大型強(qiáng)力旋壓機(jī)電液控制系統(tǒng)研究.pdf

1、大型強(qiáng)力旋壓機(jī)是強(qiáng)力旋壓工藝的實(shí)施載體，其旋制的大型旋壓工件廣泛用于大型運(yùn)載火箭、洲際導(dǎo)彈、宇宙衛(wèi)星、大型飛機(jī)、海洋開發(fā)裝備、新型核電站等國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展領(lǐng)域，是制造工業(yè)中不可或缺的基礎(chǔ)性裝備。強(qiáng)力旋壓工藝是通過旋壓刀具——旋輪對(duì)旋轉(zhuǎn)坯料的連續(xù)局部擠壓致使坯料厚度變薄、同時(shí)變形為芯模外輪廓形狀實(shí)現(xiàn)的。大型強(qiáng)力旋壓機(jī)因其旋制工件的強(qiáng)度高、旋壓力大，普遍采用電液系統(tǒng)作為其旋輪運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與控制的傳動(dòng)方式。在強(qiáng)力旋壓過程中，驅(qū)動(dòng)旋輪運(yùn)動(dòng)的電液系統(tǒng)具有

2、以下幾個(gè)特點(diǎn):1）受到的旋壓力反力不僅強(qiáng)度高，而且相對(duì)于進(jìn)給速度呈現(xiàn)非線性關(guān)系;2）電液系統(tǒng)本身具有強(qiáng)非線性，模型參數(shù)不確定性等特點(diǎn);3）電液執(zhí)行器的定位控制精度達(dá)到忽米（0.01毫米）級(jí)，還要實(shí)現(xiàn)精確的輪廓運(yùn)動(dòng)控制;4）對(duì)于多旋輪、分體式的強(qiáng)力旋壓機(jī)，其各旋輪之間的運(yùn)動(dòng)須具備協(xié)調(diào)性，以保證旋壓機(jī)良好的受力情況和工件加工質(zhì)量。綜上，對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)工件高性能強(qiáng)力旋壓加工的大型強(qiáng)力旋壓機(jī)電液控制系統(tǒng)研究不僅具有學(xué)術(shù)價(jià)值，而且有著重要的現(xiàn)實(shí)意義

3、和必要性。
　　本論文結(jié)合數(shù)學(xué)建模、控制理論、實(shí)驗(yàn)研究和仿真分析等手段，以3旋輪、分體式大型強(qiáng)力旋壓機(jī)為代表性研究對(duì)象，充分考慮強(qiáng)力旋壓機(jī)電液系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，圍繞其相關(guān)控制技術(shù)展開了較為系統(tǒng)與深入的研究，提出了關(guān)于強(qiáng)力旋壓機(jī)電液控制系統(tǒng)一整套成體系的控制技術(shù)，包括:雙比例電磁鐵高頻響閥的帶液動(dòng)力補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制技術(shù);強(qiáng)力旋壓機(jī)電液直線軸的基于狀態(tài)觀測(cè)器與液壓無源性理論的自適應(yīng)魯棒運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)(SPARC);基于SPARC與正

4、交全局任務(wù)坐標(biāo)系的強(qiáng)力旋壓機(jī)電液直線軸二軸輪廓運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)(GTC-SPARCC);與GTC-SPARCC相統(tǒng)一的分體式強(qiáng)力旋壓機(jī)多旋輪協(xié)同控制技術(shù)。以上關(guān)于強(qiáng)力旋壓機(jī)電液系統(tǒng)的相關(guān)控制技術(shù)的實(shí)際效果與性能均通過實(shí)驗(yàn)或仿真手段得到了驗(yàn)證，部分成果已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用或開展了樣機(jī)研究。
　　本論文共分為六章，各章摘要如下：
　　第一章，本章闡述了強(qiáng)力旋壓機(jī)電液控制系統(tǒng)的研究背景，總結(jié)歸納出大型強(qiáng)力旋壓機(jī)電液控制系統(tǒng)所特有的研究難

