模糊控制在萬(wàn)噸液壓機(jī)同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、引言

某萬(wàn)噸數(shù)控等溫鈦合金鍛造液壓機(jī)，是我國(guó)十五期間發(fā)展新型航空航天高新技術(shù)工程中所需的重大設(shè)備。該機(jī)采用新型組合大型框架帶缸滑塊主機(jī)結(jié)構(gòu)，滑塊采用5缸驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。主缸是一個(gè)可產(chǎn)生60MN壓力的單缸(位于滑塊中心位置)，輔助缸是4個(gè)可產(chǎn)生10MN壓力的單缸(位于滑塊的四角位置)，一般工作壓力25MPa(8000t壓力)，最高工作壓力3115MPa(10000t壓力)。該機(jī)要求在等溫鍛造工作時(shí)五缸同步下行，且同時(shí)要求位置同步控制精度要小于0.1mm/m，即任意兩輔缸在水平距離上相距1時(shí)，它們之間的位置誤差不能超過(guò)0.1mm。

圖1 液壓機(jī)示意圖

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)分析

在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，同步控制要求非常普遍，但大流量、高精度、多執(zhí)行器同步，一直是一個(gè)較難解決的難題。由于液壓系統(tǒng)的液體壓縮、泄漏、阻尼等特點(diǎn)，尤其是在外載力較大和外載力不斷變化及設(shè)備本身的不平衡與設(shè)備運(yùn)動(dòng)行程較大的因素下，實(shí)現(xiàn)多個(gè)液壓缸較高的同步精度有很大難度，因此對(duì)同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、控制方法、同步性能等方面的研究，會(huì)最終關(guān)系到液壓機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)是否能夠真正達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。在本系統(tǒng)中不僅要求5個(gè)液壓缸在運(yùn)動(dòng)中速度同步，而且位置同步也有很高的要求，且系統(tǒng)在高速和低速運(yùn)行時(shí)的流量變化范圍比較大(低速度時(shí)流量小，高速度時(shí)流量大)，所以本系統(tǒng)是一個(gè)變流量、高精度的同步控制系統(tǒng)。根據(jù)液壓原理可知，電液控制系統(tǒng)分閥控系統(tǒng)和泵控系統(tǒng)兩類(lèi)。由于閥控系統(tǒng)具有控制精度高和響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此為了能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，本系統(tǒng)采用閥控液壓缸方式，即每一個(gè)液壓缸都采用一套高精度的比例伺服閥來(lái)控制以得到高精度的同步效果。

在閥控系統(tǒng)中，閥芯輸入為Xv液壓缸活塞輸出為Y的傳遞函數(shù)可寫(xiě)為：

式中，為液壓固有頻率；為液壓阻尼比；Kδe為總的流量壓力系數(shù)。

由此表明，在穩(wěn)態(tài)時(shí)閥芯位移Xv和活塞位移沒(méi)有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但液壓缸活塞速度和閥芯位移之間有確定的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，如下式所示：

由此可見(jiàn)，在理論上只要控制好每一個(gè)閥的閥芯位移，就有可能達(dá)到5個(gè)液壓缸同步運(yùn)行的目的。實(shí)際上由于該系統(tǒng)是一個(gè)變流量、高精度的同步控制系統(tǒng)，其控制具有非線性、時(shí)變性的特點(diǎn)，其多個(gè)參數(shù)具有非線性特性，且隨工況而變，而且，由于在運(yùn)動(dòng)中5缸相互影響，要建立起準(zhǔn)確的5缸同步過(guò)程數(shù)學(xué)模型有很大難度，特別指出的是在運(yùn)行過(guò)程中由于主缸位于滑塊中心位置，對(duì)其運(yùn)行的實(shí)際位置無(wú)法檢測(cè)，而主缸又產(chǎn)生工作時(shí)的主要壓力，如果在工作過(guò)程中對(duì)其控制不當(dāng)，會(huì)造成輔缸中的某些缸僅能跟隨其動(dòng)作，而使得該輔缸本身的調(diào)節(jié)作用失效，導(dǎo)致整個(gè)同步失敗，因此對(duì)主缸運(yùn)行的控制好壞會(huì)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能。由于在實(shí)際系統(tǒng)中，4個(gè)輔缸上裝有高精度檢測(cè)裝置(精度為1微米的光柵尺)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到滑塊四角下行的速度和位移，因而為了保證控制精度，4個(gè)輔缸采用PID控制而主缸的控制要受到4個(gè)輔缸的影響，即主缸的控制要從4個(gè)輔缸的運(yùn)行情況中做出自己的控制決定，因此主缸的控制采用模糊控制技術(shù)。

2.2 主缸比例伺服閥閥芯位移模糊控制設(shè)計(jì)

