n a m i cs t a t ef u n c t i o n 硕士学位论文 a n a l y s i s e dp i dc o n t r o la n df u z z ys e l f - a d a p t i v ep i d c o n t r o la l g o r i t h mb y u s i n gt h ef u z z yl o g i ct o o l b o x i nm a t l a ba n ds i m u l i n kt o g e t h e r ( 3 ) c o m p l e t e dt h ec o n t r o lp l a t f o r md e s i g na n da c h i e v e dt h ef u z z y a d a p t i v e p i di n t e l l i g e n tc o n t r o l a l g o r i t h mb yp l c ，w i t hw i n c c c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，a nu p p e rc o m p u t e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g s y s t e mb a s e do nt o p o l o g yn e t w o r ks t r u c t u r e ，m u l t i q w i n d o w ，g r a d i n g m a n m a c h i n ei n t e r f a c ew a sd e v e l o p e d ，t h ep o s i t i o nc o n t r o lo ft h ed i e f o r g i n gh y d r a u l i cp r e s sw a sd e v e l o p e d ( 4 ) c o m p l e t e dt h et e s tp l a t f o r mo fd i ef o r g i n gh y d r a u l i cp r e s st o b u i l da n dd e b u g g i n g a n a l y s i s e dt h ec o n t r o le f f e c tw i t hd i f f e r e n tc o n t r o l s t r a t e g i e sw i t ht h ek i n d so fo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n dw i t ht h ek i n d so f c o n t r o ls t r a t e g i e si nt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h et e s t sp r o v et h a tt h e s y s t e mu s i n gf u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r h a sh i g hp r e c i s i o n ，f a s t r e s p o n s e ，a n dc l e a r l ys u p e r i o rt op i dc o n t r o l l e r ，t h em o v i n gb e a m c o n t r o l e f f e c to fl o w s p e e di sb e t t e rt h a nt h eh i g h - s p e e do p e r a t i o n ，t h ep o s i t i o n c o n t r o la c c u r a c yi s0 1 0 2 m m k e yw o r d s ：d i e f o r g i n gh y d r a u l i cp r e s s ，p o s i t i o nc o n t r o l ，f u z z y s e l f - a d a p t i v ep i d ，p l c ，u p p e rc o m p u t e r 硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 