基于自適應模糊滑模控制模鍛壓機卸荷的研究

李文華 李健僑

(遼寧工程技術大學機械工程學院 遼寧 阜新 123000)

基于自適應模糊滑模控制模鍛壓機卸荷的研究

李文華 李健僑*

(遼寧工程技術大學機械工程學院 遼寧 阜新 123000)

針對大型模鍛壓機鍛造過程保持低速穩定難的問題，提出一種基于自適應模糊滑模變結構控制的鍛造調節方法。通過建立閥控液壓缸的動態特性數學模型，轉換得到控制系統的狀態方程，與自適應模糊滑模控制規律結合，得到自適應模糊滑模控制函數，設計模鍛壓機卸荷控制器。通過軟件仿真得知：基于自適應模糊滑模變結構控制方法可有效地控制鍛壓機低速穩定運行，能夠實現精準、高速及平穩的自動調整。

模鍛壓機 跟蹤卸荷 自適應模糊滑模 聯合仿真

0 引 言

目前我國重型機械、航空航天、船舶、能源等行業正快速地發展與進步，對于大型鍛件的需求量越來越大及標準越來越嚴格。模鍛壓機裝備占據著整個制造業的重要位置，所以對于模鍛裝備技術方面的要求更為嚴格，其中最大鍛造能力、鍛造精度及模鍛工藝需要更深入的創新與突破。為了鍛造符合要求的大鍛件，模鍛壓機必須要保證低速穩定運行，在保證低速運行的基礎上，還要保證不能出現對系統造成嚴重危害的爬行現象(所謂爬行指速度抖動為零，位移成爬行狀態)[1-3]。

1 模鍛壓機控制原理分析

模鍛裝備在鍛壓過程比較復雜，面臨著鍛件應力變形、摩擦、溫度及材料對鍛壓過程中的影響，其中還包括控制系統的控制度及穩定性。在這種復雜的鍛壓過程中，難以達到人們所期望的鍛件要求，本文采用模糊滑模變結構的控制方法對驅動缸進行有效控制，其控制原理如圖1所示[4]。模鍛裝備以液壓傳動原理進行控制，該傳動系統優點包括體積小、響應快、便于自動控制等，但由于液壓元件加工精度等問題很難避免液壓控制系統泄漏，另外時變的負載難以建立研究對象的數學模型的問題。綜上，該控制系統的不確定性、時變性較強，傳統的控制方法很難達到預期的控制精度及穩定性。

圖1 鍛壓機控制原理圖

在復雜的鍛件成型過程中，需要實時采集鍛件變形負載的變化信號。通過塑性力學分析的方法計算鍛件塑性變形的負載模型，可采用主應力計算方法。將該數據在計算機進行處理后作為控制系統執行元件相應的輸入信號，從而按鍛件要求實時控制驅動缸的卸荷狀態。

2 鍛壓機液壓系統數學模型

模鍛壓機的液壓伺服控制系統主要由比例調速閥、換向閥及驅動缸等液壓元件組成，則該閥控驅動缸的動態特性可由以下三個基本方程近似描述出來[5]。

2.1 伺服閥流量-壓力方程

(1)

式中：QL為負載流量；ps為供油壓力；pL為驅動缸負載壓力；Cd為流量系數；w為伺服閥口面積梯度；xv為閥芯位移；ρ為油液密度。

2.2 驅動缸流量連續方程

(2)

2.3 驅動缸力平衡方程

(3)

式中：M為柱塞和負載總質量；Bc為粘性系數；Ff為驅動缸摩擦力；Fl為系統負載力。

假設伺服閥閥芯位移與輸入電壓成比例，即xv=ku，由式(1)、式(2)、式(3)可得系統狀態方程為[6]：

(4)

式中：

參數矢量a=[a1，a2，a3]隨液壓系統參數時變而具有不確定性，b(x)是一個非線性函數，d(t)隨著作用力的變化而構成對系統的一個擾動[7-8]。

3 滑模控制器的設計

自適應模糊滑模控制是模糊滑模變結構控制與自適應控制的有機結合。以切換函數作為模糊系統的輸入，簡化了該控制系統[9]，解決了不確定或時變參數系統控制等問題，具有較強的穩定性，并在此基礎上有效克服控制抖動[10]。

當系統存在非線性或擾動的情況下，系統輸出變量快速跟蹤模鍛壓機實時運行的參數，輸出信號y與期望指令xd，跟蹤誤差為：

e=xd-y

(5)

3.1 控制器設計

對于模鍛壓機的非線性電液伺服位置控制系統[11]：

xn=f(x,t)+b(x)u(t)+d(t)

(6)

定義切換函數為：

(7)

控制律設計為：

(8)

式中:切換控制律usw=ηsgn(s),η>0。

由式(6)和式(8)可得：

(9)

(10)

當f(x,t)、b(x)、d(t)未知時，控制律式(6)很難實現，則利用模糊系統逼近控制律u(t)。

系統輸入輸出的模糊集分別定義如下：

s={NB,NM,ZO,PM,PB}

u={NB,NM,ZO,PM,PB}

式中:NB為負大，NM為負中，ZO為零，PM為正中，PB為正大。

模糊規則設計如下：

設參數αi得：

ufz(s,α)=αTξ

(11)

