基于積分滑模的壓機液壓緩沖墊負載力控制

葉偉

(太重集團榆次液壓工業(yè)有限公司技術中心，山西晉中 030600)

基于積分滑模的壓機液壓緩沖墊負載力控制

葉偉

(太重集團榆次液壓工業(yè)有限公司技術中心，山西晉中 030600)

針對壓機液壓緩沖墊負載力控制問題，提出一種基于積分滑模的魯棒控制策略。該方法利用滑模控制魯棒性強的優(yōu)點，實現(xiàn)了緩沖液壓墊負載力的精確跟蹤控制，并且對系統(tǒng)中的參數(shù)不確定性和外部干擾具有較好的抑制作用。理論分析與仿真結果對比驗證了該控制算法的有效性。

壓機;緩沖液壓墊;負載力;魯棒

0 前言

近年來，隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，大型沖壓機作為生產大型汽車覆蓋件必不可少的拉深設備，對汽車覆蓋件尺寸形狀精度、表面質量及加工效率的要求越來越高［1］。傳統(tǒng)拉深工藝中原有的恒力、彈簧式緩沖方式，越來越無法滿足生產實際的需求，數(shù)控液壓墊緩沖技術作為一種新型的發(fā)展方向，逐漸成為機械壓力機的重要組成部分，對提高拉伸質量，滿足復雜工件不同拉延要求，延長設備使用壽命，提高設備利用率有重大貢獻，已成為各國學者研究、關注的焦點［1］。

若薄板沖壓過程中，緩沖力過小，則無法有效控制材料流動，板料容易起皺;壓邊力過大，雖可避免起皺，但材料拉破可能性會明顯增加，同時模具和材料的表面受損可能性也相應增大，從而影響模具壽命和板料拉伸成型的質量［2］。因此變緩沖力控制在實際中得到廣泛應用，即在薄板沖壓過程中，在不同位置施加不同的緩沖力。采用這種變緩沖力控制技術不僅可以提高薄板成形性能，減少和消除成形過程中起皺和破裂，而且能提高沖壓件的精度和穩(wěn)定性［3－4］。因此，緩沖液壓缸的力控制是數(shù)控液壓墊的一項關鍵技術，力控制性能的優(yōu)劣直接影響沖壓件的成形品質［5］，必須進行深入的研究。

對于緩沖液壓缸力控制這樣一個復雜的、動態(tài)耦合、具有時變的非線性系統(tǒng)，存在緩沖缸運動速度和緩沖力之間的耦合、伺服閥流量與壓差關系非線性、油液彈性模量的變化，液壓缸泄漏系數(shù)的變化，泵源壓力的波動等不確定性因素［6－7］，這些客觀存在的實際情況使得控制系統(tǒng)性能變差，以致常規(guī)的反饋控制技術不能滿足控制要求。為解決上述問題，本文作者提出了一種基于積分滑模的緩沖液壓缸力控制策略，所設計的算法中，通過積分滑模對系統(tǒng)干擾進行觀測，用于減小系統(tǒng)不確定性對力控制性能的影響并通過動態(tài)仿真來分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。理論與仿真結果表明，所提出的算法能夠在各種干擾和不確定下獲得精確的力控制性能，對大型沖壓機設備性能的提高具有重要意義。

1 系統(tǒng)數(shù)學模型和問題描述

典型緩沖液壓缸原理如圖1所示。

圖1 緩沖液壓缸工作原理圖

忽略液壓缸內外泄漏，緩沖液壓缸兩腔壓力動態(tài)為［8］:

式中:p1和p2分別為緩沖液壓缸無桿腔壓力和有桿腔壓力，A1和A2分別為緩沖液壓缸無桿腔和有桿腔面積，xp為緩沖液壓缸位移，V01和V02為緩沖液壓缸無桿腔和有桿腔的初始容積，βe為油液體積彈性模量，Q1為流入液壓缸無桿腔流量，Q2為流出液壓缸有桿腔流量，d1和d2分別為兩腔壓力動態(tài)中的集中干擾項，由系統(tǒng)中參數(shù)不確定性和外部干擾引起。