大型模锻液压机基本工作原理及国内外研究概况2 1 2 1 大型模锻液压机基本工作原理2 1 2 2 大型模锻液压机国内外研究概况及发展趋势3 1 3 模锻液压机电液控制技术及其控制方法综述4 1 3 1 模锻液压机电液控制技术的发展与现状4 1 3 2 模锻液压机控制系统的发展与现状7 1 4 课题来源及论文主要内容8 1 4 1 课题来源8 1 4 2 论文主要内容8 第二章模锻液压机动梁驱动及位置控制系统总体设计l o 2 1 模锻液压机结构及功能要求1o 2 1 1 模锻液压机结构及工作原理1 0 2 1 2 模锻液压机的主要技术参数1 1 2 1 3 模锻液压机控制系统的关键参数及要求1 1 2 2 模锻液压机驱动液压系统设计1 2 2 2 1 液压回路及其工作原理1 2 2 2 2 驱动液压回路分析1 3 2 2 3 动梁位置行程控制原理1 4 2 3 本章小结16 第三章模锻液压机动梁驱动及位置控制系统建模1 7 3 1 动梁驱动及位置控制系统原理分析1 7 3 2 动梁驱动及位置控制系统数学建模1 7 3 2 1 数字控制器环节1 7 3 2 2 比例放大器环节1 8 3 2 3 电液比例流量阀环节18 3 2 4 阀控缸环节2 0 硕士学位论文目录 3 2 5 活动横梁环节2 2 3 3 动梁驱动及位置控制系统数学模型框图2 4 3 4 本章小结2 5 第四章模锻液压机动梁位置控制系统控制算法研究与仿真2 7 4 1 动梁位置控制系统控制算法分析2 7 4 1 1p i d 控制算法2 7 4 1 2 控制系统算法分析与决策2 8 4 2 模糊自适应p i d 控制原理2 9 4 2 1 模糊控制概述2 9 4 2 2 模糊控制工作原理。3 0 4 2 3 模糊自适应p i d 控制器31 4 3 模糊自适应p i d 控制算法设计3 4 4 3 1 输入输出变量的模糊化处理3 5 4 3 2 模糊规则的确定及推理一3 6 4 3 3 模糊控制器的解模糊判决3 7 4 4 动梁驱动及位置系统动态模型仿真分析3 8 4 4 1 常规p i d 控制仿真3 9 4 4 2 模糊自适应p i d 控制仿真4 1 4 4 3 系统仿真结果分析4 4 4 5 本章小结4 4 第五章模锻液压机动梁位置控制平台的设计与实现4 6 5 1 模锻液压机动梁位置控制平台的总体设计4 6 5 1 1 总体设计思路4 6 5 1 2 检测系统设计方案4 6 5 2 动梁位置控制系统的p l c 实现4 7 5 2 1p l c 在位置控制系统中的应用4 7 5 2 2p l c 的选型及配置4 8 5 2 3p l c 系统设计原理与步骤4 9 5 2 4p l c 程序的总体设计4 9 5 3 模糊自适应p i d 控制算法的p l c 实现5 1 5 3 1 输入量的模糊化实现5 2 5 3 2 模糊控制表的p l c 实现方法及其查询5 3 5 - 3 3 控制量的去模糊及输出5 3 5 3 4p i d 控制算法的实现5 4 i l 硕士学位论文目录 5 4 上位机监控系统的设计与实现5 5 5 4 1 监控系统基本功能要求5 5 5 4 2 上位机及组态软件的选用一5 6 5 4 3w i n c c 组态软件实现的设计思路5 6 5 4 4 人机界面的实现5 6 5 5 上位机与p l c 之间的通讯一6 1 5 5 1 通讯总线的选择6 1 5 5 2 、m n c c 与p l c 之间的通讯组态6 2 5 6 本章小结6 2 第六章模锻液压机动梁位置控制系统实验研究6 4 6 1 实验液压机系统结构及组成6 4 6 1 1 液压机整机结构6 4 6 1 2 液压系统6 4 6 1 3 电气系统6 5 6 2 动梁位置控制系统实验研究6 6 6 2 1 实验目的6 6 6 2 2 实验方法与步骤6 6 6 2 3 实验结果与分析6 7 6 3 本章小结7 0 第七章全文总结与展望7 l 参考文献7 3 致 射7 7 攻读硕士学位期间的主要研究成果7 8 i i i 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 模锻液压机通过液压力( 油压或水压) 将金属胚料在模具之间挤压成型，不 会破坏金属组织内部流线，通过压延成型可大大改善胚料的机械性能和物理性 能，能大大的减少切削加工工时和节约金属，尤其对于难于成型的特种金属( 或 粉末材料) 优势更为明显n 一，因此模锻成型得到了很好的应用。