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模锻过程结合机理与数据的智能控制方法
资料介绍
大型模锻成形过程是一个复杂的非线性时变过程,包括锻件流变成形过程与液压系统驱动过程,以及还存在油液泄漏等众多不确定性因素,导致精准锻造过程控制异常困难.为此,在结合基于机理模型控制与数据控制优点的基础上,提出了基于物理模型结合在线顺序极限学习机的智能控制方法.该方法首先使用已知的系统信息推导出名义控制律;其次,针对模型不确定性部分,使用在线顺序极限学习机设计出该在线模型的补偿控制律;最后,建立了基于机理模型与数据模型的集成控制器,获得了最佳控制律.仿真结果表明,新方法能有效地控制复杂的锻造过程,且比现有的方法有更好的控制精度.
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模 锻 过 程 结 合 机 理 与 数 据 的 智 能 控 制 方 法
陈 '宇 ! 吕 文 兵 ! 陆 新 江
!中 南 大 学 机 电 工 程 学 院 高 性 能 复 杂 制 造 国 家 重 点 实 验 室 " 湖 南 长 沙 !*))[1#
摘 要 ! 大 型 模 锻 成 形 过 程 是 一 个 复 杂 的 非 线 性 时 变 过 程 " 包 括 锻 件 流 变 成 形 过 程 与 液 压 系 统 驱 动 过 程 " 以 及 还 存 在 油 液 泄 漏
等 众 多 不 确 定 性 因 素 " 导 致 精 准 锻 造 过 程 控 制 异 常 困 难 % 为 此 " 在 结 合 基 于 机 理 模 型 控 制 与 数 据 控 制 优 点 的 基 础 上 " 提 出 了
基 于 物 理 模 型 结 合 在 线 顺 序 极 限 学 习 机 的 智 能 控 制 方 法 % 该 方 法 首 先 使 用 已 知 的 系 统 信 息 推 导 出 名 义 控 制 律 & 其 次 " 针 对 模
型 不 确 定 性 部 分 " 使 用 在 线 顺 序 极 限 学 习 机 设 计 出 该 在 线 模 型 的 补 偿 控 制 律 & 最 后 " 建 立 了 基 于 机 理 模 型 与 数 据 模 型 的 集 成
控 制 器 " 获 得 了 最 佳 控 制 律 % 仿 真 结 果 表 明 " 新 方 法 能 有 效 地 控 制 复 杂 的 锻 造 过 程 " 且 比 现 有 的 方 法 有 更 好 的 控 制 精 度 %
关 键 词 ! 大 型 模 锻 成 形 & 机 理 模 型 & 在 线 顺 序 极 限 学 习 机 & 物 理 模 型 控 制 器 & 数 据 模 型 控 制 器 & 集 成 模 型 控 制 器 & 控 制 律
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I$Q<%B$7H.$%%<.& ;MP.3Q I$Q<%B$7H.$%%<.& B$7H.$%%5R
''现 代 国 防 $ 航 空 运 载 装 备 对 大 型 构 件 的 尺 寸 $
质 量 $ 精 度 等 方 面 提 出 了 越 来 越 高 的 要 求 % 精 密 化
的 构 件 必 然 要 求 锻 造 过 程 精 确 实 时 控 制 " 而 控 制 精
程 " 由 于 初 始 锻 坯 形 状 不 规 则 " 材 料 的 成 分 与 组 织
性 能 不 均 匀 " 且 多 数 锻 件 都 存 在 中 心 疏 松 $ 空 洞 等
(")
缺 陷
" 这 些 特 性 致 使 锻 件 负 载 力 随 着 位 移 的 改 变
度 的 高 低 将 直 接 影 响 压 制 产 品 的 质 量 和 生 产 效
(*)
而 发 生 强 非 线 性 变 化 % 其 次 " 由 于 液 压 油 的 可 压 缩
性 $ 液 压 缸 的 非 线 性 摩 擦 $ 大 范 围 负 载 扰 动 $ 本 体
率
% 但 模 锻 成 形 过 程 是 一 个 复 杂 的 非 线 性 时 变 过
大 惯 量 滞 后 等 " 这 些 因 素 严 重 影 响 系 统 低 速 的 稳 定
(1)
性
% 再 次 " 系 统 部 分 参 数 是 未 知 的 且 可 随 着 时 间
收 稿 日 期 ! ")*V W*) W"1& 修 订 日 期 ! ")*+ W)* W")
基 金 项 目 ! 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 !*0+1+ 计 划 # 项 目
!")**@J+)V[)"#& 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 !X*")X!")#& 新
世 纪 人 才 计 划 基 金 !(@EOW*1 W)X01#& 湖 南 省 自 然 科 学 基 金 资
