模糊控制在萬噸液壓機同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、引言

某萬噸數(shù)控等溫鈦合金鍛造液壓機，是我國十五期間發(fā)展新型航空航天高新技術(shù)工程中所需的重大設(shè)備。該機采用新型組合大型框架帶缸滑塊主機結(jié)構(gòu)，滑塊采用5缸驅(qū)動，如圖1所示。主缸是一個可產(chǎn)生60MN壓力的單缸(位于滑塊中心位置)，輔助缸是4個可產(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)。該機要求在等溫鍛造工作時五缸同步下行，且同時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，它們之間的位置誤差不能超過0.1mm。

圖1 液壓機示意圖

2、系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)分析

在液壓傳動系統(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，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)備運動行程較大的因素下，實現(xiàn)多個液壓缸較高的同步精度有很大難度，因此對同步系統(tǒng)的設(shè)計方案、控制方法、同步性能等方面的研究，會最終關(guān)系到液壓機的實際運行狀態(tài)是否能夠真正達到設(shè)計的要求。在本系統(tǒng)中不僅要求5個液壓缸在運動中速度同步，而且位置同步也有很高的要求，且系統(tǒng)在高速和低速運行時的流量變化范圍比較大(低速度時流量小，高速度時流量大)，所以本系統(tǒng)是一個變流量、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。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，因此為了能夠達到設(shè)計的要求，本系統(tǒng)采用閥控液壓缸方式，即每一個液壓缸都采用一套高精度的比例伺服閥來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)時閥芯位移Xv和活塞位移沒有確定的對應(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，在理論上只要控制好每一個閥的閥芯位移，就有可能達到5個液壓缸同步運行的目的。實際上由于該系統(tǒng)是一個變流量、高精度的同步控制系統(tǒng)，其控制具有非線性、時變性的特點，其多個參數(shù)具有非線性特性，且隨工況而變，而且，由于在運動中5缸相互影響，要建立起準確的5缸同步過程數(shù)學(xué)模型有很大難度，特別指出的是在運行過程中由于主缸位于滑塊中心位置，對其運行的實際位置無法檢測，而主缸又產(chǎn)生工作時的主要壓力，如果在工作過程中對其控制不當，會造成輔缸中的某些缸僅能跟隨其動作，而使得該輔缸本身的調(diào)節(jié)作用失效，導(dǎo)致整個同步失敗，因此對主缸運行的控制好壞會直接影響到整個系統(tǒng)的性能。由于在實際系統(tǒng)中，4個輔缸上裝有高精度檢測裝置(精度為1微米的光柵尺)，可以實時檢測到滑塊四角下行的速度和位移，因而為了保證控制精度，4個輔缸采用PID控制而主缸的控制要受到4個輔缸的影響，即主缸的控制要從4個輔缸的運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

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊理輯推理為基礎(chǔ)的計算機智能控制，其基本概念是由查德(L.A.Zadeh)首先提出的，經(jīng)過多年的發(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)點是不要求掌握受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，所以對于在工業(yè)控制過程中碰到的大滯后時變、非線性等無法建立起精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)模糊控制無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，對于該液壓機模糊系統(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)場情況下經(jīng)過多次試驗得到的。根據(jù)同步設(shè)計指標要求最大誤差(0.4mm以下和現(xiàn)場實際最大誤差(5mm以下)，選取誤差論域為[0 5]，輸出論域為[0 10]，輸入誤差A(yù)0為輔缸3相對于輔缸1的位置誤差(對角線)，輸入誤差B0為輔缸2相對于輔缸1的位置誤差，輸入誤差C0為輔缸4相對于輔缸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3個誤差中有一個大于等于0.4mm時，主缸比例伺服閥的閥芯位移要小，當3個誤差值都小時，主缸比例伺服閥的閥芯位移要大。

根據(jù)液壓機工作時滑塊下行的實際情況建立如下規(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中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小then輸出D is小；
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較小；
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?。?
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、實驗驗證

3.1 空載實驗

圖2a所示為液壓機4個輔缸采用PID控制，主缸采用模糊控制技術(shù)情況下，液壓機滑塊在低速空載下行時的同步最大誤差曲線，縱軸為最大誤差軸，單位：mm；橫軸為實時時間軸，顯示為當前的實際時間。從計算機打印的實時最大誤差曲線來看，在最大誤差約5mm時，控制器開始對5缸同步進行調(diào)整，2min多鐘后，同步最大誤差接近于零，雖然在調(diào)整過程中出現(xiàn)一些波動，時間稍微有些長，但總的趨勢及調(diào)整時間和對于低速度空載運行的分析基本一致，最后的同步結(jié)果完全滿足要求。

3.2 負載實驗

圖2b所示為液壓機在實際壓制工件時記錄的最大誤差實時曲線。在液壓機壓制過程中，如果將同步控制功能暫時關(guān)閉，由圖可見，隨著時間的推移，同步最大誤差將逐漸增大，這種誤差將會嚴重影響到工件最后的成形質(zhì)量，同時對液壓機的整個系統(tǒng)的使用壽命和使用安全也會構(gòu)成威脅，當最大同步誤差接近4mm時，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，液壓機在帶負載工作時，同步時間比空載時短，這與整個液壓機系統(tǒng)的設(shè)計有關(guān)。由于液壓機兩個輔缸之間的最大距離為4m多，根據(jù)液壓機設(shè)計指標可知，當最大同步誤差小于0.4mm時即可滿足要求，但實際上液壓機的同步精度遠遠好于該指標，由于液壓機位置檢測采用的是精度為1Lm的光柵尺，因而我們可將接近于零坐標位置的曲線進行坐標變換后進行觀察，如圖2c所示，可見當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，最大同步誤差在保持在30微米左右。

圖2 實驗曲線

4、結(jié)束語

從上述實驗結(jié)果來看，對該液壓機主缸比例伺服閥采用模糊控制技術(shù)后，使得整個同步控制系統(tǒng)的同步效果完全達到了設(shè)計要求，目前該液壓機在我國某大型航空鍛造基地投入運行兩年多來性能穩(wěn)定、效果良好。