大型模锻液压 机是一种广泛应用于航空、原子能、汽车、船舶、电力工业关键部件制造的核心 加工装备，它是一个国家国防工业及重型机械制造业水平和能力的重要体现口1 。 我国于1 9 7 4 年建成的3 0 0 m n 有色金属模锻水压机，1 2 0 m n 自由锻造水压 机等多项重大机械装备，形成我国基础工业，航空航天武器装备和其他军事重大 装备的基本制造能力。 但我国现今拥有的巨型锻压设备就其能力而言，仅相当于上世纪德国4 0 年 代和美国、俄罗斯、法国5 0 年代所拥有的锻压设备能力。美、俄、法三国在几 十年前便建成了4 5 0 m n l 5 0 m n 世界级的大型模锻液压机并大力研发锻压工 艺，奠定了生产大型整体精密模锻件的物质和技术基础，使他们研制生产的航空 航天产品始终处于世界领先地位。 列出的是美、俄、法三国和我国用于航空锻件生产的最大吨位模锻设备情况 【4 - 5 】 o 为了满足航空、航天和国防工业对大型锻件日益增长的需求，大型多向模锻 液压机的开发、研制已成为我国势在必行的攻关项目和重机行业普遍关注的焦 点。而且，这种巨型成形制造装备是国家基础制造能力的表征和国家安全的重要 保障，在国家重大战略工程和国防现代化建设中的巨型重大装备制造中发挥着不 可替代的作用。 大型模锻液压机的驱动系统一般采用多缸驱动方式，由于模锻件的中心与加 载中心的不一致，从而造成各缸的负载压力不同，导致进入各驱动缸流量发生变 化，使动梁发生偏转，动梁的偏转造成的直接后果是使活动横梁承受附加弯矩， 容易造成力柱表面破坏( 如拉伤，划痕) ，另外由于偏转过程会造成锻件各部分 的变形速度发生明显变化，造成晶相的变化，导致锻件内部质量不一致；大惯量 大行程快速运动可能引起超调振荡，在巨大流量的液压机械系统中产生冲击，降 低运动的动态精度和工作平稳性；此外模锻件的终锻精度直接受到活动横梁的位 置稳态精度决定，因此动梁的位置控制精度无论是对大型液压机本体还是锻件加 工质量都是至关重要砸1 。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 大型模锻液压机基本工作原理及国内外研究概况 1 2 1 大型模锻液压机基本工作原理 大型模锻液压机是一种以液体为介质来传递能量以实现多种锻压工艺的机 器。它根据帕斯卡原理制成，其工作原理如图1 - 1 所示n 8 1 。两个充满工作液体 具有柱塞或活塞的封闭容腔由管道连通，当柱塞上作用有力f 1 时，液体的压强 为p = e 4 ，其中4 为小柱塞的横截面积。根据帕斯卡原理：在密闭的容器中， 液体压力在各个方向上相等，则压强p 将传递到容腔内的每一点。因此，大柱 塞上将产生向上的作用力f 2 ，使工件变形，且 2 硕士学位论文第一章绪论 式中4 大柱塞的横截面积。 3 2 1 小柱塞2 大柱塞3 工件 图1 - 1 液压机的工作原理图 五= 互鲁 ( 1 一1 ) l 上横梁2 立柱3 下横梁4 回程缸5 毛坯 6 回程柱塞7 动梁8 柱塞9 工作缸 图1 - 2 液压机本体结构简图 大型液压机一般由本体及液压系统组成。最常见的大型液压机本体结构如图 1 2 所示，它由上横梁、下横梁、四个立柱和十六个内外螺母组成一个封闭框架， 框架承受全部工作载荷。工作缸固定在上横梁上，工作缸内装有工作柱塞，它与 活动横梁相连。活动横梁以四根立柱为导向，在上、下横梁之间往复运动，一般 活动横梁下表面安装有上模，而下模则固定于下横梁上的工作台上。 当高压液体进入工作缸并作用于工作柱塞上时，产生了很大的作用力，推动 柱塞、活动横梁及上模向下运动，使毛坯在上、下模之间产生塑性变形。回程缸 固定在下横梁上，回程时工作缸通低压液体，高压液体进入回程缸，推动回程柱 塞及活动横梁向上运动，回到初始位置，完成一个工作循环憎1 。 液压机的工作循环一般包括停止、充液行程、工作行程及回程。其不同的行 程是由操作系统控制液压系统中各种功能的阀门来实现的。液压机的液体系统包 括各种高、低压泵，各种高、低压容器( 油箱、充液罐等) ，各种阀及相应的连 接管道。其传动方式可分为泵直接传动和泵一蓄势器传动两种。 1 2 2 大型模锻液压机国内外研究概况及发展趋势 十七世纪中叶，法国科学家帕斯卡提出了著名的静压传递原理，并且迅速应 用在工业上。1 7 9 5 年，第一台液压机在英国诞生了。到今天为止，液压机发展 的历史只有二百年左右。随着西方资本主义的发展，蒸汽机的出现，引起了工业 生产的革命。现代化的大工业逐步代替了工场手工业，具有悠久历史的锻造工艺 也逐步由手工锻造转变为机器锻造。 