式中：α=[α1,α2,…,αm]T,ξ=[ξ1,ξ2,…,ξm]。

ξι定義為：

(12)

式中:wi為第i條規則的權值。

根據模糊逼近理論，存在一個最優模糊系統ufz(s,α*)來逼近控制律u(t)[12]。

u(t)=ufz(s,α*)+ε=α*Tξ+ε

(13)

式中：ε為逼近誤差，滿足|ε|

采用模糊系統ufz逼近u(t)，則：

(14)

采用切換控制律usw來補償u與ufz之間的誤差，則總控制律為：

u(t)=ufz+usw

(15)

該控制原理如圖2所示。

圖2 自適應模糊滑模控制系統

3.2 穩定性分析

要滿足滑模變結構控制條件，還要保證滑模運動的穩定性。

定義Lyapunov函數為：

(16)

(17)

(18)

usw=-E(t)sgn(s(t))

(19)

(20)

定義估計誤差為：

(21)

定義Lyapunov函數為：

(22)

式中:η1和η2為正常數。則：

(23)

定義自適應律為：

(24)

則：

(25)

4 系統仿真與分析

利用Amesim仿真軟件建立模鍛液壓系統，與Matlab中Simlink建立的控制器接口技術進行聯合仿真[13-14]，通過查閱資料得到具體模鍛壓機仿真參數如表1所示。

表1 模鍛壓機仿真參數

利用simlink與s-function編程接口關系建立自適應模糊滑模控制器，由控制器函數在s-function編程建立控制模型，由上述推到的電液伺服系統的數學模型在s-function建立仿真被控對象，再通過示波器scope及to workspace將仿真曲線輸出，具體結構如圖3所示。

圖3 自適應模糊滑模控制模型

根據圖3對所設計自適應模糊滑模控制器驗證控制效果，以周期4 s的脈沖方波作為輸入信號。

圖4 位置跟蹤

由仿真結果可知：滑模控制器控制的跟蹤信號能近似于控制輸入的一致，且響應速度很快；整個過程沒有較大波動，具有很好的穩定性。

將控制器與模鍛壓機系統建立連接進行跟蹤控制模鍛壓機，由Matlab與Amesim聯合仿真得到模型如圖5所示。

圖5 模鍛壓機Amesim模型

給定輸入信號近似為正弦曲線,周期10 s，經多次仿真及調試仿真得到液壓系統位移和壓力仿真結果如圖6-圖7所示。

圖6 模鍛壓機位移仿真曲線

圖7 模鍛壓機壓力仿真曲線

由圖6可知模鍛壓機在鍛造過程中位移曲線波動非常小，位移精度控制良好，沒有明顯的減速加壓點，回程迅速，說明具有高的動態響應特性。

由圖7可知驅動缸與回程缸中的壓力變化跟隨模鍛壓機工作過程而變，當活動橫梁快速下降時，驅動缸上腔出現空腔。此時驅動缸上腔壓力很小，回程缸壓力也很小。當接觸鍛件時，驅動缸壓力立即升高，回程缸壓力也隨之升高并保持在13 Mpa附近，變化較小，其作用為平衡活動橫梁的質量。回程時，隨驅動缸卸壓的同時，回程缸壓力降低，模鍛壓機迅速回程，整個工作過程壓力變化平穩。

5 結 語

本文將非線性的液壓控制系統作為研究對象，提出了一種基于自適應模糊滑模變結構控制的鍛造調節方法，通過傳感器實時監測鍛件成型過程中應力應變的變化，及時做出相對應的控制方法。通過自適應模糊滑模變結構控制能有效克服抖動，減小輸出速度波動，改善穩定性。仿真結果表明控制方法具有很好的魯棒性、響應快、跟蹤精度高等優點，優于傳統的控制方法，在系統穩定運行的情況下，能很好地滿足大型模鍛低速鍛造工藝性能的要求。

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CONTROLLINGOFFORGINGPRESSUNLOADINGBASEDONSELF-ADAPTIVEFUZZYSLIDING-MODE

Li Wenhua Li Jianqiao*

(CollegeofMechanicalEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,Liaoning,China)

For the difficult question of keeping low speed stability in a forging process for a large forging press machine, a method based on adaptive fuzzy sliding-mode variable structure control is presented. Through the establishment of a mathematical model of the dynamic characteristics of valve-controlled hydraulic cylinder, the state equation of the control system was obtained and combined with the self-adaptive fuzzy sliding-mode control law. Then the self-adaptive fuzzy sliding-mode control function was established and the controller of forging was designed. The software simulation shows that the self-adaptive fuzzy sliding-mode variable structure control method can effectively control the low speed stable operation of the forging press, and can realize the precise, high speed and smooth automatic adjustment.

Forging machine Track to unload Self-adaptive fuzzy sliding-mode United simulation

2016-12-11。李文華，教授，主研領域：流體機械設備測控。李健僑，碩士生。

TP391.9

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.12.027