倒棱机床电液伺服系统的设计与研究

摘要：时桌倒棱机床电液伺服PID控制系统的设计步骤作了详细介绍，并通过仿真时PID控制、模糊控制、模糊控制+PID控制系统的三者性能作了对比性研究。关键词：倒棱机床；电液伺服系统；PID控制；模糊控制 某钢厂钢管倒棱及去毛刺工序要求自动化程度高，承载能力强，系统刚性好（加重载不让刀），经反复方案比较选用了电液伺服系统作为机床的进给驱动机构。1 液压及电气基本参数的计算 该系统为一典型的阀控缸系统，已知工况条件： 1）空载时液压缸及刀架等负载的重量为2 t，即M[sub]1[/sub]=2000kg； 2）切削力均为15 kN左右，仿真时取20 kN。 考虑工况存在波动等因素，在仿直时模拟负载设为 F=20000+50sin（50t） （N）1．1 液压参数确定 1）液压缸为T型结构，工作时行程（快进+粗进给+精进给）≈ 83mm 1．2 电气参数确定 1）每伏电压指令对应位移K=198（V／m） 2）阀额定电流60 mA．故PID控制器输出限幅取±60mA2 电液伺服系统的传递函数 得到电液伺服系统的方框图（见图1）。 4）电液伺服系统的开环传递函数是： 由此可得到BODE图（见图2），且可以看出由于加入PID控制器，使原系统开环传递函数积分环节由一阶变为二阶，这样就提高了稳态精度，使系统对位置指令无静态误差。[align=center] 图2 开环系统BODE图[/align] 根据幅度及相角稳定储备定义，从图2上可得，幅度裕量G[sub]m[/sub]=18.4 dB，相角裕量P[sub]m[/sub]=36.3[sup]o[/sup]，因此系统具有较好的稳定裕量，具备一定的抗干扰能力和鲁棒性。3 输入指令模拟 图3给出指令输入系统设计框图，通过3个逻辑的开关切换，组合成输入指令系统，即当tt[sub]1[/sub]或t=t[sub]1[/sub]时输入指令是粗进给速度；当t>t[sub]2[/sub]时，输入指令是精进给速度；当t>t [sub]3[/sub]时，输入指令为零，使系统快退。4 PID控制的仿真 1）电液伺服系统的阶跃响应 图4是该系统在不同负载下的阶跃响应，L[sub]m[/sub]代表工作台的位移。图4a负载值F=20 kN， 图4b负载值F=10 kN，图4c的负载值从10 kN，突然增大至20kN．再增大至30 kN。可以看出在各种负载下均无超调．负载大时过渡时间略微拖长，负载变化时曲线无抖动，无后退，说明系统有足够的刚度。 2）加工不同管材时的情况 根据切削参数表，分别取2种不同材料的管材和几种典型的管径D，在系统负载20 kN下仿真计算，得到响应曲线（见图5）。5 电液伺服系统的模糊控制（Fc） 鉴于加工过程中切削力作非线性变化，当加工不同钢管时，负载及切削进给亦都要变化，所以PID控制的系数不可能总是处于最优状态。Fc鲁棒性强，不需数学模型，并且控制简单省时。下面采用了Fc算法进行仿真研究。 图6为FC-PID联合控制的方框图。通过开关切换，Fc可单独工作，亦可当误差e达到某一小值后自动切换成PID控制。经用前述方法大量PD仿真得到FC优化的控制如表1。表中NL、NM、iNS代表负大、负中、负小，ZO代表零，PS、PM、PL代表正小、正中、正大。 图7表示模糊控制的各隶属度函数， 图7a、b、c分别为误差e，误差变化率c和控制信号n的隶属度函数。误差e及输出控制信号“的模糊集隶属函数均匀地分布在论域上，而de～dr：c则作不均匀分布。为提高控制精度，误差小时，采用高分辩率。图8是采用上述模糊控制得到的电液伺服系统阶跃输入仿真曲线，为进行比较，图8b给出了PID控制仿真结果。 从图8可看出，模糊控制有小的超调，输出性能略差于PID控制结果，这是因为Fc分档较粗，工作不连续，控制精度低，而PID控制是连续控制，且处于优化系统下工作。6 模糊控制加PID控制 正如前述，FC有其缺点，特别是当在误差e已较小时，不连续控制不能使e降低到零。为此在Fc使e快速降到一很小值（可调整）后，图6上的系统自动切换到PID，使e被连续控制到零，以提高动态品质，提高系统工作精度。当切换值（门槛值）设为0．5时，其控制结果如图8c所示。与图8b相比较可看出，Fc+PID控制大致与PID单独控制的特性相同。但是虽然如此，当系统的参数及外负载有较大的变化时，PID控制就不能在原定的优化状态下工作，而FC+PID控制由于FC鲁棒性很强，所以仍然能得到好的控制结果。7 结论 1）经仿真分析，系统是稳定可靠的，稳定储备量符合规定； 2）PID优化参数为：比例K[sub]p[/sub] =0．46、积分K[sub]i[/sub]=0．006、微分K[sub]d[/sub]=0．0085。 当PID控制器选择以上参数时，空载时达到临界无超调，而常载时无超调，过渡过程时间比空载时略大，所以能确保系统在任何情况下均无超调，避免了快进转常载时对刀具形成冲击1 3）当刀具突然切人工件而加载时， 由图4c可知系统无后退现象，也无进给速度波动，说明系统有足够的刚度； 4）由仿真曲线可知，系统的快进速度约为140mm/s。因此本机床刀具切削参数表（略）中，小管径管材加工时的生产率可以提高，而切削参数表中大管径管材加工时的生产率基本合适； 5）在通常情况下，这类电液伺服系统采用PID控制即能得到好的动静态特性，但若在系统参数及外负载有较大变化的使用场合，采用FC加PID控制能得到更好的效果； 6）该倒棱机床巳在某钢厂调试成功后使用近2年，实际使用说明工作中无连续振动（稳定），加载时无退让（刚性好），卸载时无前冲（不打刀），故达到了设计要求。参考文献：[1] 王占林近代液压控制[M]．北京：机械工业出版社，1997．[2] 史维祥等．近代机电控制工程[M]．北京：机械工业出版社．1998．