1、锻造操作机夹钳旋转系统锻造操作机夹钳旋转系统T-S模糊模型模糊模型与自适应控制与自适应控制答答 辩辩 提提 纲纲1、课题背景及研究内容2、夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析3、液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模型4、夹钳旋转系统自适应死区逆控制研究5、夹钳旋转系统控制实验6、总结与展望1 课题背景与研究内容课题背景与研究内容引言引言1.1 研究对象研究对象1.2 研究现状1.3 研究内容研究内容1.4 研究思路研究思路1 课题背景与研究内容课题背景与研究内容1.1 研究对象研究对象u锻造操作机主要用于夹持锻件配合压机完成锻造工艺。u 夹钳旋转系统夹钳机构液压传动系统高度非线性时变不确定性重载
2、大惯量研究难点u夹钳旋转主要用于夹钳定位、顺应运动。1 课题背景与研究内容课题背景与研究内容1.2 研究现状nPID控制n模糊控制n神经网络控制控制简单、基于线性化模型不依赖系统精确数学模型训练时间长、设计复杂控制简单、稳定性好，不依赖系统精确数学模型u夹钳旋转系统n运动学建模与分析；n针对液压系统设计控制器。u角位移控制n没有考虑夹钳旋转机构的动力学特性。n将系统看做线性系统来研究。n控制器的有效性没有进行试验研究。u不足之处1 课题背景与研究内容课题背景与研究内容1.3 研究内容研究内容u 夹钳旋转系统非线性特性分析 高精度定位、平稳运行1.4 研究思路研究思路型与验证T-S模糊模控制器设
3、计仿真分析控制实验主要针对摩擦与主要针对摩擦与死区非线性分析死区非线性分析有效的控制策略有效的控制策略 夹钳旋转系统T-S模糊模型实验验证与分析实验验证与分析夹钳旋转系统非线性特性分析2 夹钳旋转系统数学模型非线性特性分夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析析引言引言2.1 夹钳旋转机构数学模型夹钳旋转机构数学模型2.2 主要非线性因素分析主要非线性因素分析(1)摩擦非线性(2)死区非线性(3)流量-压力非线性 2 夹钳旋转系统数学模型非线性特性分夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析析2.1 夹钳旋转机构数学模型夹钳旋转机构数学模型u比例阀的流量方程Ps补偿阀主阀PmPLQL1200mvmvPPPx
4、PPPx 1,00,0vvvxs xx其中msPPP带压力补偿的流量控制阀恒定恒定u液压马达流量连续性方程u液压马达负载平衡方程12LvvmvmQg xs xppsxpp4mmLLmtmLedVdpQDC pdtdt22mmmLmmmfmddD pJBTTdtdt2 夹钳旋转系统数学模型非线性特性分夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析析2.2 主要非线性因素分析主要非线性因素分析 fcTBT sign(1)摩擦非线性u“库伦”+“粘性”摩擦黏滑运动黏滑运动稳态误差稳态误差u低速情况下，易造成系统死区特性死区特性。0204060012345时间 t/s夹钳加速度 rad/s 仿真实验(b)0204
5、06001234567时间 t/s夹钳角速度 rad/s 仿真实验(a)0102030012345时间 t/s夹钳角速度 rad/s 仿真实验(b)010203001234567时间 t/s夹钳角速度 rad/s 仿真实验(a)2 夹钳旋转系统数学模型非线性特性分夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析析(2)死区非线性不对称性、时变不确定性产生原因 电液比例阀死区 静摩擦死区 死区特点 死区输出一般不可测 死区参数是时变未知的 0rrrrllllmv tbv tbu tN v tbv tbm v tbv tb 死区斜率死区斜率 死区断点死区断点 死区斜率死区斜率 死区断点死区断点 空载空载1.21
6、.91.3-2.0锻件为锻件为290kg290kg1.152.01.35-2.2锻件为锻件为800kg800kg1.252.151.2-2.3rmrblmlb2 夹钳旋转系统数学模型非线性特性分夹钳旋转系统数学模型非线性特性分析析(3)流量-压力非线性 32320.341854.4726.99756.68851.9460000*1000=021.90.649376.701911.6799.46844260000*1000LLLuuuQuQuuuuQu 非线性因素1.522.533.54051015202530电压 v流量 L/min 实验数据 三界拟合曲线（a）-4-3.5-3-2.5-251
7、015202530电压 v流量 L/min 实验数据 三阶拟合曲线（b）模型复杂性+控制器设计困难3 液压伺服驱动夹钳旋转系统液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模糊模型模型引言引言3.1 夹钳旋转系统特点夹钳旋转系统特点3.2 T-S模糊模型表述模糊模型表述3.2 建模方法建模方法T-S模糊模型模糊模型3.3 夹钳旋转系统夹钳旋转系统T-S模糊模型模糊模型3.4 模糊隶属度函数的学习模糊隶属度函数的学习3.5 模型验证与分析模型验证与分析3 液压伺服驱动夹钳旋转系统液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模糊模型模型3.1 夹钳旋转系统特点夹钳旋转系统特点高度非线性时变不确定性重载大惯量非线性模型单
