重载锻造操作机夹钳旋转系统的模糊控制研究

论文摘要

作为制造大型锻件关键装备之一的重载锻造操作机,其夹钳旋转角位移控制精度,直接影响锻件的锻造精度和质量。为了获得足够大的扭矩,重载锻造操作机一般采用双液压马达驱动方式。由于双阀控液压马达通道的液压动力元件特性不一致,在刚性负载的连接下,导致两马达输出扭矩不一致,出现“偏载”现象。另外,由于液压系统存在死区、饱和、扰动等强非线性,且具有时变特性,夹钳旋转系统难以建立精确的数学模型。从而基于线性模型的PID控制器不能满足精确控制要求。由于模糊控制器不依赖精确的数学模型,且具有良好的稳定性,能够解决双液压马达驱动夹钳机构旋转时,存在的夹钳角位移控制精度不高和双液压马达“偏载”问题。因此本文以锻造操作机实验样机的夹钳旋转系统为研究对象,研究了模糊控制在保证夹钳角位移控制精度和双液压马达负载均衡控制中的应用。主要研究工作包括以下几个方面：(1)分析液压系统驱动夹钳旋转的结构和原理,建立了双通道的阀控液压马达系统的数学模型,介绍了夹钳旋转系统中的主要非线性因素死区和饱和,产生的原因、特点和影响。(2)针对操作机夹钳角位移定位精度不高和双液压马达负载均衡问题,提出一种模糊控制策略。基于模糊控制器,设计了控制角位移精度的模糊自适应控制器和控制双液压马达负载均衡的模糊控制器。(3)利用Lyapunov稳定性理论证明了夹钳旋转闭环控制系统是稳定的,通过仿真表明本文提出的模糊控制策略能够满足角位移精度控制和双马达的负载均衡控制。(4)针对实验台,构建了模糊控制系统,设计了“夹钳角位移控制”和“模糊控制策略”的实验方案,通过实验结果表明采用模糊自适应控制器能够保证夹钳角位移精度,且比PD控制器控制时,超调量小、稳态误差小；同时,采用模糊PD控制器的负载均衡控制策略,实现双液压马达的负载均衡控制,能够减小两液压马达轴的输出扭矩差,有效地抑制偏载现象。因此,本文提出的模糊控制策略是有效的。该控制策略有助于提高锻件的锻造质量和锻造操作机的整机性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 锻造操作机夹钳旋转系统的研究现状
• 1.2.1 锻造操作机及其夹钳旋转系统概述
• 1.2.2 液压系统控制研究现状
• 1.2.3 同步控制研究现状
• 1.3 模糊控制器研究现状介绍
• 1.3.1 模糊控制器的发展状况
• 1.3.2 模糊控制器的参数整定方法
• 1.4 负载均衡控制策略研究介绍
• 1.5 本文研究的意义
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第二章 锻造操作机夹钳旋转机构建模
• 2.1 概述
• 2.2 重载锻造操作机夹钳旋转系统概述
• 2.3 锻造操作机夹钳旋转机构驱动系统分析
• 2.3.1 单通道阀控马达的动力学模型
• 2.3.2 双通道阀控马达的动力学模型
• 2.3.3 电液比例阀的模型
• 2.4 夹钳旋转机构驱动系统非线性因素分析
• 2.4.1 非线性因素描述
• 2.4.2 死区现象
• 2.4.3 饱和现象
• 2.5 双液压马达驱动系统的模型参数计算
• 2.6 结论
• 第三章 夹钳旋转系统的模糊控制器设计
• 3.1 概述
• 3.2 夹钳旋转系统控制策略设计
• 3.2.1 夹钳旋转系统控制策略分析
• 3.2.2 常用的同步驱动控制策略
• 3.2.3 夹钳旋转系统控制策略
• 3.2.4 控制器选择
• 3.3 模糊控制器原理及模型
• 3.3.1 模糊控制器的结构原理
• 3.3.2 模糊控制器的PID控制特性
• 3.4 角位移控制器设计
• 3.4.1 模糊PD控制器
• 3.4.2 角位移控制器参数整定
• 3.5 负载均衡控制器设计
• 3.5.1 负载均衡控制器设计原理
• 3.5.2 负载均衡控制器
• 3.5.3 负载均衡控制器参数设计
• 3.6 结论
• 第四章 夹钳旋转控制系统的稳定性分析与仿真
• 4.1 概述
• 4.2 夹钳旋转控制系统的稳定性分析
• 4.2.1 Lyapunov稳定性理论
• 4.2.2 夹钳旋转控制系统的稳定性证明
• 4.3 夹钳角位移控制仿真
• 4.3.1 建立夹钳旋转系统的仿真框图
• 4.3.2 夹钳角位移仿真分析
• 4.4 模糊控制策略仿真
• 4.4.1 建立模糊控制策略仿真模型
• 4.4.2 模糊控制策略的仿真结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 夹钳旋转系统的控制实验
• 5.1 概述
• 5.2 夹钳旋转液压驱动平台的控制系统
• 5.3 夹钳旋转系统控制实验设计
• 5.3.1 实验控制系统硬件介绍
• 5.3.2 实验目的和方案设计
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 夹钳角位移控制实验与分析
• 5.4.2 驱动元件特性分析
• 5.4.3 模糊控制策略控制实验与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的主要研究成果