雙鍛造操作機(jī)大車行走系統(tǒng)控制方法探析

2222

(1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004；2.燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004)

引言

鍛造操作機(jī)是鍛造車間內(nèi)的重要輔助操作裝備，主要用于夾持鍛件配合主機(jī)完成各種鍛造工藝，操作機(jī)的使用極大地提高了鍛造效率[1-2]。隨著《中國制造2025》的全面實(shí)施，大型優(yōu)質(zhì)高精鍛件在國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的需求逐漸凸顯，對現(xiàn)有的自由鍛造模式提出了新的要求[3]。2017年，全球最大的鍛造操作機(jī)生產(chǎn)商Dango & Dienenthal公司發(fā)布了雙鍛造操作機(jī)夾持鍛件進(jìn)行聯(lián)合鍛造的視頻[4]，這標(biāo)志著自由鍛造行業(yè)又將進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。與單操作機(jī)鍛造生產(chǎn)線相比，雙操作機(jī)鍛造生產(chǎn)線具有自動(dòng)化程度更高、生產(chǎn)節(jié)拍更快、鍛件尺寸更精等優(yōu)勢，尤其適合于高精長軸類鍛件和鍛造溫度區(qū)間窄的有色金屬鍛件的鍛造[5-7]。然而，雙操作機(jī)夾持高溫鍛件構(gòu)成的系統(tǒng)更加復(fù)雜，負(fù)載的大慣性遲滯、機(jī)液和剛?cè)嵯到y(tǒng)的強(qiáng)非線性以及耦合等特點(diǎn)，給雙鍛造操作機(jī)系統(tǒng)的安全可靠控制帶來了巨大挑戰(zhàn)。目前，國外關(guān)于雙鍛造操作機(jī)系統(tǒng)控制的研究鮮見，國內(nèi)大多學(xué)者的研究重心主要在單機(jī)方面，且以機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)為主[8-14]。鍛件的軸向進(jìn)給是自由鍛造過程中的重要工序，雙操作機(jī)夾持鍛件進(jìn)給是在兩臺(tái)設(shè)備大車行走系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)下完成的，雙機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度直接影響鍛件質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此研究雙鍛造操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的控制方法具有重要意義。

雙鍛造操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的控制涉及兩臺(tái)設(shè)備的同步問題，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)同步的控制方法主要有主從控制和等同控制兩種[15]。主從控制方式是指在兩臺(tái)設(shè)備中，一臺(tái)設(shè)備作為主動(dòng)方進(jìn)行主要控制，另一臺(tái)作為跟蹤方跟隨主動(dòng)方的運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)同步。主從控制方式的同步誤差取決于從動(dòng)設(shè)備的跟隨特性，對于大慣量和非線性系統(tǒng)而言，會(huì)產(chǎn)生較大的響應(yīng)滯后和交互耦合影響，因此不適用于雙鍛造操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的控制。等同控制方式是指對兩臺(tái)設(shè)備分別同時(shí)給定相同的期望信號(hào)，各設(shè)備同時(shí)跟蹤理想給定信號(hào)而達(dá)到同步目的。等同控制方式的同步誤差僅來自于兩執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異，相比于主從控制方式，更適合于雙鍛造操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的控制，但兩臺(tái)設(shè)備的交互耦合仍然影響雙機(jī)系統(tǒng)的控制特性。

因此，以燕山大學(xué)在建的“5 MN快鍛油壓機(jī)中試平臺(tái)”中的兩臺(tái)20 kN鍛造操作機(jī)為研究對象，針對雙操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的控制問題展開研究，探索其同步控制方法，旨在為雙鍛造操作機(jī)智能化鍛造提供技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 雙操作機(jī)大車行走系統(tǒng)介紹與數(shù)學(xué)建模

1.1 雙操作機(jī)系統(tǒng)介紹

雙鍛造操作機(jī)系統(tǒng)組成如圖1所示，左右兩臺(tái)操作機(jī)A和操作機(jī)B分別置于鍛件兩端，通過夾鉗實(shí)現(xiàn)鍛件的雙邊夾持。與生產(chǎn)設(shè)備不同，作為試驗(yàn)樣機(jī)，燕山大學(xué)的兩臺(tái)20 kN鍛造操作機(jī)在液壓和機(jī)械系統(tǒng)方面采用了不同的配置，大車行走系統(tǒng)的部分參數(shù)如表1所示。

