模糊控制在万吨液压机同步控制系统中的应用

HEATS · 发表于 2010-9-13 21:30:00

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1、引言

某万吨数控等温钛合金锻造液压机，是我国十五期间发展新型航空航天高新技术工程中所需的重大设备。该机采用新型组合大型框架带缸滑块主机结构，滑块采用5缸驱动，如图1所示。主缸是一个可产生60MN压力的单缸(位于滑块中心位置)，辅助缸是4个可产生10MN压力的单缸(位于滑块的四角位置)，一般工作压力25MPa(8000t压力)，最高工作压力3115MPa(10000t压力)。该机要求在等温锻造工作时五缸同步下行，且同时要求位置同步控制精度要小于0.1mm/m，即任意两辅缸在水平距离上相距1时，它们之间的位置误差不能超过0.1mm。

图1 液压机示意图

2、系统设计

2.1 系统分析

在液压传动系统中，同步控制要求非常普遍，但大流量、高精度、多执行器同步，一直是一个较难解决的难题。由于液压系统的液体压缩、泄漏、阻尼等特点，尤其是在外载力较大和外载力不断变化及设备本身的不平衡与设备运动行程较大的因素下，实现多个液压缸较高的同步精度有很大难度，因此对同步系统的设计方案、控制方法、同步性能等方面的研究，会最终关系到液压机的实际运行状态是否能够真正达到设计的要求。在本系统中不仅要求5个液压缸在运动中速度同步，而且位置同步也有很高的要求，且系统在高速和低速运行时的流量变化范围比较大(低速度时流量小，高速度时流量大)，所以本系统是一个变流量、高精度的同步控制系统。根据液压原理可知，电液控制系统分阀控系统和泵控系统两类。由于阀控系统具有控制精度高和响应速度快的优点，因此为了能够达到设计的要求，本系统采用阀控液压缸方式，即每一个液压缸都采用一套高精度的比例伺服阀来控制以得到高精度的同步效果。

在阀控系统中，阀芯输入为Xv液压缸活塞输出为Y的传递函数可写为：

式中，为液压固有频率；为液压阻尼比；Kδe为总的流量压力系数。

由此表明，在稳态时阀芯位移Xv和活塞位移没有确定的对应关系，但液压缸活塞速度和阀芯位移之间有确定的稳态关系，如下式所示：

由此可见，在理论上只要控制好每一个阀的阀芯位移，就有可能达到5个液压缸同步运行的目的。实际上由于该系统是一个变流量、高精度的同步控制系统，其控制具有非线性、时变性的特点，其多个参数具有非线性特性，且随工况而变，而且，由于在运动中5缸相互影响，要建立起准确的5缸同步过程数学模型有很大难度，特别指出的是在运行过程中由于主缸位于滑块中心位置，对其运行的实际位置无法检测，而主缸又产生工作时的主要压力，如果在工作过程中对其控制不当，会造成辅缸中的某些缸仅能跟随其动作，而使得该辅缸本身的调节作用失效，导致整个同步失败，因此对主缸运行的控制好坏会直接影响到整个系统的性能。由于在实际系统中，4个辅缸上装有高精度检测装置(精度为1微米的光栅尺)，可以实时检测到滑块四角下行的速度和位移，因而为了保证控制精度，4个辅缸采用PID控制而主缸的控制要受到4个辅缸的影响，即主缸的控制要从4个辅缸的运行情况中做出自己的控制决定，因此主缸的控制采用模糊控制技术。

2.2 主缸比例伺服阀阀芯位移模糊控制设计

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊理辑推理为基础的计算机智能控制，其基本概念是由查德(L.A.Zadeh)首先提出的，经过多年的发展，在模糊控制理论和应用研究方面均取得很大成功[3]由于模糊控制器的优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，所以对于在工业控制过程中碰到的大滞后时变、非线性等无法建立起精确数学模型的复杂系统模糊控制无疑是一种行之有效的方法。由于模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣，取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法，以及模糊决策的方法等因素。因此，对于该液压机模糊系统中变量论域的确定、隶属度函数的选取以及解模糊方法的选择都是在现场情况下经过多次试验得到的。根据同步设计指标要求最大误差(0.4mm以下和现场实际最大误差(5mm以下)，选取误差论域为[0 5]，输出论域为[0 10]，输入误差A0为辅缸3相对于辅缸1的位置误差(对角线)，输入误差B0为辅缸2相对于辅缸1的位置误差，输入误差C0为辅缸4相对于辅缸1的位置误差，输出量为输出D0去控制主缸比例伺服阀的阀芯位移。当3个误差中有一个大于等于0.4mm时，主缸比例伺服阀的阀芯位移要小，当3个误差值都小时，主缸比例伺服阀的阀芯位移要大。

根据液压机工作时滑块下行的实际情况建立如下规则：

if输入误差A is大and输入误差B is大and输入误差C is大then输出D is小；
if输入误差A is大and输入误差B is大and输入误差C is中then输出D is小；
if输入误差A is大and输入误差B is大and输入误差C is小then输出D is小；
if输入误差A is大and输入误差B is中and输入误差C is中then输出D is较小；
if输入误差A is中and输入误差B is中and输入误差C is小then输出D is中；
if输入误差A is中and输入误差B is小and输入误差C is小then输出D is较大；
if输入误差A is中and输入误差B is大and输入误差C is大then输出D is小；
if输入误差A is小and输入误差B is小and输入误差C is小then输出D is大；
if输入误差A is小and输入误差B is中and输入误差C is中then输出D is中；
if输入误差A is小and输入误差B is大and输入误差C is大then输出D is小。

3、实验验证

3.1 空载实验

图2a所示为液压机4个辅缸采用PID控制，主缸采用模糊控制技术情况下，液压机滑块在低速空载下行时的同步最大误差曲线，纵轴为最大误差轴，单位：mm；横轴为实时时间轴，显示为当前的实际时间。从计算机打印的实时最大误差曲线来看，在最大误差约5mm时，控制器开始对5缸同步进行调整，2min多钟后，同步最大误差接近于零，虽然在调整过程中出现一些波动，时间稍微有些长，但总的趋势及调整时间和对于低速度空载运行的分析基本一致，最后的同步结果完全满足要求。

3.2 负载实验

图2b所示为液压机在实际压制工件时记录的最大误差实时曲线。在液压机压制过程中，如果将同步控制功能暂时关闭，由图可见，随着时间的推移，同步最大误差将逐渐增大，这种误差将会严重影响到工件最后的成形质量，同时对液压机的整个系统的使用寿命和使用安全也会构成威胁，当最大同步误差接近4mm时，将同步控制功能接通，则最大同步误差迅速降低，很快接近于零，由此可见，液压机在带负载工作时，同步时间比空载时短，这与整个液压机系统的设计有关。由于液压机两个辅缸之间的最大距离为4m多，根据液压机设计指标可知，当最大同步误差小于0.4mm时即可满足要求，但实际上液压机的同步精度远远好于该指标，由于液压机位置检测采用的是精度为1Lm的光栅尺，因而我们可将接近于零坐标位置的曲线进行坐标变换后进行观察，如图2c所示，可见当最大同步误差下降到0.4mm后还继续下降，直到最后基本稳定在0.03mm左右，即在两缸水平位置相距4m时，最大同步误差在保持在30微米左右。

图2 实验曲线

4、结束语

从上述实验结果来看，对该液压机主缸比例伺服阀采用模糊控制技术后，使得整个同步控制系统的同步效果完全达到了设计要求，目前该液压机在我国某大型航空锻造基地投入运行两年多来性能稳定、效果良好。

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