3 硕士学位论文 第一章绪论 1 8 5 9 - - 1 9 6 1 年在维也纳铁路工场就有了第一批用于金属加工的7 m n ，i o m n 和1 2 b i n 液压机。1 8 8 4 年在英国曼彻斯特首先使用了锻造钢锭用的锻造水压机。 在1 8 8 7 - - - 1 8 8 8 年制造了一系列锻造水压机，其中包括一台4 0 m n 的大型水压机。 1 8 9 3 年建造了当时最大的1 2 0 m n 锻造水压机。因而大钢锭的锻造工作逐步就由 使用锻锤过渡到使用锻造水压机，大型自由锻锤逐渐被淘汰，目前只保留了5 吨以下的中小型自由锻锤。 十九世纪末，由于军备扩张的需要，锻造和模锻液压机有了迅速发展。1 9 3 4 年德国制造了7 0 m n 模锻水压机，1 9 3 8 - - - 1 9 4 4 年相继建造了三台1 5 9 m n 锻造水压 机和一台3 0 0 m n 模锻水压机。 第二次世界大战后，为了迅速发展航空工业，美国在1 9 5 5 年左右，先后制 造了二台3 1 5 m n 和二台4 5 0 m n 大型模锻水压机；而苏联则在1 9 5 5 年到1 9 6 0 年之 间，先后制造了四台3 9 0 m n 和二台7 5 0 m n 大型模锻水压机。 近几十年来，世界各国在锻造操作机与锻造液压机联动机组、大型模锻液压 机、挤压液压机等各种液压机方面又有了很多新的发展，自动量测和自动控制的 新技术在液压机上得到了广泛的应用，机械化和自动化程度有了很大的提高。而 随着微电子技术、液压技术等的发展，液压机有了更进一步的发展，其高技术含 量增多，众多机型已采用c n c 或p c 机来控制，提高了产品的加工质量和生产率 1 0 。l l 】 o 总的趋势可以归纳如下 1 ) 总锻造能力不断提升； 2 ) 锻造过程自动化、智能化水平不断提升； 3 ) 锻压加工精度不断提高； 4 ) 驱动方式的改变从水压机向油压机过渡； 5 ) 本体结构由组合式三粱四柱式多机组合发展到总体式结构。 随着新材料和新工艺的不断变化，对模锻工艺和装备的要求也在不断的改 变，模锻压机的最大锻造能力，操作自动化水平，锻压精度和速度都在逐步提高， 同时模锻压机的研制也在不断的推动装备制造业的快速发展。 1 3 模锻液压机电液控制技术及其控制方法综述 1 3 i 模锻液压机电液控制技术的发展与现状 近年，计算机的飞速发展带来了控制领域的革命，出现了采用高速开关阀和 步进电机拖动的数字式元件，以及以此为基础的脉宽调制少( p w i v l ) 型电液控 制系统和数字增量控制( i d c ) 型电液控制系统。它们从抗干扰性和适应复杂环 境的能力以及控制方式、控制策略上与传统的电液控制系统有着显著不同，可以 4 硕士学位论文 第一章绪论 称之为近代电液伺服控制。电液系统控制技术的发展离不开液压元件的发展，近 些年来液压元件都向集成化、智能化的方向发展。从元器件结构组成上，往往是 集传感器、控制放大器、执行器于一身，构成集成化功能单元。而系统应用上则 趋向于采用集成单元，来实现复合功能。同时，新的机敏材料的引用和智能化的 检测和控制技术的引用使得液压元件更具智能化。液压元件的高精度方面也有了 很大的提高，美国o i s e n 的l s 3 0 0 精密数字油缸，其移动精度( 分辨率) 已达 1 2 7 u m ，西安交通大学流体传动与控制教研室近年开发研制出的计算机控制液压 伺服系统，用于汽车椭圆活塞车力n - r _ 设备，其位移动态精度高达7 u m 左右n 刁。采 用对污染不敏感结构，提高对环境的适应能力，是电液控制元件发展的又一重要 趋势。就此而言，电液比例控制元件及数字式控制元件的进展是令人满意的。 电液控制技术的发展除了电子液压元件的进步之外，也与控制理论的发展有 着密切的联系。经典控制理论和现代控制理论在过去的若干年取得了巨大进展， 在许多工业控制领域得到了广泛采用。经典控制理论采用增量线性化方法对系统 进行分析与综合，设计过程主要在频域中进行，它对于哪些频宽不太高、系统参 数模型稳定、外干扰不太大的场合仍是适用的。近年来随着工作对象对精度、响 应速度和自动化程度要求的提高，对电液伺服控制系统的要求也越来越高。同时， 相当多的复杂控制对象要用精确的数学模型来描述是非常困难的，其中的多数又 具有时变性和非线性。因此，对新的控制策略提出了迫切要求。计算机技术的飞 速发展，使新的控制策略的不断涌现和逐步完善成为可能n 引。