1.鍛件 2.承重輪 3.驅(qū)動(dòng)輪 4.軌道

從表1可以看出，操作機(jī)A大車行走系統(tǒng)采用了2組4個(gè)低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，而操作機(jī)B則采用了1組2個(gè)高速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。在液壓系統(tǒng)壓力、操作機(jī)重量、驅(qū)動(dòng)輪、承重輪等方面兩臺(tái)設(shè)備基本相同。但由于驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)和相關(guān)元件的變化，導(dǎo)致兩臺(tái)設(shè)備的動(dòng)力性能產(chǎn)生較大差異，經(jīng)計(jì)算操作機(jī)A的大車行走理論最大加速度約1650 mm/s2，而操作機(jī)B的大車行走理論最大加速度約2500 mm/s2，動(dòng)力性能的差異更增加了雙機(jī)系統(tǒng)控制的難度，同時(shí)也更具有典型性。

表1 鍛造操作機(jī)A/B的主要技術(shù)參數(shù)

1.2 雙操作機(jī)大車行走系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

不考慮中間夾持鍛件的彈性變形，雙鍛造操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的受力分析如圖2所示。K1，K2和B1，B2分別表示操作機(jī)吊掛機(jī)構(gòu)[9]的機(jī)液耦合系統(tǒng)等效彈簧剛度和等效阻尼。

圖2 雙操作機(jī)大車行走系統(tǒng)受力分析

操作機(jī)A的力平衡方程為:

(1)

操作機(jī)B的力平衡方程為:

(2)

鍛件的力平衡方程為:

(3)

式中,FtA,FtB—— 操作機(jī)A、B行走驅(qū)動(dòng)力，N

FfA，F(xiàn)fB—— 操作機(jī)A、B行走摩擦力，N

xA，xB—— 操作機(jī)A、B行走位移，m

mA，mB—— 操作機(jī)A、B質(zhì)量，kg

xD—— 鍛件行走位移，m

mD—— 鍛件質(zhì)量，kg

兩臺(tái)鍛造操作機(jī)大車行走液壓系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的閥控馬達(dá)系統(tǒng)，數(shù)學(xué)建模過程不再贅述，詳見參考文獻(xiàn)[16]。綜上，建立雙操作機(jī)大車行走同步控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖3所示，同時(shí)設(shè)定下文仿真所需主要參數(shù)，如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

圖3 雙鍛造操作機(jī)位置同步控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

圖4 雙操作機(jī)獨(dú)立反饋位置同步控制框圖

2 雙操作機(jī)獨(dú)立反饋位置同步控制仿真分析

實(shí)際鍛造系統(tǒng)中，鍛件的位置難以直接檢測，鍛造操作機(jī)大車行走的位移主要通過行走馬達(dá)轉(zhuǎn)角控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對鍛件位置控制。采用等同控制方式，分別給定兩臺(tái)操作機(jī)相同的位移，建立雙操作機(jī)系統(tǒng)獨(dú)立反饋位置同步控制框圖，如圖4所示，大車行走的馬達(dá)轉(zhuǎn)角通過旋轉(zhuǎn)編碼器檢測并反饋到系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖4雙操作機(jī)獨(dú)立反饋位置同步控制框圖控制器采用PID控制，優(yōu)化控制器參數(shù)，最終設(shè)置控制器1中P=0.9、D=0.05，控制器2中P=3，D=0.005。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 獨(dú)立反饋位置同步控制仿真曲線