式中:kq1、kq2為伺服閥流量系數(shù)，xv為伺服閥閥芯位移，ps為泵源壓力，pt為回油箱壓力。

忽略伺服閥的閥芯動態(tài)，將伺服閥閥芯位移與輸入信號u的關系簡化為線性關系，可得:xv=kxu。

y為緩沖液壓缸輸出負載壓力pL，α為緩沖液壓缸面積比。

由式(4)得緩沖液壓缸輸出負載壓力pL動態(tài)為:

由系統(tǒng)狀態(tài)方程 (4)可以看出，該電液控制系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，且由于系統(tǒng)溫度、工作環(huán)境的不同，系統(tǒng)中參數(shù)存在不確定性，因此本文控制目標可歸納為:

針對緩沖液壓缸電液伺服系統(tǒng)，在存在參數(shù)不確定性和外部干擾的情況下，設計一種控制算法，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，使緩沖缸負載壓力y精確的跟隨壓力指令yd。

2 算法設計

定義緩沖液壓缸負載壓力跟蹤誤差為y～=y－yd，取:

3 仿真結果及分析

首先在恒定上模壓下速度30 mm/s下進行緩沖力閉環(huán)控制性能仿真，并與PID控制效果進行對比，仿真結果如圖2、圖3所示。由圖3可以看出，文中的積分滑?？刂扑惴ㄝ敵稣`差的絕對值小于PID控制結果，具有較好的動態(tài)性能。

圖2 兩種算法響應曲線對比

圖3 兩種算法響應誤差對比

為了驗證控制器克服系統(tǒng)不確定性的能力，上模壓下速度取設為變量，如圖4所示，跟蹤誤差仿真結果如圖5所示。采用文中的積分滑模算法時，得到了較好的控制效果，輸出誤差絕對值小于0.6 MPa;當采用PID控制策略時，跟蹤誤差明顯增加，最大誤差絕對值超過1.5 MPa，這表明干擾對系統(tǒng)控制性能有較大的影響，而采用文中的控制方法能夠有效地克服這種影響。

圖4 速度干擾曲線

圖5 兩種算法響應誤差對比

4 結論

提出一種基于積分滑模的緩沖液壓缸輸出力控制策略，用于對存在外界干擾與參數(shù)不確定性的緩沖液壓缸輸出力控制，給出了滑模面及控制律的設計方法。仿真結果表明:該控制方法可取得良好的控制性能，具有較強的魯棒特性，能夠很好地克服不確定參數(shù)以及由外部干擾對系統(tǒng)的影響。

［1］王文娟.利用液壓墊進行四角調壓的壓機液壓系統(tǒng)設計［J］.流體傳動與控制，2012(3):25 －27.

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［3］徐尚德，雷君相，于珊珊.板料拉深過程中的壓邊力控制技術［J］.鍛壓裝備與制造技術，2004(2):51－55.

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Integral Sliding Mode Based Load Pressure Control of Die-cushion Cylinder of Hydraulic Press

YEWei
(Technical Center，Taiyuan Heavy Machinery Group Yuci Hydraulic Industry Co.，Ltd.，Jinzhong Shanxi030600，China)

An integral slidingmode based control scheme was put forward by aimed at the problem of load pressure force control of die-cushion cylinder of hydraulic press.Thismethod was fully exploited themeritof robustness of slidingmode control，which implemented tracking control of desired load pressure trajectory of die-cushion cylinder precisely，in addition，it had good disturbance rejection function to uncertainties and external disturbances of the parameter.Theoretical analysis and simulation results in comparing show the effectivenessof the proposed control algorithm.

Hydraulic press;Die-cushion cylinder;Load pressure force;Robustness

TH137

A

1001－3881(2015)21－160－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.039

2014－09－02

葉偉 (1983—)，男，本科，工程師，從事液壓元件設計及電液控制技術研究。E－mail:yucihydraulicsx@163.com。