比较常见的主要有 以下几种： l 、p i d 控n - 以经典控制理论为基础的p i d 控制，因其具有结构简单易于 实现的特点，至今在电液伺服控制中仍有着广泛应用。但传统的p i d 采用线性 定常组合方式，难于协调解决快速性和稳态特性之间的矛盾，在具有参数变化和 外干扰情况下其鲁棒性也不够好。吸取自适应控制和智能控制的基本思想并利用 计算机的优势，对传统的p i d 控制进行改造后，形成了自适应p i d 、模糊p i d 、 智能积分p i d 和非线性p i d 等新的控制方式n 钔。 2 、状态反馈控制：电液控制系统的状态反馈控制方式屡屡见于文献报道。 除了位置信号进行反馈外，执行器的速度和加速度也反馈回控制器中。由于液压 系统的阻尼较低，通过加速度的反馈可大大提高系统的阻尼，明显改善系统的响 应n 射。 3 、自适应控制( a c ) - 在设计控制系统时，往往存在不完全知道系统参数 或结构的情况，这就要求一边估计未知参数，一边修j 下控制作用，这便是自适应 控制n 6 1 。液压控制系统采用的a c 多为m r a c 或其变型，国内的林建亚、丁崇 生等人研究了模型跟随自适应控制( a n f ) ，并在机器人电液伺服系统和试验机 5 硕士学位论文第一章绪论 液压伺服系统中获得了成功的应用。自适应控制( a c ) 的不足之处是它对对象 的数学模型( 阶次和相对阶) 仍有严格的要求，偏多的约束条件制约了a c 具有 更强的鲁棒性。吸取其它控制策略的长处，研究约束条件少、算法更简便、鲁棒 性强的a c 是今后的发展方向。 4 、变结构控制( v s c ) ：v s c 本质上也属于一种自适应控制，滑模可看作 是参考模型，它根据系统状态偏离滑模的程度来变更控制器的结构，从而使系统 按照滑模规定的规律运行口 。v s c 与传统的控制方式相比具有控制规律简单， 可以协调动态与稳态性能间的矛盾，特别是其滑动模态( s m ) 对系统参数变化 和外部干扰具有完全不变性。液压控制系统采用的v s c 律和滑模可达条件大多 针对连续系统导出，而工程实现则由计算机来完成，这是一种近似方法，系统存 在严重的抖动现象，并且难以用于采样周期较长的控制系统。近年来，基于离散 控制系统的v s c ( 即d v s c ) 已有进展。此外，还出现了采用模糊控制和神经 网络控制实现的离散变结构控制n 引。 5 、鲁棒控制：鲁棒控制指的是对于系统模型包含不确定性因素时，仍然希 望控制系统始终有良好性能的一种控制方式。近年出现的以n 9 巩2 订设计方法正是 鲁棒控制的代表。该方法运用经典函数论和算子理论，在以模约束下成功地解 决了多变量定常系统镇定补偿问题。p i c h er 和p o n j o l a i n e us 针对电液位置伺服 系统，分别采用基于混合灵敏度问题的t w o r i c a t ie q u a t i o nf o r m u l a 方法和基于结 构奇异值化的d o y l e s - s y n t h e s i s 方法实现了仇控制，结果显示系统具有良好的 静动态特性，且对未建模动态具有较强的鲁棒性幽1 。h s i at c 提出了一种基于复 合控制原理的鲁棒伺服控制方法，其控制器由主控制器和辅助控制器组成。主控 制器根据被控对象额定工况参数按照最优化控制原理设计，辅助控制器的输出则 取决于系统的不定性。j e ny 等人将该控制方法成功地用于泵控马达伺服系统的 控制。 6 、模糊逻辑控制( f c l ) ：f l c 的引入主要是考虑到可不需要建立精确的数 学模型，而依靠模糊推理或其它经验来调定控制器。模糊控制啪例脚3 使用于被控 参量无精确的表示方法和被控对象各参数之间无精确的相互关系的情况，在这种 情况下，f l c 比精确控制优越，而液压系统正属于这种情况。 7 、模糊自适应p i d 控制：模糊p i d 控$ o ( f p i d ) 是由w l b i a l k o w s k i 于 l9 8 3 年提出的一种混合型控制器。它是由一个常规积分控制器和一个二维模糊 控制器相并联而构成的。常规p i 控制器输出和二维模糊控制器的输出相叠加， 作为混合型模糊p i d 控制器中的输出。这种混合型模糊p i d 控制其不仅可消除 极限环震荡，而且可完全消除系统余差，使系统成为无差模糊控制系统汹1 。模糊 逻辑控制与p i d 控制相结合是另一个很有前途的方法。简单模糊控制器由于不 6 硕士学位论文 第一章绪论 具有积分环节，因而很难消除稳态误差，而且在变量分级不足够多的情况下，常 常在平衡点附近会有小的振荡现象，而常规p i d 控制器因为存在积分环节，所 以稳态精度好，并且具有简单、可靠性高的特点，目前对可以作为线形定常系统 处理的对象是非常有效的。