用於複合材料壓機的力矩調平控制方法及調平裝置與流程
2023-06-01 20:13:16
本發明涉及一種被動式力矩調平控制方法，特別涉及用於複合材料壓機的力矩調平控制方法及調平裝置。
背景技術：
複合材料壓機是製造新型複合材料製品的重要裝備之一，其優點在於自動化程度強、工藝技術簡單、成型精度高、成型質量好、可實現一次成型以及可連續壓制，而廣泛地應用於飛機、航天、潛艇、汽車等高新技術領域。然而液壓機壓製成型的過程中，由於主缸與回程缸的壓力分布不均、複合材料製品的形狀和溫度的差別，導致系統具有較強的偏載特性，如不平衡上述原因所導致的偏載，將使得滑塊發生傾斜，從而影響複合材料製品的精度甚至損壞模具。
為保證製品精度以及保護模具，考慮到主缸、回程缸以及複合材料所造成的傾覆力矩對整個壓機系統的影響，目前最常用的手段是設計四角調平系統以平衡傾覆力矩。其設計和改進由以下兩方面構成：一方面為液壓系統方面，另一方面為控制算法方面。(1)液壓系統方面：通過主動式調平或者被動式調平來實現滑塊的快速水平控制(參考專利200910070144.3、201010243672.7、201110183255.2)；(2)算法優化方面:採用不同的控制策略進行同步位置控制(參考專利200910190950.4、201110182802.5、201210374508.9)；或採用mimo隨動模糊控制方法與面調平方法相結合，實現多點解耦自動調平(參考專利200810055292.3)；或採用調平調速雙閉環的控制算法實現高精度控制(參考專利201110278650.9)。現有專利設計有助於平衡系統的偏載特性的應用要求，但仍存在以下一些不足，主要表現為：
(1)現有的液壓系統方面，主動式調平方式，雖然消耗的能量小，但是其安裝較為複雜，且在高速調平的過程中，控制較難。被動式調平系統雖然安裝簡單，但是對滑塊的運動有阻礙的作用，使得系統的調平效率不高。
(2)現有的調平控制方法，大部分控制策略是採用以四個調平液壓缸的位移的平均值為虛擬軸，四個調平液壓缸跟隨其虛擬軸，以實現四個調平液壓缸對滑塊進行調平，雖然能夠進行自動調平，但是無法得到準確的調平輸出力，其響應速度和調平效率較難滿足快速調平的要求。
(3)在算法改進上，現有的調平控制方法多通過各個調平液壓缸跟蹤虛擬軸的同步位置pid控制算法進行調平控制。由於系統具有多輸入多輸出系統、耦合系統、過驅動系統特性，導致pid控制器的控制參數調節困難，且難以保證在快速調平工況下具有高精度的要求。對於一些改進的算法，雖然在控制器設計上考慮了系統特性，能夠滿足系統的調平要求，但是控制算法複雜，將其算法應用於工程實踐中較難。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，本發明提供用於複合材料壓機的力矩調平控制方法及調平裝置，以解決在高速調平系統中存在調平效率低，調平精度不高及抗幹擾能力不強等問題。同時在壓機快速壓制過程中，通過設計基於雙曲正割函數改進趨近律的最優滑模控制算法，以獲得最優的目標輸出調平力作用於滑塊上，使滑塊儘可能快速穩定的實現水平控制，改善在調平過程中，調平系統對主缸有較大的衝擊與振動，提高系統的穩定性及調平精度。
本發明的技術方案如下：
用於複合材料壓機的力矩調平控制方法，在滑塊四角下方分別豎直設置調平液壓缸；包括以下依序進行的步驟：
步驟1：調平開始時，分別採集四個調平液壓缸的位移值；
