大噸位液壓機(jī)多模式電液控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、液壓機(jī)，特別是大噸位的液壓機(jī)，有必要具備多種工作模式，以滿足不同類型產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。電液控制系統(tǒng)作為液壓機(jī)的核心組成部分，其工作性能不僅決定了液壓機(jī)的工作特性，而且顯著影響到被壓制產(chǎn)品的質(zhì)量;因此，希望液壓機(jī)具備多種工作模式，首先必須要求液壓機(jī)的電液控制系統(tǒng)具備多種工作模式并存的能力。然而，以往的研究中很少有學(xué)者針對液壓機(jī)的電液控制系統(tǒng)，特別是大噸位液壓機(jī)的多模式電液控制系統(tǒng)展開深入的研究。本論文將以某大型鍛造液壓機(jī)為研究背景，以大噸位

2、液壓機(jī)的多模式電液控制系統(tǒng)為具體的研究對象，從核心元件、外負(fù)載補(bǔ)償策略、非線性控制策略等方面出發(fā)，對大噸位液壓機(jī)多模式電液控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。
　　本論文共六章，每一章的摘要如下:
　　第一章，概述了液壓機(jī)的特點(diǎn)及分類、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢，并指出多模式并存是未來大噸位液壓機(jī)設(shè)計(jì)中必然考慮的一個問題;繼而詳細(xì)介紹了與大噸位液壓機(jī)多模式電液控制系統(tǒng)相關(guān)的四大關(guān)鍵技術(shù)，即電液比例插裝閥技術(shù)、液壓機(jī)的外負(fù)

3、載建模技術(shù)、基于干擾觀測器的外負(fù)載補(bǔ)償技術(shù)以及電液控制系統(tǒng)的控制技術(shù)，并指出了現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于多模式電液控制系統(tǒng)所存在的問題;最后，闡述了本課題的來源及研究意義，介紹了本論文的研究內(nèi)容。
　　第二章，針對某一款單反饋比例插裝閥(single-feedback proportional cartridgevalve，SFPCV)展開系統(tǒng)的研究。首先介紹了SFPCV的工作原理，然后根據(jù)相關(guān)的性能指標(biāo)對SFPCV的主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并建

4、立了SFPCV的非線性數(shù)學(xué)模型;根據(jù)SFPCV的非線性數(shù)學(xué)模型，建立了SFPCV的MATLAB/AMESim聯(lián)合仿真模型，并通過仿真數(shù)據(jù)與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的對比驗(yàn)證了所建聯(lián)合仿真模型的正確性;依托所建聯(lián)合仿真模型，進(jìn)一步研究了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對SFPCV工作性能的影響規(guī)律，從而為SFPCV的改進(jìn)提供依據(jù);根據(jù)仿真結(jié)果并結(jié)合實(shí)驗(yàn)，對SFPCV的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及控制策略進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:所研發(fā)SFPCV的相關(guān)動靜態(tài)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以替代進(jìn)口

5、，應(yīng)用于大噸位液壓機(jī)的多模式電液控制系統(tǒng)中去。
　　第三章，首先介紹了某大型鍛造液壓機(jī)多模式電液控制系統(tǒng)的工作原理，針對其與其他類型液壓機(jī)所共有的、用以完成一般產(chǎn)品壓制成形的低速工進(jìn)系統(tǒng)以及其所特有的蓄能器輔助快鍛系統(tǒng)，搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺。為了便于后續(xù)基于數(shù)學(xué)模型的非線性控制器設(shè)計(jì)，建立了實(shí)驗(yàn)平臺的數(shù)學(xué)模型，并通過開環(huán)仿真及實(shí)驗(yàn)的對比驗(yàn)證了所建數(shù)學(xué)模型的正確性?？紤]到后續(xù)的研究中需要用到實(shí)驗(yàn)平臺中的加載液壓缸對驅(qū)動液壓缸進(jìn)行模擬

6、加載，還進(jìn)一步研究了加載液壓缸的加載控制算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用模糊PID控制算法能夠在保證靜態(tài)加載精度與傳統(tǒng)PID控制算法相仿的前提下，顯著改善加載的動態(tài)過程。
　　第四章，針對未知載荷作用下的低速工進(jìn)系統(tǒng)高性能運(yùn)動控制展開系統(tǒng)的研究。首先提出了兩種不同的干擾觀測器對液壓機(jī)在低速工進(jìn)階段所受到的外負(fù)載進(jìn)行在線估計(jì)和補(bǔ)償:第一種干擾觀測器基于外負(fù)載可分段線性化這一特點(diǎn)而提出，它的參數(shù)自適應(yīng)由觀測器誤差和運(yùn)動跟蹤誤差同時驅(qū)動，本文中

