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全锻造过程工作区域分解及其多控制器集成策略

更新时间：2019-12-24 16:28:59 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：多控制器高斯加权 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

基于高性能复杂整体模锻件要求大型模锻压机必须具备全行程精确锻造的能力,而模锻过程中存在时变载荷、非线性摩擦力与非线性液压驱动力使得模型存在时变特征,导致现有的基于单一模型的控制方法控制精度不高等问题,提出一种多控制器集成策略.该策略首先将全锻造过程分解成许多个子工作区,并基于以前的仿真数据建立相应的CAR子模型;其次,根据子模型特点,调节各子模型的PID控制器参数.基于任一子模型控制器都不能很好地处理这种子模型之间的耦合关系和突变情况,需要协调各个子控制器以达到全局控制的目的,提出高斯加权器,以实现模锻压机的全程精确平滑控制.研究结果表明:该控制策略控制精度较高,且比传统的PID控制方法好.

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、b1 47

No．3

中南大学学报(自然科学版)

第47卷第3期

2016年3月

and

MaL2016

Journal of Central South

University(Science

Technology)

DOI：10．1

1817／j．issn．1672—7207．2016．03．006

全锻造过程工作区域分解及其多控制器集成策略

吕文兵，黄明辉，陆新江，汪志能，邹玮，雷杰

(中南大学高性能复杂制造国家重点实验室，湖南长沙，410083)

摘要：基于高性能复杂整体模锻件要求人型模锻压机必须具备全行程精确锻造的能力，而模锻过程中存在时变载

荷、非线性摩擦力与非线性液压驱动力使得模型存在时变特征，导致现有的基于单一模型的控制方法控制精度不

高等问题，提出一种多控制器集成策略。该策略首先将全锻造过程分解成许多个子工作区，并基于以前的仿真数

据建立相应的CAR子模型：其次，根据子模型特点，调节各子模型的PID控制器参数。基于任一子模型控制器

都不能很好地处理这种子模型之间的耦合关系和突变情况，需要协调各个子控制器以达到全局控制的目的，提出

高斯加权器，以实现模锻压机的全程精确平滑控制。研究结果表明：该控制策略控制精度较高，且比传统的PID

控制方法好。

关键词：大型模锻；多控制器；高斯加权

中图分类号：TG315．4

文献标志码：A

文章编号：1672—7207(2016)03—0749—06

‘

’

1n ’’一

●

■ull

and

IOrging process^7Sworkspace aecompositlon

multi—controller

integrated strategy

Jie

Wei，LEI

Wenbing，HUANGMinghui，LU Xinjiang，WANG Zhineng，ZOU

Performance and

Changsha

South

University,

Laboratory

^(StateKey

High

Complex Manufacturing，Central

410083，China)

Abstract：The whole

implementing precise

die

that

must have the

high—performance complex

forging requires

large forging press

ability

in its full

ofthe

friction and

therefore

stroke．However，because time-varying forging load，nonlinear

model on different

conditions would be

forging

drive

nonlinear

applying

hydraulic

the

force，system’S

with

time—varying，and

control method

model is difficult to achieve

control

view of this

precision．In

existing

single

high

multi—controller

based on

was

forging process’S workspace decomposition

problem，a

the whole

integrated strategy

proposed．First，

_processwas divided

^intomany sub—forgingworkspaces．And then，the corresponding

data．Based on the characteristics of different

CARsub-models

forging

were established

using previous experimental

sub-models，the

PID

were also

sub—controller couldn’t

handle the

corresponding

sub—controllers’parameters

designed．Since

coupling

In order

relation and mutations between

sub—models should be coordinated to reach

control

goal

sub—models，these

global

to deal with this

controller was

problem，Gaussian—weighted

proposed ^{to achieve the overall control and to realize smooth}

control

the

stroke．The results show that the control can achieve the desired

precise

control

press’full

strategy

PID

control method．

effectively

has

than the

conventional

and

better effect

accuracy

Key words：large forging；multi· -controller；Gaussian--weighted

收稿日期：2015-01—02；修回日期：201 5一03—22

基金项目(Foundation item)：『司家重点基础研究发展规戈1J(973计划)项日(20】lCB706802)；国家自然科学基金资助项目(51205420)；中南大学创新

驱动计戈lJ(2015CX002)；新世纪人才计划基金资助项门(NCET-13-0593)；湖南省自然科学基金资助项口(14JJ3011)(Project(2011CB706802)

the National Basic Research

Program(973 1 the National Natural

Program)of China；Project(5 205420)supported by

suppoaed by

Development

Science Foundation of

Innovation· driven Plan in Central

South

China；Project(201 5CX002)supported by

University；Project(NCET-13—0593)