步驟2：將位移信號進行處理得到對角調平液壓缸的位移差和速度差；
步驟3：將步驟2中的位移差和速度差作為滑模變結構控制算法的輸入，獲得對角調平液壓缸的目標調平力之差；
步驟4：根據最優力分配算法，分別獲得四個調平液壓缸的目標輸出力；
步驟5：重複步驟2到步驟4的過程，通過對滑塊進行m次的調整，直至達到水平精度的要求。
其中，在步驟1之前首先創設一虛擬軸，所述虛擬軸為四個調平液壓缸位移的平均值；四個調平液壓缸分別跟蹤所述虛擬軸。
其中，在步驟5中設置一判斷程序，即各個調平液壓缸與所述虛擬軸的位移之差在一定範圍以內時，則自動調平結束。
其中，在所述步驟3中，通過滑塊的力矩平衡方程、四個調平液壓缸之間的幾何關係以及運動學方程建立滑塊的數學模型並將其轉換為狀態空間方程，再結合虛擬軸，設計所述滑模變結構控制算法。
其中，所述滑模變結構控制系統的設計包括滑模面的設計和滑模變結構控制律的設計。
其中，最優滑模面為s1＝x1+a·x3、s2＝x2+b·x4，其中，a、b的取值決定了s1和s2的收斂速率；
s1：滑模面1；
s2：滑模面2；
a：滑模面1的收斂係數；
b：滑模面1的收斂係數；
x1：第一調平液壓缸與第三調平液壓缸的位移差；
x2：第二調平液壓缸與第四調平液壓缸的位移差；
x3：第一調平液壓缸與第三調平液壓缸的速度差；
x4：第二調平液壓缸與第四調平液壓缸的速度差。
其中，所述滑模變結構控制律的改進趨近律為其中，k1、k2的取值決定趨近滑模面的程度；
k1：趨近律係數；k2：趨近律係數；s(t)：滑模面。
其中，步驟4所述的最優力分配算法的過程為：對角調平液壓缸的目標調平輸出力之中，始終有一個目標調平輸出力為d，較小目標輸出力的調平液壓缸的目標調平輸出力d，較大目標輸出力的調平液壓缸的目標調平輸出力為d與該對角調平液壓缸的目標輸出調平力之差的和。
其中，在步驟1之前判斷滑塊是否達到調平位，如果沒有到達調平開始位，四個調平液壓缸與滑塊一起作位置閉環控制；直到滑塊到達調平位置時，四個調平液壓缸通過輸出不同的調平力作調平控制。
其中，四個調平液壓缸跟蹤虛擬軸的方式為使四個調平液壓缸與虛擬軸位移的方差趨小，即對角調平液壓缸的位移差快速收斂到零。
本發明具有如下有益效果：
1、本發明採用基於雙曲正割函數改進趨近律的滑模變結構控制方法對滑塊進行水平控制，有效避免了調平控制中，調平系統對滑塊運動具有較大的衝擊與振動，同時提高系統的響應速度及調平精度。滑模變結構控制系統設計過程首先基於滑塊系統建立數學模型並轉換為狀態空間方程。對多輸入多輸出系統進行解耦矩陣變換，從而得到解耦模型，然後結合最優控制進行最優滑模面的設計，使得系統對參數攝動及系統幹擾具有良好的抑制作用，同時改進傳統趨近律，設計基於雙曲正割函數改進的趨近律，能削弱系統抖振，增強了算法的適應性，能夠以較快的響應速度對滑塊進行水平控制以及能對未知幹擾以及參數攝動具有較好的抑制作用，提高了系統的魯棒性。
2、本發明採用以各個調平液壓缸的位移差和速度差為控制器輸入的方式，有效的避免了直接通過傾角傳感器測量滑塊繞x軸的傾角和繞y軸的傾角，簡化了安裝傾角傳感器的機械結構。以各對角液壓缸的調平輸出力之差作用於滑塊上，從而使得滑塊進行水平控制，有效的避免了各個調平液壓缸輸出調平力的穩態誤差對滑塊水平控制的影響。特別涉及到在高速調平的過程中，調平液壓缸壓力控制由於其系統的死區、滯環、洩漏等特性的影響，導致其無法實現精確的壓力閉環控制，如果對角缸同時存在相同的穩態誤差，其實際的控制輸入沒有改變，仍能到達較高的調平精度，提高了系統適應性。