模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量及模糊理輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制，其基本概念是由查德(L.A.Zadeh)首先提出的，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在模糊控制理論和應(yīng)用研究方面均取得很大成功[3]由于模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)是不要求掌握受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，所以對(duì)于在工業(yè)控制過(guò)程中碰到的大滯后時(shí)變、非線性等無(wú)法建立起精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)模糊控制無(wú)疑是一種行之有效的方法。由于模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，取決于模糊控制器的結(jié)構(gòu)、所采用的模糊規(guī)則、合成推理算法，以及模糊決策的方法等因素。因此，對(duì)于該液壓機(jī)模糊系統(tǒng)中變量論域的確定、隸屬度函數(shù)的選取以及解模糊方法的選擇都是在現(xiàn)場(chǎng)情況下經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)得到的。根據(jù)同步設(shè)計(jì)指標(biāo)要求最大誤差(0.4mm以下和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際最大誤差(5mm以下)，選取誤差論域?yàn)閇0 5]，輸出論域?yàn)閇0 10]，輸入誤差A(yù)0為輔缸3相對(duì)于輔缸1的位置誤差(對(duì)角線)，輸入誤差B0為輔缸2相對(duì)于輔缸1的位置誤差，輸入誤差C0為輔缸4相對(duì)于輔缸1的位置誤差，輸出量為輸出D0去控制主缸比例伺服閥的閥芯位移。當(dāng)3個(gè)誤差中有一個(gè)大于等于0.4mm時(shí)，主缸比例伺服閥的閥芯位移要小，當(dāng)3個(gè)誤差值都小時(shí)，主缸比例伺服閥的閥芯位移要大。

根據(jù)液壓機(jī)工作時(shí)滑塊下行的實(shí)際情況建立如下規(guī)則：

if輸入誤差A(yù) is大and輸入誤差B is大and輸入誤差C is大then輸出D is??；
if輸入誤差A(yù) is大and輸入誤差B is大and輸入誤差C is中then輸出D is小；
if輸入誤差A(yù) is大and輸入誤差B is大and輸入誤差C is小then輸出D is?。?
if輸入誤差A(yù) is大and輸入誤差B is中and輸入誤差C is中then輸出D is較??；
if輸入誤差A(yù) is中and輸入誤差B is中and輸入誤差C is小then輸出D is中；
if輸入誤差A(yù) is中and輸入誤差B is小and輸入誤差C is小then輸出D is較大；
if輸入誤差A(yù) is中and輸入誤差B is大and輸入誤差C is大then輸出D is小；
if輸入誤差A(yù) is小and輸入誤差B is小and輸入誤差C is小then輸出D is大；
if輸入誤差A(yù) is小and輸入誤差B is中and輸入誤差C is中then輸出D is中；
if輸入誤差A(yù) is小and輸入誤差B is大and輸入誤差C is大then輸出D is小。

3、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 空載實(shí)驗(yàn)

圖2a所示為液壓機(jī)4個(gè)輔缸采用PID控制，主缸采用模糊控制技術(shù)情況下，液壓機(jī)滑塊在低速空載下行時(shí)的同步最大誤差曲線，縱軸為最大誤差軸，單位：mm；橫軸為實(shí)時(shí)時(shí)間軸，顯示為當(dāng)前的實(shí)際時(shí)間。從計(jì)算機(jī)打印的實(shí)時(shí)最大誤差曲線來(lái)看，在最大誤差約5mm時(shí)，控制器開(kāi)始對(duì)5缸同步進(jìn)行調(diào)整，2min多鐘后，同步最大誤差接近于零，雖然在調(diào)整過(guò)程中出現(xiàn)一些波動(dòng)，時(shí)間稍微有些長(zhǎng)，但總的趨勢(shì)及調(diào)整時(shí)間和對(duì)于低速度空載運(yùn)行的分析基本一致，最后的同步結(jié)果完全滿(mǎn)足要求。

3.2 負(fù)載實(shí)驗(yàn)

圖2b所示為液壓機(jī)在實(shí)際壓制工件時(shí)記錄的最大誤差實(shí)時(shí)曲線。在液壓機(jī)壓制過(guò)程中，如果將同步控制功能暫時(shí)關(guān)閉，由圖可見(jiàn)，隨著時(shí)間的推移，同步最大誤差將逐漸增大，這種誤差將會(huì)嚴(yán)重影響到工件最后的成形質(zhì)量，同時(shí)對(duì)液壓機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命和使用安全也會(huì)構(gòu)成威脅，當(dāng)最大同步誤差接近4mm時(shí)，將同步控制功能接通，則最大同步誤差迅速降低，很快接近于零，由此可見(jiàn)，液壓機(jī)在帶負(fù)載工作時(shí)，同步時(shí)間比空載時(shí)短，這與整個(gè)液壓機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有關(guān)。由于液壓機(jī)兩個(gè)輔缸之間的最大距離為4m多，根據(jù)液壓機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)可知，當(dāng)最大同步誤差小于0.4mm時(shí)即可滿(mǎn)足要求，但實(shí)際上液壓機(jī)的同步精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于該指標(biāo)，由于液壓機(jī)位置檢測(cè)采用的是精度為1Lm的光柵尺，因而我們可將接近于零坐標(biāo)位置的曲線進(jìn)行坐標(biāo)變換后進(jìn)行觀察，如圖2c所示，可見(jiàn)當(dāng)最大同步誤差下降到0.4mm后還繼續(xù)下降，直到最后基本穩(wěn)定在0.03mm左右，即在兩缸水平位置相距4m時(shí)，最大同步誤差在保持在30微米左右。

圖2 實(shí)驗(yàn)曲線

4、結(jié)束語(yǔ)

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，對(duì)該液壓機(jī)主缸比例伺服閥采用模糊控制技術(shù)后，使得整個(gè)同步控制系統(tǒng)的同步效果完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，目前該液壓機(jī)在我國(guó)某大型航空鍛造基地投入運(yùn)行兩年多來(lái)性能穩(wěn)定、效果良好。