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模糊變機(jī)構(gòu)控制在蛇型彎管機(jī)中的應(yīng)用
閱讀：142 發(fā)布時間：2021-10-8 基于彎管機(jī)彎管工藝的要求，對控制系統(tǒng)采用速度與位置雙重控制策略；針對電液伺服系統(tǒng)非線性、慢時變的特性，在常規(guī)的變結(jié)構(gòu)控制中引入模糊控制，有效地削弱滑模切換控制所產(chǎn)生的抖振，而不犧牲滑?？刂葡到y(tǒng)對參數(shù)變化和外干擾不確定的強魯棒性，實現(xiàn)了系統(tǒng)快速、準(zhǔn)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(jié)構(gòu)控制最主要的優(yōu)點是對內(nèi)部參數(shù)的變動和外部擾動作用具有自適應(yīng)性。它不需要知道系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，只需了解系統(tǒng)的參數(shù)及外部擾動變化的大致范圍，就能較好地解決系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)特性之間的矛盾，解決復(fù)雜系統(tǒng)(包括線性和非線性系統(tǒng))的鎮(zhèn)定和品質(zhì)等問題，但是它的突出障礙是能夠激發(fā)高頻動態(tài)的抖振現(xiàn)象。而模糊邏輯對于參數(shù)攝動系統(tǒng)是一個可行的控制手段，通過歸納模糊規(guī)則，能夠很好地處理系統(tǒng)的嚴(yán)重攝動問題，特別是在模糊方案的參數(shù)調(diào)整過程中，由于有了明確的表達(dá)式，就相應(yīng)地減輕了繁冗的計算負(fù)擔(dān)。筆者以左右回轉(zhuǎn)式頂鐓彎管機(jī)液壓系統(tǒng)為例，介紹了一種模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計方法，通過采用這種控制策略可以削弱系統(tǒng)的抖振，提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，使系統(tǒng)對參數(shù)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(zhuǎn)式頂鐓彎管機(jī)采取帶有軸向頂鐓裝置的機(jī)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(jī)將管料送到擋管器處，再由直流伺服電機(jī)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(zhuǎn)彎管。在機(jī)械冷彎時，為了保證彎管的質(zhì)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(qū)的受力狀態(tài)。圖1為采用軸向帶有頂鐓裝置的機(jī)械冷彎機(jī)示意圖。為了實現(xiàn)頂鐓的作用，其軸向推進(jìn)速度v2與彎曲模中管子的線速度v1。 必須滿足一定的關(guān)系，即v2-v1=v(θ),θ為管子的彎曲角度。
1 液壓伺服控制系統(tǒng)的工作要求根據(jù)頂鐓工藝中速度及位置伺服的要求，彎管機(jī)中用于實現(xiàn)彎曲及頂鐓技術(shù)的驅(qū)動系統(tǒng)采用各自獨立的液壓伺服控制系統(tǒng)，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(zhuǎn)動，從而使彎曲模旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)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(xiàn)頂鐓工藝參數(shù)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(tǒng)。同時為了滿足彎曲角度的要求，兩缸在彎管結(jié)束前又必須是位置伺服系統(tǒng)，以保證彎管的質(zhì)量。
2 液壓伺服系統(tǒng)的模型
根據(jù)液壓伺服系統(tǒng)控制理論和伺服閥動態(tài)性能實測數(shù)據(jù)，伺服閥的頻寬遠(yuǎn)大于液壓系統(tǒng)固有頻率，且不考慮系統(tǒng)外部泄露，液壓伺服系統(tǒng)的模型如下：
式中，Ap為液壓缸作用面積；m1為負(fù)載質(zhì)量；Bp為粘性阻尼系數(shù)；F1為外負(fù)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(fù)載壓力；Ct為液壓缸內(nèi)泄漏系數(shù)；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(tài)變量x1=x，x2=x，x3=x，得到系統(tǒng)狀態(tài)方程為：
由于伺服閥閥口的流量特性，系統(tǒng)呈現(xiàn)出很強的非線性特性。系統(tǒng)的流量系數(shù)、泄漏系數(shù)和放大器增益等參數(shù)具有明顯的不確定性，且隨著工作狀態(tài)、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(tǒng)參數(shù)a1、a2、a3、g和d均是不確定的，采用傳統(tǒng)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(diào)、精確定位，為此要求系統(tǒng)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(xiàn)這種速度和位置雙重控制，筆者采用如下變結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)，即：
式中，．s(x)為速度位置控制切換函數(shù)；a的大小與管子的管徑、彎曲半徑、彎曲角度、壁厚和材質(zhì)等因素有關(guān)，由實驗確定f(t)為速度調(diào)節(jié)器的輸出；L(t)為位置調(diào)節(jié)器的輸出。速度調(diào)節(jié)與位置調(diào)節(jié)的切換關(guān)系如圖4所示(一個運動方向)。其中，F(xiàn)1、F2和F3為速度的給定值。