因此，如果把两种控制方法结合起来，就可以构成具 有两者优点的模糊p i d 控制器勰瑚1 ，因而有一些专家和学者经深入比较后指出： 模糊控制不是代替，而只是扩展了传统的控制。模糊逻辑控制与p i d 控制相 结合构成的各种控制系统的稳定性分析、参数稳定域、误差分析等方面尚未有成 熟的理论。在这个领域需要科研工作者投入大量的时间进行试验、分析、总结。 1 3 2 模锻液压机控制系统的发展与现状 国内外模锻液压机技术发展主要体现在电液控制系统方面。相对而言，国内 机型虽品种齐全，但技术含量较低，缺乏技术含量高的机电液一体化高档机型口。 目前国内外模锻液压机的控制系统主要有三类： ( 1 ) 继电器控制方式。这种控制方式电路结构简单、技术要求不高、成本 较低、控制功能简单、适应性不强。其适用于单机工作、加工产品精度要求不高 的大批量生产，也可组成简单的生产线，但由于电路的限制，压机工作稳定性、 柔性差。早期液压机电控制系统以继电接触方式为主，此种控制方式的固有缺陷， 己使液压设备在工作可靠性及功能的多样性方面不能满足生产发展要求。这类控 制系统在我国老的模锻液压机中还存在，在国外发达国家己基本淘汰。 ( 2 ) 可编程控制器( p l c ) 控制方式。这种控制方式是在继电器控制和计算 机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术计 算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动化控制装置。p l c 控制稳定性和灵 活性较强。采用p l c 控制，系统的控制性能和可靠性大大提高。这是目前液压机 一种技术成熟、可靠的控制方式。这类控制系统在我国模锻液压机中的比例日益 增加，在国外液压机中还占有一定比例口别。 ( 3 ) 高级微处理机( 或工业控制计算机) 的高性能控制系统。该控制方式是 在计算机控制技术成熟发展的基础上，以工业控制机作为主控单元，可编程控制 器( p l c ) 作为现场控制中心，通过外围接口器件( 女h a d 或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回路式的控制 系统，从而达到精确控制的目的。另外采用现场总线控制系统体系结构，将控 制系统按功能分散，由p l c 系统、监控计算机采用现场总线组成现场控制网络， 实现集中监控、分散管理、分散控制m 1 。这是目前模锻液压机成熟、可靠的先进 控制方式口毛砥3 7 1 ，在国外发达国家应用较广嘲。文献 3 9 根据3 0 0 m n 模锻水压机 电气控制系统具有同步平衡和动梁速度控制两套p l c 控制系统，且各从站较分 散、距离较远的特点，提出并研制基于总线技术的多系统协同的多主站结构的复 7 硕士学位论文 第一章绪论 杂网络分布式三级计算机动梁速度控制系统，实现了同步控制系统和动梁速度控 制系统信息实时交换和实时共享，实现了控制系统通讯网络的自诊断技术和高精 度控制。文献 4 0 】从锻造液压机的快速性、平稳性与可靠性要求出发，结合机、 电、液技术的最新发展趋势，研制了一种既具有高性价比，又具高可靠性和可维 护性的锻造液压机系统。文献 4 11 采用两台工业控制计算机对快速锻造液压机组 液压系统的开关阀和比例流量阀实现控制。 1 4 课题来源及论文主要内容 1 4 1 课题来源 本课题“大型模锻压机活动横梁位置控制系统研制 来源于国家重点基础研 究计划( “9 7 3 计划) ：“巨型成形装备的力流传递特征及高精度制造界面形成 的子课题“巨型成形装备高效、高可靠、高精度运行的数字化实现 。 1 4 2 论文主要内容 第一章：绪论部分，介绍了课题背景及意义，大型模锻液压机基本工作原理 及国内外研究概况，电液控制技术及控制方法在大型模锻液压机中的应用等，提 出了本文的研究内容。 第二章：介绍了模锻液压机的结构及工作原理，给出了液压机的主要技术参 数，设计了液压驱动系统，对驱动液压回路及其工作原理进行了详细的说明。分 析了动梁位置行程控制原理，设计了由两级计算机控制的系统方案。 第三章：详细说明了模锻液压机动梁驱动及位置控制系统的原理，并进行了 数学模型的分析研究。建立电液比例流量阀、液压缸的流量连续方程，建立活动 横梁的动力学方程，采用传递函数的方法得到系统的数学模型框图。 第四章：本章围绕模锻液