圖6 雙操作機(jī)位置速度復(fù)合獨(dú)立反饋同步控制框圖

可以看出，階躍給定時(shí)，操作機(jī)A和操作機(jī)B的同步效果極差。起動(dòng)階段，操作機(jī)B的快速性優(yōu)于操作機(jī)A，操作機(jī)B快速起動(dòng)，位移差值最大約16 mm左右。在彈簧阻尼的交互耦合作用下，兩臺(tái)設(shè)備中期某時(shí)刻可以獲得瞬時(shí)的同步，隨后的制動(dòng)階段，操作機(jī)B由于其高制動(dòng)能力，位移超調(diào)量較小，但操作機(jī)A的制動(dòng)能力差于操作機(jī)B且出現(xiàn)了嚴(yán)重超調(diào)現(xiàn)象，因此兩臺(tái)設(shè)備又產(chǎn)生較大的同步誤差，最大位移差值接近22 mm。在實(shí)際鍛造生產(chǎn)過程中，如此大的位移差極易導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩而發(fā)生失穩(wěn)，另外由同步誤差引起的耦合作用力也會(huì)作用在高溫鍛件上，使鍛件發(fā)生變形或彎曲。

3 雙操作機(jī)位置速度復(fù)合獨(dú)立反饋同步控制仿真分析

鍛造操作機(jī)系統(tǒng)的慣性極大， 在運(yùn)動(dòng)過程中位移變化是連續(xù)性的，所以直接給定跳變的階躍信號(hào)是不合理的，極易造成系統(tǒng)的沖擊、振蕩甚至失穩(wěn)?？v然調(diào)節(jié)PID參數(shù)以減小超調(diào)振蕩，但同時(shí)會(huì)犧牲系統(tǒng)的快速性。另外，雙操作機(jī)獨(dú)立反饋位置同步控制效果差的原因是兩臺(tái)設(shè)備的動(dòng)力性能差異較大，因此限制操作機(jī)B的動(dòng)力性能發(fā)揮，采用位置速度復(fù)合方式對雙操作機(jī)大車行走系統(tǒng)進(jìn)行控制，控制框圖如圖6所示。

圖6中專門設(shè)計(jì)了位置速度軌跡規(guī)劃發(fā)生器，其目的是使兩臺(tái)動(dòng)力不同的設(shè)備產(chǎn)生同樣的軌跡規(guī)劃期望曲線。位置速度軌跡規(guī)劃發(fā)生器輸入的是位移和加速度值，經(jīng)計(jì)算后獲得平滑位移和速度曲線，如圖7所示。以此作為操作機(jī)A和操作機(jī)B的輸入信號(hào)。操作機(jī)A的速度與旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)角微分并轉(zhuǎn)化后進(jìn)行比較，差值輸入控制器1。操作機(jī)A的位移與旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)角直接比較，輸入控制器2。操作機(jī)B采用同樣的方式進(jìn)行控制。

圖7 軌跡規(guī)劃期望曲線

在其他參數(shù)不變情況下，采用位置速度復(fù)合獨(dú)立反饋同步控制的仿真曲線如圖8所示?？梢钥闯觯僮鳈C(jī)A和操作機(jī)B的同步控制效果較獨(dú)立反饋位置同步控制效果好很多。首先，系統(tǒng)的快速性提高，位置速度復(fù)合控制的響應(yīng)時(shí)間約0.8 s，而位置獨(dú)立控制的響應(yīng)時(shí)間約1.2 s，快速性提高了33%。其次，兩臺(tái)設(shè)備的同步誤差大大減小，位置速度復(fù)合控制方法在雙機(jī)動(dòng)態(tài)過程中最大誤差為16.8 mm，基本不存在穩(wěn)態(tài)誤差。從兩臺(tái)設(shè)備的速度曲線可以看出，操作機(jī)A和操作機(jī)B的速度與規(guī)劃曲線規(guī)律一致，且誤差較小，從而避免了系統(tǒng)振蕩失穩(wěn)發(fā)生的可能性。

