基于自适应模糊滑模控制模锻压机卸荷的研究

李文华 李健侨

(辽宁工程技术大学机械工程学院 辽宁 阜新 123000)

基于自适应模糊滑模控制模锻压机卸荷的研究

李文华 李健侨*

(辽宁工程技术大学机械工程学院 辽宁 阜新 123000)

针对大型模锻压机锻造过程保持低速稳定难的问题，提出一种基于自适应模糊滑模变结构控制的锻造调节方法。通过建立阀控液压缸的动态特性数学模型，转换得到控制系统的状态方程，与自适应模糊滑模控制规律结合，得到自适应模糊滑模控制函数，设计模锻压机卸荷控制器。通过软件仿真得知：基于自适应模糊滑模变结构控制方法可有效地控制锻压机低速稳定运行，能够实现精准、高速及平稳的自动调整。

模锻压机 跟踪卸荷 自适应模糊滑模 联合仿真

0 引 言

目前我国重型机械、航空航天、船舶、能源等行业正快速地发展与进步，对于大型锻件的需求量越来越大及标准越来越严格。模锻压机装备占据着整个制造业的重要位置，所以对于模锻装备技术方面的要求更为严格，其中最大锻造能力、锻造精度及模锻工艺需要更深入的创新与突破。为了锻造符合要求的大锻件，模锻压机必须要保证低速稳定运行，在保证低速运行的基础上，还要保证不能出现对系统造成严重危害的爬行现象(所谓爬行指速度抖动为零，位移成爬行状态)[1-3]。

1 模锻压机控制原理分析

模锻装备在锻压过程比较复杂，面临着锻件应力变形、摩擦、温度及材料对锻压过程中的影响，其中还包括控制系统的控制度及稳定性。在这种复杂的锻压过程中，难以达到人们所期望的锻件要求，本文采用模糊滑模变结构的控制方法对驱动缸进行有效控制，其控制原理如图1所示[4]。模锻装备以液压传动原理进行控制，该传动系统优点包括体积小、响应快、便于自动控制等，但由于液压元件加工精度等问题很难避免液压控制系统泄漏，另外时变的负载难以建立研究对象的数学模型的问题。综上，该控制系统的不确定性、时变性较强，传统的控制方法很难达到预期的控制精度及稳定性。

图1 锻压机控制原理图

在复杂的锻件成型过程中，需要实时采集锻件变形负载的变化信号。通过塑性力学分析的方法计算锻件塑性变形的负载模型，可采用主应力计算方法。将该数据在计算机进行处理后作为控制系统执行元件相应的输入信号，从而按锻件要求实时控制驱动缸的卸荷状态。

2 锻压机液压系统数学模型

模锻压机的液压伺服控制系统主要由比例调速阀、换向阀及驱动缸等液压元件组成，则该阀控驱动缸的动态特性可由以下三个基本方程近似描述出来[5]。

2.1 伺服阀流量-压力方程

(1)

式中：QL为负载流量；ps为供油压力；pL为驱动缸负载压力；Cd为流量系数；w为伺服阀口面积梯度；xv为阀芯位移；ρ为油液密度。

2.2 驱动缸流量连续方程

(2)

2.3 驱动缸力平衡方程

(3)

式中：M为柱塞和负载总质量；Bc为粘性系数；Ff为驱动缸摩擦力；Fl为系统负载力。

假设伺服阀阀芯位移与输入电压成比例，即xv=ku，由式(1)、式(2)、式(3)可得系统状态方程为[6]：

(4)

式中：

参数矢量a=[a1，a2，a3]随液压系统参数时变而具有不确定性，b(x)是一个非线性函数，d(t)随着作用力的变化而构成对系统的一个扰动[7-8]。

3 滑模控制器的设计

自适应模糊滑模控制是模糊滑模变结构控制与自适应控制的有机结合。以切换函数作为模糊系统的输入，简化了该控制系统[9]，解决了不确定或时变参数系统控制等问题，具有较强的稳定性，并在此基础上有效克服控制抖动[10]。

当系统存在非线性或扰动的情况下，系统输出变量快速跟踪模锻压机实时运行的参数，输出信号y与期望指令xd，跟踪误差为：

e=xd-y

(5)

3.1 控制器设计

对于模锻压机的非线性电液伺服位置控制系统[11]：

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

(6)

定义切换函数为：

(7)

控制律设计为：

(8)

式中:切换控制律usw=ηsgn(s),η>0。

由式(6)和式(8)可得：

(9)

(10)

当f(x,t)、b(x)、d(t)未知时，控制律式(6)很难实现，则利用模糊系统逼近控制律u(t)。

系统输入输出的模糊集分别定义如下：

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

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

式中:NB为负大，NM为负中，ZO为零，PM为正中，PB为正大。

模糊规则设计如下：

设参数αi得：

ufz(s,α)=αTξ

(11)

式中：α=[α1,α2,…,αm]T,ξ=[ξ1,ξ2,…,ξm]。

ξι定义为：

(12)

式中:wi为第i条规则的权值。

根据模糊逼近理论，存在一个最优模糊系统ufz(s,α*)来逼近控制律u(t)[12]。

u(t)=ufz(s,α*)+ε=α*Tξ+ε

(13)