3、本發明採用四個調平液壓缸的壓力控制的方法，壓力控制響應速度快，從而提高了系統的響應速度。同時，通過力矩調平的方法結合最優力分配原則，不僅有效的解決了四角調平的過驅動問題，而且能優化出各個調平液壓缸的目標輸出調平力，進而避免了系統較大的衝擊與振動，提高了壓機的使用壽命。
附圖說明
圖1為本發明調平裝置的示意圖；
圖2為本發明滑模變結構控制系統設計方法示意圖；
圖3本發明用於複合材料壓機的力矩調平控制方法的運行流程圖；
圖4為本發明控制器和各傳感器的示意圖。
圖中附圖標記表示為：
1-主缸，11-第一位移傳感器、2-滑塊，3-回程缸、31-第一壓力傳感器、41-第二位移傳感器、42-第二壓力傳感器、5-控制器、51-數據採集模塊、52-數據處理模塊、521-數據存儲模塊、522-比較模塊、523-計算模塊、53-數據輸出模塊、54-調控模塊、6-第一調平液壓缸，7-第二調平液壓缸，8-第三調平液壓缸，9-第四調平液壓缸。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例來對本發明進行詳細的說明。
圖1和圖4表徵一種複合材料壓機調平裝置，包括從上到下依次設置的主缸1、用於安裝模具的滑塊2、回程缸3以及控制器5；所述主缸1的液壓杆固定在滑塊2的上端面，所述回程缸3的液壓杆固定在滑塊2的下端面；所述滑塊2下方四角還分別設置有調平液壓缸；所述調平機構還包括採集主缸1位移信號的第一位移傳感器11、採集回程缸3壓力信號的第一壓力傳感器31以及採集調平液壓缸位移信號的第二位移傳感器41；所述控制器5包括依次電信號連接的數據採集模塊51、數據處理模塊52、數據輸出模塊53以及調控模塊54；第一位移傳感器11、第一壓力傳感器31和第二位移傳感器41的信號經數據採集模塊51採集後傳輸至數據處理模塊52處理獲得調平液壓缸的目標輸出力，目標輸出力信號經數據輸出模塊53傳輸至調控模塊54；調控模塊54根據目標輸出力調節調平液壓缸的輸出力。
其中，所述數據處理模塊52包括數據存儲模塊521、與滑塊2的狀態空間方程進行比較的比較模塊522和計算調平液壓缸輸出調平力的計算模塊523。
其中，所述調平液壓缸為雙作用單出杆腔式液壓缸。
其中，所述調平液壓缸分別由一油泵(圖中未示出)供油，所述調平液壓缸內設置有第二壓力傳感器42；所述第二壓力傳感器42與數據採集模塊51電信號連接。
具體流程圖如下：
步驟1：控制器5依據第一位移傳感器11和第一壓力傳感器31的信號調節主缸1和回程缸3的壓力，通過判斷滑塊2是否達到調平位，如果沒有到達調平開始位，第一調平液壓缸6、第二調平液壓缸7、第三調平液壓缸8、第四調平液壓缸9與滑塊一起作位置閉環控制。當滑塊2到達調平位置時，四個調平液壓缸通過輸出不同的調平力作調平控制。
步驟2：當滑塊到達調平位置時，系統會通過比較模塊522比較判斷各調平液壓缸的調平精度是否滿足要求，如果調平精度滿足要求，即四個調平液壓缸中各個調平液壓缸與虛擬軸的位移之差在cmm以內，四角調平控制系統則會保持原來的調平輸出力繼續跟主缸往下一起做精確的位置閉環控制。如果調平精度不能滿足要求，四角調平控制系統通過第二位移傳感器41採集四個調平液壓缸的位移信號輸入計算模塊523計算。