4 雙操作機(jī)基于位置速度復(fù)合控制的狀態(tài)差值校正同步控制仿真分析

基于獨(dú)立反饋位置同步控制方法， 利用位置速度軌跡發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了雙操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的復(fù)合控制，基本解決了兩臺(tái)操作機(jī)動(dòng)力性能差異的問題，但是不能顧及雙機(jī)耦合因素或外部干擾對系統(tǒng)同步控制的影響。當(dāng)一臺(tái)設(shè)備由于擾動(dòng)因素出現(xiàn)位置偏差時(shí)，另一臺(tái)設(shè)備繼續(xù)跟隨期望曲線，不能做出相應(yīng)的協(xié)調(diào)反應(yīng)，必然導(dǎo)致同步誤差增大，鍛件承受較大的耦合力。因此在位置速度復(fù)合獨(dú)立反饋控制策略的基礎(chǔ)上，引入狀態(tài)差值校正環(huán)節(jié)，建立控制框圖如圖9所示。狀態(tài)差值是指兩臺(tái)操作機(jī)行走馬達(dá)同步行走過程中實(shí)時(shí)的位移誤差。通過旋轉(zhuǎn)編碼器分別檢測操作機(jī)A和B行走馬達(dá)轉(zhuǎn)角，作差后得到狀態(tài)差值，輸入控制器5得到校正信號(hào)，然后反饋輸入到控制閥。

圖9 雙操作機(jī)基于位置速度復(fù)合控制的狀態(tài)差值校正同步控制框圖

圖8 位置速度復(fù)合獨(dú)立反饋同步控制仿真曲線

設(shè)定狀態(tài)誤差校正控制器5的參數(shù)為P=10，D=0.5，在分別給定軌跡規(guī)劃發(fā)生器加速度為1650, 1300, 1000 mm/s2的條件下進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果位移曲線如圖10所示，速度曲線如圖11所示。

圖10 不同加速度下的狀態(tài)差值校正同步控制位置曲線

圖11 不同加速度下的狀態(tài)差值校正同步控制速度曲線

可以看出，狀態(tài)差值的誤差補(bǔ)償效果使兩臺(tái)操作機(jī)的行走位移曲線和速度曲線更加吻合，而且隨著給定加速度的減小，雙機(jī)同步效果越來越好，行走位移曲線的超調(diào)現(xiàn)象消失，速度曲線更加貼近于速度規(guī)劃曲線，主要是因?yàn)椴僮鳈C(jī)A的動(dòng)力性能逐漸可以滿足給定加速度的要求，可控性增強(qiáng)。在圖10a行走位移曲線的制動(dòng)階段，操作機(jī)A與操作機(jī)B出現(xiàn)同時(shí)超調(diào)現(xiàn)象，由于操作機(jī)B具有更強(qiáng)的動(dòng)力性能和更好的可控性，在狀態(tài)差值校正的作用下使操作機(jī)B的行走曲線向具有超調(diào)響應(yīng)的操作機(jī)A行走曲線貼合。由此可見，想要獲得好的同步控制效果勢必要減小給定加速度的值。當(dāng)給定加速度值減小到1000 mm/s2時(shí)，雙機(jī)的響應(yīng)時(shí)間為1.05 s，無超調(diào)現(xiàn)象，其同步誤差曲線如圖12所示，誤差范圍在[-0.28 mm,0.02 mm]內(nèi)，滿足雙鍛造操作機(jī)的同步行走控制要求。

圖12 操作機(jī)A/B行走位移誤差曲線

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)雙鍛造操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的同步位置控制，以燕山大學(xué)兩臺(tái)20 kN鍛造操作機(jī)為對象，搭建了雙鍛造操作機(jī)行走系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上仿真分析研究了3種不同控制方法對雙操作機(jī)大車行走系統(tǒng)控制特性的影響，結(jié)論如下：

(1) 當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備動(dòng)力性能差異較大時(shí)，獨(dú)立反饋位置同步控制的雙操作大車行走系統(tǒng)具有較大的同步誤差，系統(tǒng)的穩(wěn)定性差；

(2) 利用位置和速度軌跡規(guī)劃發(fā)生器可得到光滑的期望軌跡曲線，在此基礎(chǔ)上采用位置速度復(fù)合獨(dú)立反饋控制方法提高了雙操作機(jī)大車行走同步系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性；

(3) 綜合考慮雙操作機(jī)大車行走系統(tǒng)的耦合影響，采用位置速度復(fù)合的狀態(tài)差值校正同步控制方法效果最好。仿真結(jié)果顯示，設(shè)定兩臺(tái)操作機(jī)加速度均為1000 mm/s2，雙操作機(jī)大車同步行走200 mm位移時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為1.05 s，同步位置誤差范圍為[-0.28 mm,0.02 mm]，滿足雙鍛造操作機(jī)的同步行走控制要求。