7、把它稱為“擴(kuò)展的分段干擾觀測器”(extended piecewise disturbance observer，EPDO);第二種干擾觀測器基于模糊系統(tǒng)可以以任意精度逼近未知非線性系統(tǒng)這一特點(diǎn)而提出，它的參數(shù)自適應(yīng)同樣由觀測器誤差和運(yùn)動跟蹤誤差同時驅(qū)動，本文中把它稱為“擴(kuò)展的模糊干擾觀測器”(extended fuzzy disturbance observer, EFDO)。針對電液控制系統(tǒng)固有的強(qiáng)非線性特性以及各種模型不確定性，并

8、且考慮到負(fù)載口獨(dú)立控制的低速工進(jìn)系統(tǒng)的多輸入-單輸出特性，提出了一種非線性層疊控制器作為低速工進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)動控制器:該非線性層疊控制器的位移跟蹤環(huán)基于滑?？刂贫O(shè)計(jì)，以期望的位移、速度、加速度以及加加速作為輸入，以期望的驅(qū)動力作為輸出;該非線性層疊控制器的壓力跟蹤環(huán)基于backsteppmg技術(shù)而設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的實(shí)際驅(qū)動力能夠精確跟蹤位移跟蹤環(huán)得出的期望驅(qū)動力。針對負(fù)載口獨(dú)立控制的低速工進(jìn)系統(tǒng)的靜態(tài)工作點(diǎn)選擇問題，提出了一種適用于液壓機(jī)的“

9、最小等效負(fù)載準(zhǔn)則”(minimum equivalent load criterion，MELC):該準(zhǔn)則把驅(qū)動缸有桿腔（相當(dāng)于液壓機(jī)的回程缸）提供的力看作等效外負(fù)載的一部分，隨著估計(jì)外負(fù)載的增大逐漸減小驅(qū)動缸有桿腔的期望壓力，并保證最小的等效外負(fù)載大于滑塊的重力;從而能夠最大限度地挖掘出液壓機(jī)的驅(qū)動能力，并且保證液壓機(jī)在任何狀態(tài)下都不會出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用本文所提出的非線性層疊控制器，并結(jié)合本文所提出的EPDO或EF

10、DO，能夠使得液壓機(jī)在低速工進(jìn)過程中精確跟蹤給定的期望位移曲線;在EPDO或EFDO的作用下，估計(jì)的外負(fù)載能夠在觀測器誤差和運(yùn)動跟蹤誤差的驅(qū)動下精確跟蹤低速工進(jìn)過程中所受到的實(shí)際外負(fù)載;此外，在本文所提出MELC的作用下，控制器能夠根據(jù)估計(jì)外負(fù)載的大小，自動改變驅(qū)動缸有桿腔的期望壓力，從而可以盡可能地挖掘出液壓機(jī)的驅(qū)動能力，提高其位移跟蹤性能。
　　第五章，針對蓄能器輔助快鍛系統(tǒng)的高頻次、高精度、平穩(wěn)位移控制展開系統(tǒng)的研究。首先從

11、蓄能器輔助快鍛系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)出發(fā)，進(jìn)行核心元件的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)。繼而在考慮蓄能器輔助快鍛系統(tǒng)的多輸入-單輸出特性，以及蓄能器輔助快鍛系統(tǒng)所受到的各種匹配或者不匹配模型不確定性的基礎(chǔ)上，提出了一種最優(yōu)能量分配-自適應(yīng)魯棒控制(optimal energy distributed adaptive robust control，OED-ARC)策略作為蓄能器輔助快鍛系統(tǒng)的運(yùn)動控制器:在OED-ARC控制器的設(shè)計(jì)中首先把“集總流量”看作系統(tǒng)的等

12、效輸入，使得系統(tǒng)的輸入輸出自由度相等;然后根據(jù)期望的運(yùn)動軌跡，利用backstepping技術(shù)推導(dǎo)出“集總流量”的期望值;最終再根據(jù)“最優(yōu)能量分配準(zhǔn)則”從“集總流量”推導(dǎo)出兩個控制閥的實(shí)際控制量。此外，在OED-ARC控制器的設(shè)計(jì)中還采用了一種基于蓄能器簡化數(shù)學(xué)模型的“非線性阻尼調(diào)節(jié)器”來對蓄能器數(shù)學(xué)模型中存在的非線性參數(shù)不確定性進(jìn)行補(bǔ)償。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:采用本文所提出的OED-ARC控制器可以使蓄能器輔助快鍛系統(tǒng)獲得確定的動態(tài)特性