步驟3：計算模塊523的計算過程如下；通過位移對時間求導計算得到四個調平液壓缸的瞬時速度，通過程序處理得到各對角缸的位移差和速度差，即第一調平液壓缸6與第三調平液壓缸8的位移差x1和速度差x3、第二調平液壓缸7與第四調平液壓缸9的位移差x2和速度差x4；得到各對角調平液壓缸的位移差和速度差作為滑模變結構控制算法的輸入，計算可得到所需各對角調平液壓缸的目標調平輸出力之差，即第一調平液壓缸6目標調平輸出力與第三調平液壓缸8目標調平輸出力之差u1，第二調平液壓缸7目標調平輸出力與第四調平液壓缸9目標調平輸出力之差u2。
步驟4：由步驟3所得各對角調平液壓缸的目標調平輸出力之差，由四缸調平力分配算法可得各個調平液壓缸的目標調平輸出力，即第一調平液壓缸6目標調平輸出力f1、第二調平液壓缸7目標調平輸出力f2、第三調平液壓缸8目標調平輸出力f3、第四調平液壓缸9目標調平輸出力f4，將其作用於滑塊2的水平控制中，以提高調平過程的平穩性及響應速度。
步驟5：判斷是否達到調平結束位，如果沒有到達，重複步驟2到步驟4的過程。反之，調平結束。
圖2表徵一種多輸入多輸出的被動式調平系統的滑模變結構控制系統設計方法。
具體設計方法如下：
步驟1：首先對滑塊進行數學建模，分別為與x軸和y軸的傾角；f1、f2、f3、f4分別為四個調平液壓缸的目標輸出調平力；jx、jy分別為滑塊繞x軸和y軸的轉動慣量；fp為未知偏載力；四個調平液壓缸距離x軸的距離為lx；距離y軸的距離ly；偏載力到x軸的距離為rx；偏載力到y軸的距離為ry。跟據剛體的定軸轉動規律可得：
根據四個調平液壓缸的幾何關係可得:
聯立式(1)和式(2)可以消去和可用四個調平液壓缸的速度和位移去描述滑塊繞x軸和y軸的傾角誤差。結合運動學方程可得：
yi分別為第i號調平液壓缸的位移；vi分別為第i號調平液壓缸的速度；
聯立(1)式、(2)式和(3)式聯立可得其數學模型，並將其轉化為以對角調平液壓缸的位移差和速度差為狀態變量，以對角調平液壓缸目標調平輸出力之差為輸出的狀態空間方程；
步驟2：基於步驟1所設計的狀態空間方程，設計滑模變結構控制算法。滑模變結構控制系統的設計分為兩部分：一部分為滑模面的設計，另一部分為滑模變結構控制律的設計。具體的設計過程如下：
步驟1：由於系統具有多輸入多輸出的系統特性，首先需要對狀態空間方程進行解耦運算，即矩陣變換，得到相應的解耦模型。基於解耦的模型，結合最優控制原理設計最優滑模面，使所確定的滑動模態漸進穩定且具有良好的動態品質。所設計的最優滑模面為s1＝x1+a·x3、s2＝x2+b·x4，其中，a、b的取值決定了s1和s2的收斂速率；
s1：滑模面1；
s2：滑模面2；
a：滑模面1的收斂係數；
b：滑模面1的收斂係數；
x1：第一調平液壓缸與第三調平液壓缸的位移差；
x2：第二調平液壓缸與第四調平液壓缸的位移差；
x3：第一調平液壓缸與第三調平液壓缸的速度差；
x4：第二調平液壓缸與第四調平液壓缸的速度差。
步驟2：設計了相應的最優滑模面後，需要設計滑模變結構控制算法的控制律，即如何選擇滑動模態控制律u+和u-，使到達條件得到滿足，從而在切換面上形成滑動模態區。為保證系統狀態能以較好的運動狀態趨向滑動模態切換面，設計了基於雙曲正割函數改進趨近律的滑模變結構控制規律。改進的趨近律為其中，k1、k2的取值決定趨近滑模面的程度；
k1：趨近律係數；k2：趨近律係數；s(t)：滑模面。
