大型強力旋壓機電液控制系統(tǒng)研究.pdf

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

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

3、和必要性。
　　本論文結(jié)合數(shù)學建模、控制理論、實驗研究和仿真分析等手段，以3旋輪、分體式大型強力旋壓機為代表性研究對象，充分考慮強力旋壓機電液系統(tǒng)的動力學特性，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)于強力旋壓機電液控制系統(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力補償?shù)淖赃m應魯棒控制技術(shù);強力旋壓機電液直線軸的基于狀態(tài)觀測器與液壓無源性理論的自適應魯棒運動控制技術(shù)(SPARC);基于SPARC與正

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

5、題;繼而詳細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內(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)作為研究對象，提出了其比例電磁鐵非線性電流-力增益的改進型雙曲正切函數(shù)描述;重構(gòu)了液動力的動力學模型;針對雙比例電磁鐵執(zhí)行器的協(xié)調(diào)控制提出了增量差分控制任務分配策略。最終將以上技術(shù)與能夠同時應對參數(shù)不確定性與不確定非線性的自適應魯棒控制理論相結(jié)合，設計了雙比例電磁鐵高

6、頻響閥的帶液動力補償?shù)淖赃m應魯棒控制器。仿真與實驗結(jié)果表明，所設計的控制器抗干擾能力強，對參數(shù)不確定表現(xiàn)出魯棒性，還能很好地補償液動力，實現(xiàn)了 HDPSV高精度、快響應的控制性能。
　　第三章，建立了強力旋壓機旋輪橫、縱電液驅(qū)動軸的非線性動力學模型，該模型包含了旋壓力模型的通用形式，實際應用中可根據(jù)具體工藝調(diào)整其函數(shù)表達式。為應對其中縱向電液軸受到的大慣量重力負載，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

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

8、章，針對強力旋壓機旋輪具有三階動力學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坐標系的輪廓運動控制理論相結(jié)合，形成了基于全局任務坐標系的SPARC輪廓運動控制方法(GTC-SPARCC)。該控制方法兼具二者的優(yōu)勢，不僅具備了輪廓控制與跟蹤控制的強協(xié)調(diào)能力，而且繼承了SPARC控制電液軸的優(yōu)勢，構(gòu)成了其對于強力旋壓機旋輪高精度輪廓控制的內(nèi)核。最后，本章通過仿真與實驗驗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上，為改善多旋輪、分體式強力旋壓機的受力狀況與旋制工件的質(zhì)量，總結(jié)了旋輪在實際旋壓工藝中的運動準則以及符合實際情況的假設，基于此提出了旋壓機的多個旋輪電液軸系之間的協(xié)同運動控制策略。協(xié)同策略將所有旋輪的運動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之間的路程距離為依據(jù)對旋輪進行排序，再根據(jù)每一旋輪終端點輪廓誤差的符號與絕對值為其規(guī)劃跟蹤目標，以期縮小旋輪之間的位置偏