助 项 目 !*!??1)**#
和 工 况 改 变 而 变 化 " 如 导 轨 与 活 动 横 梁 之 间 的 摩 擦
系 数 $ 油 液 粘 性 阻 尼 系 数 $ 泄 漏 系 数 等 % 上 述 非 线
性 时 变 特 征 和 不 可 预 知 性 因 素 致 使 高 精 密 的 锻 造 成
形 成 性 控 制 变 得 异 常 困 难 %
作 者 简 介 ! 陈 '宇 !*00) W#" 男 " 硕 士 研 究 生
N-J:*B' *X!V1*0*")Z66&B$I
目 前 " 在 液 压 系 统 控 制 策 略 研 究 方 面 " 于 革 刚
等 提 出 了 大 型 模 锻 压 机 的 同 步 控 制 技 术 " 依 靠 现 代
控 制 技 术 " 采 用 位 置 闭 环 进 行 精 确 同 步 控 制 " 为 大
通 讯 作 者 ! 陆 新 江 !*0+0 W#" 男 " 博 士 " 教 授
N-J:*B' %GYNZB>G&<QG&B7
万方数据
第 ! 期
陈 '宇 等 ' 模 锻 过 程 结 合 机 理 与 数 据 的 智 能 控 制 方 法
''*+*
型 集 中 载 荷 模 锻 压 机 提 供 了 一 种 全 新 的 结 构 形 式 "
可 以 非 常 直 观 地 实 时 监 察 锻 造 压 力 中 心 是 否 处 于 安
(!)
全 偏 载 允 许 范 围
% 刘 新 良 使 用 了 状 态 反 馈 控 制 解
耦 算 法 设 计 出 大 型 压 机 的 主 动 同 步 系 统 平 衡 控 制 策
(X)
略
" 可 以 有 效 调 节 系 统 的 同 步 误 差 " 但 要 求 在 系
统 工 况 相 对 稳 定 $ 参 数 变 化 范 围 较 小 的 情 况 下 " 才
能 出 现 较 好 的 控 制 效 果 " 因 此 有 一 定 的 局 限 性 % 周
恩 涛 等 应 用 模 糊 \T=控 制 算 法 实 现 了 对 电 液 比 例 阀
控 非 对 称 缸 系 统 位 置 的 实 时 控 制 " 能 较 好 地 满 足 控
图
*'简 化 的 模 锻 压 机 驱 动 系 统 和 控 制 系 统
制 要 求 " 但 当 系 统 的 非 线 性 和 不 确 定 性 很 严 重 时 "
(V)
U38&*'A3I-%3C3<Q Q.3L<7 57Q B$7H.$%>M>H<I>$CQ3<C$.8378-.<>>
控 制 精 度 会 大 大 降 低
% 陈 晓 祺 设 计 了 3 鲁 棒 控
z
压 位 移 & N为 时 间 & *为 柱 塞 缸 的 有 效 作 用 面 积 & !
'
制 器 使 得 锻 造 压 机 在 外 扰 和 缸 冗 余 情 况 下 能 实 现 压
为 液 压 缸 的 油 压 & E为 粘 性 阻 尼 系 数 & O 为 背 压 缸
J
'
机 的 稳 定 同 步 运 行 和 稳 定 驱 动 运 行 " 但 针 对 锻 压 系
压 力 " 且 O )O = O !O 为 确 定 部 分 " O 为
# #
J)
J
J)
J
J
统 参 数 的 变 化 和 不 确 定 因 素 的 干 扰 " 其 对 应 的 控 制
(+)
不 确 定 部 分 #& 为 活 动 横 梁 导 轨 导 向 的 摩 擦 系 数 &
%
策 略 尚 不 能 满 足 较 高 的 控 制 要 求
%
O 为 锻 件 的 变 形 抗 力 " 且 O )O = O !O 为 确
#
2
2
2
2)
2)
本 文 针 对 类 似 以 上 这 些 控 制 器 的 不 足 " 在 机 理
部 分 已 知 的 情 况 下 " 提 出 了 *集 成 机 理 与 数 据 的 智
能 控 制 设 计 方 法 +" 即 首 先 基 于 物 理 模 型 控 制 器 设
计 当 前 控 制 律 " 其 次 使 用 基 于 eA WE2D数 据 模 型
!具 有 在 线 学 习 样 本 能 力 # 的 控 制 器 作 为 补 偿 控 制
器 在 其 基 础 上 进 一 步 设 计 控 制 律 增 量 " 从 而 将 二 者
结 合 得 到 当 前 控 制 律 % 最 后 通 过 仿 真 验 证 控 制 器 的
有 效 性 和 优 越 性 " 为 模 锻 压 机 极 低 速 运 行 精 密 化 控
制 提 供 了 理 论 基 础 与 保 证 %
定 部 分 " O 为 不 确 定 部 分 #& O 为 柱 塞 缸 密 封 圈
#
C
2
处 的 摩 擦 力 " 且 O )O = O ! O 为 确 定 部 分 "
#
C
C
C)
C)
O 为 不 确 定 部 分 #& -为 比 例 阀 的 输 出 流 量 & ? 为
H
#
C
柱 塞 缸 泄 漏 系 数 & [ 为 柱 塞 缸 及 油 管 初 始 容 积 &
)
0
<
为 油 液 弹 性 模 量 " 且
)
0
=
#0
!