式中：ε为逼近误差，满足|ε|

采用模糊系统ufz逼近u(t)，则：

(14)

采用切换控制律usw来补偿u与ufz之间的误差，则总控制律为：

u(t)=ufz+usw

(15)

该控制原理如图2所示。

图2 自适应模糊滑模控制系统

3.2 稳定性分析

要满足滑模变结构控制条件，还要保证滑模运动的稳定性。

定义Lyapunov函数为：

(16)

(17)

(18)

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

(19)

(20)

定义估计误差为：

(21)

定义Lyapunov函数为：

(22)

式中:η1和η2为正常数。则：

(23)

定义自适应律为：

(24)

则：

(25)

4 系统仿真与分析

利用Amesim仿真软件建立模锻液压系统，与Matlab中Simlink建立的控制器接口技术进行联合仿真[13-14]，通过查阅资料得到具体模锻压机仿真参数如表1所示。

表1 模锻压机仿真参数

利用simlink与s-function编程接口关系建立自适应模糊滑模控制器，由控制器函数在s-function编程建立控制模型，由上述推到的电液伺服系统的数学模型在s-function建立仿真被控对象，再通过示波器scope及to workspace将仿真曲线输出，具体结构如图3所示。

图3 自适应模糊滑模控制模型

根据图3对所设计自适应模糊滑模控制器验证控制效果，以周期4 s的脉冲方波作为输入信号。

图4 位置跟踪

由仿真结果可知：滑模控制器控制的跟踪信号能近似于控制输入的一致，且响应速度很快；整个过程没有较大波动，具有很好的稳定性。

将控制器与模锻压机系统建立连接进行跟踪控制模锻压机，由Matlab与Amesim联合仿真得到模型如图5所示。

图5 模锻压机Amesim模型

给定输入信号近似为正弦曲线,周期10 s，经多次仿真及调试仿真得到液压系统位移和压力仿真结果如图6-图7所示。

图6 模锻压机位移仿真曲线

图7 模锻压机压力仿真曲线

由图6可知模锻压机在锻造过程中位移曲线波动非常小，位移精度控制良好，没有明显的减速加压点，回程迅速，说明具有高的动态响应特性。

由图7可知驱动缸与回程缸中的压力变化跟随模锻压机工作过程而变，当活动横梁快速下降时，驱动缸上腔出现空腔。此时驱动缸上腔压力很小，回程缸压力也很小。当接触锻件时，驱动缸压力立即升高，回程缸压力也随之升高并保持在13 Mpa附近，变化较小，其作用为平衡活动横梁的质量。回程时，随驱动缸卸压的同时，回程缸压力降低，模锻压机迅速回程，整个工作过程压力变化平稳。

5 结 语

本文将非线性的液压控制系统作为研究对象，提出了一种基于自适应模糊滑模变结构控制的锻造调节方法，通过传感器实时监测锻件成型过程中应力应变的变化，及时做出相对应的控制方法。通过自适应模糊滑模变结构控制能有效克服抖动，减小输出速度波动，改善稳定性。仿真结果表明控制方法具有很好的鲁棒性、响应快、跟踪精度高等优点，优于传统的控制方法，在系统稳定运行的情况下，能很好地满足大型模锻低速锻造工艺性能的要求。

[1] 郑文达,权晓惠,李俊辉.锻造液压机的现状及其展望[J].重型机械,2012(3):2-10.

[2] 郭鸿镇,姚泽坤,虢迎光.等温精密锻造技术的研究进展[J].中国有色金属学报,2010,20(S1):570-571.

[3] 王忠雷,赵国群.精密锻造技术的研究现状及发展趋势[J].精密成型工程,2009,1(1):32-38.

[4] 汪志能,黄明辉,谢金晶,等.大型模锻压机极低速稳定运行规律[J].中南大学学报,2014,45(10):3379-3385.

[5] 毛君,郑广辉,谢苗,等.Fuzzy-PID的超前支护装备支撑力自动控制系统[J].智能系统学报,2015,10(5):1-7.

[6] 张嗣瀛.现代控制理论[M].北京:清华大学出版社,2006.

[7] 陈浩锋,戴一帆,杨军宏.非线性电液位置伺服系统的自学习滑模模糊控制[J].机床与液压,2006(9):172-175.

[8] 解培强.模糊滑模控制在挖掘机控制中的应用[D].太原:太原科技大学,2014.

[9] Choi B J,Kwak S W,Kim B K.Design of a single-input fuzzy logic controller and its properties[J].Fuzzy Sets & Systems,1999,106(3):299-308.

[10] 苏秀苹,李威,樊启高.采煤机滚筒调高滑模变结构控制策略[J].煤炭学报,2012,37(12):2107-2111.

[11] 张蛟龙,张伟.不确定性倒立摆系统的自适应模糊滑模控制[J].计算机仿真,2013,10(30):341-345.

[12] 刘金琨.滑膜变结构控制MATLAB仿真[M].2版.北京:清华大学出版社,2012.

[13] 石辛民,郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京:清华大学出版社,2008.

[14] 谢金晶.大型模锻压机低速运行分析和控制策略研究[D].中南大学,2014.

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。李文华，教授，主研领域：流体机械设备测控。李健侨，硕士生。

TP391.9

A

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