步驟3：針對步驟2所設計的基於雙曲正割函數改進趨近律的滑模控制算法，根據四個調平液壓缸的位移差和速度差作為控制器輸入，即x1＝y1-y3，x2＝y2-y4，x3＝v1-v3,x4＝v2-v4，得到第一調平液壓缸6與第三調平液壓缸8的輸出目標調平力之差u1和第二調平液壓缸7與第四調平液壓缸9的目標輸出調平力之差u2，即u1＝f1-f3、u2＝f2-f4。
步驟4：由步驟3可知，第一調平液壓缸6調平輸出力與第三調平液壓缸8調平輸出力之差u1，第二調平液壓缸7調平輸出力與第四調平液壓缸9目標調平輸出力之差u2。通過最優分配算法，第一調平液壓缸6和第三調平液壓缸8的目標調平輸出力之中，始終有一個目標調平輸出力為dkn，其對角調平液壓缸目標調平輸出力是通過所設計的控制器輸出u1的正負判斷，如果為正，則第三液壓缸8的目標調平輸出力f3＝dkn，第一調平液壓缸6的目標調平輸出力f1＝f3+u1，反之，則第一液壓缸6給目標調平輸出力f1＝dkn，第三調平液壓缸6的目標調平輸出力f3＝f1-u1；第二調平液壓缸7和第四調平液壓缸9的目標調平輸出力之中，始終有一個目標調平力為dkn，其對角調平液壓缸目標調平輸出力是通過所設計的控制器輸出u2的正負判斷，如果為正，則第四液壓缸9給目標調平輸出力f4＝dkn，第二調平液壓缸7的目標調平輸出力f2＝f4+u1，反之，則第二液壓缸7給目標調平輸出力f2＝dkn，第四調平液壓缸9的目標調平輸出力f4＝f2-u2。將四個調平液壓缸的目標調平力f1、f2、f3、f4作用於滑塊上，實現滑塊的水平控制。
圖3示意性的表徵了用於複合材料壓機的力矩調平控制方法的運行流程圖。
具體流程圖如下：
步驟1：首先通過判斷滑塊2是否達到調平位，如果沒有到達調平開始位，第一調平液壓缸6、第二調平液壓缸7、第三調平液壓缸8、第四調平液壓缸9與滑塊一起作位置閉環控制。當滑塊2到達調平位置時，四個調平液壓缸通過輸出不同的調平力作調平控制。
步驟2：當滑塊到達調平位置時，系統會判斷各調平液壓缸的調平精度是否滿足要求，如果調平精度滿足要求，即四個調平液壓缸中各個調平液壓缸與虛擬軸的位移之差在cmm以內，四角調平控制系統則會保持原來的調平輸出力繼續跟主缸往下一起做精確的位置閉環控制。如果調平精度不能滿足要求，四角調平控制系統通過位移傳感器採集四個調平液壓缸的位移信號，並通過位移對時間求導計算得到四個調平液壓缸的瞬時速度，通過程序處理得到各對角缸的位移差和速度差，即第一調平液壓缸6與第三調平液壓缸8的位移差x1和速度差x3、第二調平液壓缸7與第四調平液壓缸9的位移差x2和速度差x4。
步驟3：得到各對角調平液壓缸的位移差和速度差作為滑模變結構控制算法的輸入，計算可得到所需各對角調平液壓缸的目標調平輸出力之差，即第一調平液壓缸6目標調平輸出力與第三調平液壓缸8目標調平輸出力之差u1，第二調平液壓缸7目標調平輸出力與第四調平液壓缸9目標調平輸出力之差u2。
步驟4：由步驟3所得各對角調平液壓缸的目標調平輸出力之差，由四缸調平力分配算法可得各個調平液壓缸的目標調平輸出力，即第一調平液壓缸6目標調平輸出力f1、第二調平液壓缸7目標調平輸出力f2、第三調平液壓缸8目標調平輸出力f3、第四調平液壓缸9目標調平輸出力f4，將其作用於滑塊2的水平控制中，以提高調平過程的平穩性及響應速度。
步驟5：判斷是否達到調平結束位，如果沒有到達，重複步驟2到步驟4的過程。反之，調平結束。
以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。