为 确 定 部
0
0
<
<)
<
<)
分 "
为 不 确 定 部 分 #& " 为 驱 动 系 统 的 输 入 电
([)
#0
<
压 & D 为 比 例 流 量 阀 的 补 偿 系 数
2
%
针 对 柱 塞 缸 的 摩 擦 力 " 其 已 知 部 分 摩 擦 模 型 采
用 AH.3P<Bg 模 型 " 其 表 达 式 为 '
"
O )F=!F,F#,<Y-! ,!a.a# # = ,a
#
B "
C)
B
>
>
*'模 锻 过 程 简 介 及 控 制 器 设 计 的 难 点
!!#
式 中 ' F为 最 大 静 摩 擦 力 & F为 库 仑 摩 擦 力 & a为 临
>
>
B
模 锻 压 机 驱 动 系 统 及 控 制 系 统 简 图 如 图 * 所 示 "
研 究 对 象 为 !))) H锻 压 机 系 统 % 其 中 驱 动 系 统 由 上
面 1 个 驱 动 缸 和 下 面 ! 个 回 程 缸 组 成 " 用 来 控 制 活
动 横 梁 的 运 动 % 当 对 锻 件 进 行 锻 造 时 " 液 压 系 统 通
过 油 压 提 供 给 驱 动 缸 下 压 力 以 及 回 程 缸 的 回 程 力 "
活 动 横 梁 上 的 上 模 具 在 力 的 作 用 下 配 合 下 模 具 对 坯 料
进 行 挤 压 锻 造 " 从 而 达 到 对 锻 件 进 行 锻 压 的 目 的 % 其
中 " 回 程 缸 起 到 使 活 动 横 梁 回 位 和 同 步 平 衡 的 作 用 %
模 锻 压 机 在 锻 造 时 的 活 动 横 梁 的 动 力 学 方 程 与
界 AH.3P<Bg 速 度 & a为 活 动 横 梁 当 前 速 度 &
(0)
为 粘 滞
#
"
摩 擦 系 数
%
采 用 主 应 力 法 对 锻 件 的 负 载 力 模 型 进 行 分 析 "
其 已 知 部 分 的 变 形 抗 力 O 的 模 型 为 '
2)
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式 中 ' [为 坯 料 体 积 & T 为 锻 坯 初 始 高 度 & 4为 锻
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件 的 当 前 压 缩 量 &
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为 D3><>屈 服 条 件 下 的 流 动 应
%
>
力 摩 擦 系 数
& @ 为 矩 形 坯 的 长 度 &
为 材 料 的 流
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液 压 驱 动 缸 的 流 量 方 程 为 '
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变 应 力 " 采 用 了 `$>><.Q 力 学 模 型 '
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式 中 ' M为 材 料 强 度 系 数 & +'为 硬 化 指 数 & U'为 应
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变 速 率 敏 感 性 指 数 & 5 为 材 料 物 理 化 学 性 质 常 数
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综 合 公 式 !*# _公 式 !V#" 在 主 驱 动 系 统 动
力 学 模 型 基 础 上 " 假 设 活 动 横 梁 的 下 压 位 移 变 量 4
式 中 ' C为 活 动 横 梁 的 总 质 量 & 4为 活 动 横 梁 的 下
万方数据
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