Science Foundation ofHunan

Province)

supportedbytheNewCentury．Talents Fund；Project(14JJ3011)supported bytheNatural

educn

通信作者：黄明辉，博士，教授，从事冶金机械研究：E．mail：MEEH@csu

万方数据

750

中南大学学报(自然科学版)

第47卷

现代化的航空、航天和国防工业对锻件的要求越

步平衡的作用。当零件锻造时，锻件坯料被放在上、

来越苛刻，不但需要高精度锻造，而且需要整体成型

且结构越来越复杂[1】。这类锻件通常要求大型模锻压

机必须具备大行程、变速率、适应多种复杂工况的能

力。然而，大型模锻过程是一个复杂的机电液与材料

微观成型的耦合过程【2]，其模型在不同工作区是时变

的。导致模型时变的主要因素有：1)随着锻压位移的

变化，锻件变形抗力呈非线性急剧变化【3】；2)锻压系

下2个模具中间进行挤压，坯料在模具的作用下发生

塑性变形，并对压机产生反作用力。为了获得高精度

的锻造性能，必须设计良好的控制器以保证系统在全

行程过程中能精确、稳定地运行。

统工作时要求变速运动，这将直接导致液压驱动与系

统摩擦发生剧烈的变化[4】；3)在锻压过程中，一些液

压参数如油液黏性阻尼系数、弹性模量、泄露系数将

随着工况的变化而改变。由于系统复杂及测量手段缺

失，如锻件负载力与液压参数的变化都无法直接测量，

导致系统无法精确地解析建模。为了满足模锻压机在

全程锻压过程中高精度运行要求，必须开展时变工况

下的模锻过程建模与控制策略研究。目前，关于模锻

压机控制系统方面的研究大多是首先获得系统的解析

模型，然后针对解析模型设计控制器。张广红【5】对压

机系统设计了PID控制器。该算法简单，可靠性好，

但该PID控制器只对某一特定的数学模型有效，当压

机模型变化剧烈时，该控制器无法满足系统的高精度

要求。张猛【4]针对某一特定的线性负载考虑了非摩擦

对低速系统的影响并设计了摩擦补偿控制器，在锻压

局部小范围内能满足系统锻压要求，但对全程锻压过

程中复杂多变的负载适应能力较差。熊欢欢等[6-7]设计

了模糊PID控制器。该方法可以很好地解决油液死区

和非线性时变负载引起的扰动，适应性强，但当实际

系统工况发生变化时，锻压速度超调量大，控制精度

不高。因此，针对压机全程锻压过程开发自适应能力

强、控制精度高的控制策略非常有必要。本文作者在

对大型模锻压机进行全面分析的基础上，提出基于锻

造过程工作区分解的多控制器集成策略。该策略首先

把全锻造过程分解成许多个子工作区，并采集实验数

据建立相应的子模型，根据子模型特点设计相应的子

控制器。由于子控制器不能处理子模型之间的耦合关

系，因此，提出使用高斯加权器协调各个子控制器，

以处理模型之间的耦合关系并达到全局控制的目的，

从而实现模锻压机的全程精确平滑控制。

图1

000I精密等温模锻压机示意图

of4 000

isothermal

tbrging press

Fig．1 Diagram

^tprecision

machine

大型模锻压机工作过程中行程大、工况多，同时

还必须具备变速率工作的能力，然而，锻压机本身是

一个非常复杂的机电液耦合系统，且影响因素众多。

1)非线性锻件变形抗力。在锻造过程中，锻件逐

渐由弹性变形转变为塑性变形，这导致压机负载力呈

强非线性变化。图2所示为某一锻件负载力变化趋

势[31。从图2可知：当模锻压机工作在不同的锻压区

间时，锻件变形抗力呈现不同的变化特征。

2)非线性摩擦力。压机运行时，摩擦力变化复杂，

特别在极低速运行时，摩擦将呈现静一动交替的非线

01。

性变化，这极易导致压机速度波动甚至爬行现象【8。1

根据Stribeck摩擦理论【41，摩擦力与系统速度有关，

其变化趋势如图3所示。当系统在不同的速度范围内

。

墨

陵

制

问题描述

锻造位移

所研究的4 000t等温模锻压机如图1所示。它包

括3个驱动缸和4个回程缸。驱动缸提供锻件锻造时

所需的锻造力，回程缸使活动横梁回位，同时也起同

I一镦粗阶段；II一充满型腔阶段：III一锻靠阶段。

图2变形抗力一位移变化曲线

Deformation

curve

resistance—displacement

Fig．2

万方数据

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