5、題;繼而詳細(xì)介紹了研究難題所涉及的關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀;最后，論述了本課題的研究?jī)?nèi)容及研究意義。
　　第二章，以一種具有高頻響、魯棒性潛力的雙電磁鐵比例閥(HDPSV)作為研究對(duì)象，提出了其比例電磁鐵非線性電流-力增益的改進(jìn)型雙曲正切函數(shù)描述;重構(gòu)了液動(dòng)力的動(dòng)力學(xué)模型;針對(duì)雙比例電磁鐵執(zhí)行器的協(xié)調(diào)控制提出了增量差分控制任務(wù)分配策略。最終將以上技術(shù)與能夠同時(shí)應(yīng)對(duì)參數(shù)不確定性與不確定非線性的自適應(yīng)魯棒控制理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)了雙比例電磁鐵高

6、頻響閥的帶液動(dòng)力補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)魯棒控制器。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制器抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)參數(shù)不確定表現(xiàn)出魯棒性，還能很好地補(bǔ)償液動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了 HDPSV高精度、快響應(yīng)的控制性能。
　　第三章，建立了強(qiáng)力旋壓機(jī)旋輪橫、縱電液驅(qū)動(dòng)軸的非線性動(dòng)力學(xué)模型，該模型包含了旋壓力模型的通用形式，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體工藝調(diào)整其函數(shù)表達(dá)式。為應(yīng)對(duì)其中縱向電液軸受到的大慣量重力負(fù)載，提出了基于溢流閥與減壓閥的液壓重力平衡原理以改善電液軸控制性能的對(duì)

7、稱性，并將平衡力與重力的偏差等效為粘滯阻力建模。為改進(jìn)壓力動(dòng)態(tài)的前饋補(bǔ)償，提出基于穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的期望壓力分配策略將基于能量觀點(diǎn)的液壓無源性理論與自適應(yīng)魯棒控制理論相融合，從而綜合了液壓直線軸控制器。為了補(bǔ)充該控制器的自適應(yīng)機(jī)制，本論文還構(gòu)建了一種基于最速反饋的狀態(tài)觀測(cè)器與之相結(jié)合。經(jīng)實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證，所提出的基于狀態(tài)觀測(cè)器與液壓無源性的非線性自適應(yīng)魯棒控制(SPARC)方法具有模型補(bǔ)償能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高的特點(diǎn)。
　　第四

8、章，針對(duì)強(qiáng)力旋壓機(jī)旋輪具有三階動(dòng)力學(xué)特性的電液二軸控制系統(tǒng)，將所提出的SPARC控制方法與基于全局任務(wù)坐標(biāo)系的輪廓運(yùn)動(dòng)控制理論相結(jié)合，形成了基于全局任務(wù)坐標(biāo)系的SPARC輪廓運(yùn)動(dòng)控制方法(GTC-SPARCC)。該控制方法兼具二者的優(yōu)勢(shì)，不僅具備了輪廓控制與跟蹤控制的強(qiáng)協(xié)調(diào)能力，而且繼承了SPARC控制電液軸的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)成了其對(duì)于強(qiáng)力旋壓機(jī)旋輪高精度輪廓控制的內(nèi)核。最后，本章通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的有效性。
　　第五章，在綜

9、合第二章至第四章研究成果的基礎(chǔ)上，為改善多旋輪、分體式強(qiáng)力旋壓機(jī)的受力狀況與旋制工件的質(zhì)量，總結(jié)了旋輪在實(shí)際旋壓工藝中的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)則以及符合實(shí)際情況的假設(shè)，基于此提出了旋壓機(jī)的多個(gè)旋輪電液軸系之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制策略。協(xié)同策略將所有旋輪的運(yùn)動(dòng)軸系所在平面以工件軸線為中心線旋轉(zhuǎn)投影到同一平面上，以旋輪接觸工件的終端與期望軌跡點(diǎn)之間的路程距離為依據(jù)對(duì)旋輪進(jìn)行排序，再根據(jù)每一旋輪終端點(diǎn)輪廓誤差的符號(hào)與絕對(duì)值為其規(guī)劃跟蹤目標(biāo)，以期縮小旋輪之間的位置偏