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模糊變機構控制在蛇型彎管機中的應用
閱讀：128 發布時間：2021-10-8 基于彎管機彎管工藝的要求，對控制系統采用速度與位置雙重控制策略；針對電液伺服系統非線性、慢時變的特性，在常規的變結構控制中引入模糊控制，有效地削弱滑模切換控制所產生的抖振，而不犧牲滑模控制系統對參數變化和外干擾不確定的強魯棒性，實現了系統快速、準確的定位要求。該控制策略在實踐中取得了良好的控制效果。
模糊滑模變結構控制最主要的優點是對內部參數的變動和外部擾動作用具有自適應性。它不需要知道系統的精確數學模型，只需了解系統的參數及外部擾動變化的大致范圍，就能較好地解決系統的動態與靜態特性之間的矛盾，解決復雜系統(包括線性和非線性系統)的鎮定和品質等問題，但是它的突出障礙是能夠激發高頻動態的抖振現象。而模糊邏輯對于參數攝動系統是一個可行的控制手段，通過歸納模糊規則，能夠很好地處理系統的嚴重攝動問題，特別是在模糊方案的參數調整過程中，由于有了明確的表達式，就相應地減輕了繁冗的計算負擔。筆者以左右回轉式頂鐓彎管機液壓系統為例，介紹了一種模糊滑模變結構控制器的設計方法，通過采用這種控制策略可以削弱系統的抖振，提高系統的性能指標，使系統對參數攝動和外界擾動等非線性具有更強的魯棒性。
小R、頂鐓和左右回轉式頂鐓彎管機采取帶有軸向頂鐓裝置的機械冷彎方式，由送料、夾緊和彎管3部分組成。送料是將管料從料架上翻人料槽中，由送料電機將管料送到擋管器處，再由直流伺服電機定長送料。在由液壓輔助控制部分控制的頂鐓夾夾緊、收緊夾收緊和彎管模閉合后，由彎曲缸帶動彎模旋轉彎管。在機械冷彎時，為了保證彎管的質量，采用頂鐓缸推動頂鐓夾使其給管料施加軸向推力，以滿足彎管和頂鐓的匹配要求，使管子在彎曲過程中受到軸向推力或拉力，以改變變形區的受力狀態。圖1為采用軸向帶有頂鐓裝置的機械冷彎機示意圖。為了實現頂鐓的作用，其軸向推進速度v2與彎曲模中管子的線速度v1。 必須滿足一定的關系，即v2-v1=v(θ),θ為管子的彎曲角度。
1 液壓伺服控制系統的工作要求根據頂鐓工藝中速度及位置伺服的要求，彎管機中用于實現彎曲及頂鐓技術的驅動系統采用各自獨立的液壓伺服控制系統，如圖2所示。彎曲油缸為一齒條油缸，齒條在油壓的作用下帶動齒輪轉動，從而使彎曲模旋轉實現管子的彎曲。頂鐓油缸為單活塞油缸，推動頂鐓夾裝置與彎曲缸運動相配合，實現頂鐓工藝參數的要求。
在彎曲過程中，彎曲缸與頂鐓缸是兩個給定速度參考值的速度伺服系統。同時為了滿足彎曲角度的要求，兩缸在彎管結束前又必須是位置伺服系統，以保證彎管的質量。
2 液壓伺服系統的模型
根據液壓伺服系統控制理論和伺服閥動態性能實測數據，伺服閥的頻寬遠大于液壓系統固有頻率，且不考慮系統外部泄露，液壓伺服系統的模型如下：
式中，Ap為液壓缸作用面積；m1為負載質量；Bp為粘性阻尼系數；F1為外負載力；x為活塞位移；ka為彈簧剛度；vt為油缸兩腔的總體積；ki為負載壓力；Ct為液壓缸內泄漏系數；ki為伺服閥增益，kv為伺服放大器增益；u為輸入電壓。
取狀態變量x1=x，x2=x，x3=x，得到系統狀態方程為：
由于伺服閥閥口的流量特性，系統呈現出很強的非線性特性。系統的流量系數、泄漏系數和放大器增益等參數具有明顯的不確定性，且隨著工作狀態、溫度等的變化而緩慢變化；需考慮彎管力與頂鐓力之間的耦合等。因此，系統參數a1、a2、a3、g和d均是不確定的，采用傳統的控制方法很難得到滿意的控制效果。
3 控制算法
3．1 速度和位移雙重控制原理
對工作油缸控制的基本要求是速度可調、精確定位，為此要求系統具有速度和位移雙重控制。如圖3所示，油缸的運動過程分為啟動速度控制階段和定位控制階段。為了實現這種速度和位置雙重控制，筆者采用如下變結構控制結構，即：
式中，．s(x)為速度位置控制切換函數；a的大小與管子的管徑、彎曲半徑、彎曲角度、壁厚和材質等因素有關，由實驗確定f(t)為速度調節器的輸出；L(t)為位置調節器的輸出。速度調節與位置調節的切換關系如圖4所示(一個運動方向)。其中，F1、F2和F3為速度的給定值。