8、一线性模型控制器设计困难不方便工程上应用局限性无法满足控制要求 T-S模糊模型复杂、强非线性系统控制器设计容易3.2 T-S模糊模型表述模糊模型表述T-S模糊模型是由一组“IF-THEN”来描述非线性系统，每条规则代表一个子系统。IF is andand is THEN 1z t1 iM pz tipM 1,2.,.iiix tAx tBu ttiry tCx t3 液压伺服驱动夹钳旋转系统液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模糊模型模型3.2 建模方法建模方法T-S模糊模型模糊模型非线性系统通过输入输出数据系统辨识已知物理模型或数学模型模糊模型（T-S模糊模型）设计控制器第一种建模方法第二种建
9、模方法Lagrange法Newton-Euler法虚功原理法“扇区非线性建模法”、“局部逼近法”或两者结合3 液压伺服驱动夹钳旋转系统液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模糊模型模型3.3 夹钳旋转系统夹钳旋转系统T-S模糊模型模糊模型02468100246810时间（s）负载压力（MPa）2.5v3.0v3.5v(a)02468100246810时间（s）负载压力（MPa）-2.5v-3.0v-3.5v(b)Rule 1:IF is Position and is Big THEN 2()x t111()()()x tAx tBu t3()x tRule 2:IF is Position an
10、d is Middle THEN 222()()()x tA x tBu tRule 3:IF is Position and is Small THEN 333()()()x tAx tBu tRule 4:IF is Negative and is Small THEN 333()()()x tA x tBu tRule 5:IF is Negative and is Middle THEN 555()()()x tA x tBu tRule 6:IF is Negative and is Big THEN 666()()()x tA x tBu t2()x t3()x t2()x t3(
11、)x t2()x t3()x t2()x t3()x t2()x t3()x t3 液压伺服驱动夹钳旋转系统液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模糊模型模型夹钳旋转系统T-S模糊模型的最后输出 66111iiiiiiiriiim z tAx tCu ttx th z tAx tBu ttm z t 21iijjjmz tMzt 61iiiimz thz tmz t 222264.14450528.631792.5876477.348556.528.631792.6345869.79886.51128.6317102.3256LLLPs ssG sPs ssPs ss系统在各个平衡点位置附近的线性
12、模型式中：3 液压伺服驱动夹钳旋转系统液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模糊模型模型3.4 模糊隶属度函数的学习模糊隶属度函数的学习经过训练后的模糊推理系统能够很好地使T-S模糊模型与训练实验数据趋势一致。结论结论自适应神经模糊推理系统（ANFIS）结构基于数据的建模具有自学习和自适应能力自动产生模糊推理特点特点024681000.20.40.60.81x(3)Degree of membership 0204060-4-20246时间 t/s夹钳角速度 rad/s 模型输出实验结果3 液压伺服驱动夹钳旋转系统液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模糊模型模型3.5 模型验证与分析模型验证与分析0
13、204060012345时间 t/s夹钳角速度 rad/s 模型输出实验结果（b）02040602345678时间 t/s负载压力 MPa 模型输出实验结果（c）020406011.522.533.544.5时间 t/s电压 v 输入信号（d）0204060-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.5时间 t/s夹钳角速度 rad/s 模型输出实验结果（b）0204060234567时间 t/s负载压力 MPa 模型输出实验结果（c）0204060-4-3.5-3-2.5-2-1.5时间 t/s电压 v 输入信号（d）T-S模糊模型与实验趋势一致，所建T-S模糊模型是合理的。结结 论论
14、液压系统冲击、振动动力学参数不准确传感器噪声实际系统摩擦、阻尼主要原因主要原因3 液压伺服驱动夹钳旋转系统液压伺服驱动夹钳旋转系统T-S模糊模糊模型模型020406080100-505时间 t/s电压 v 输入信号（c）020406080100-4-20246时间 t/s夹钳角速度 rad/s 模型输出实验结果（a）020406080100-10-50510时间 t/s负载压力 MPa 模型输出实验结果（b）4 自适应死区逆控制研究自适应死区逆控制研究 引言引言4.1 引言引言4.2 自适应死区逆控制自适应死区逆控制4.3 仿真结果仿真结果？4 自适应死区逆控制研究自适应死区逆控制研究4.1
15、引言引言u自适应逆控制非线性函数逆抵消非线性影响，从而呈现线性特征；设计一种自适应调节规律来调整非线性逆的参数，使其补偿非线性。采用一种自适应死区逆控制对回路进行补偿的方法。死区非线性特性死区非线性特性对系统的影响比较大，轻则引起误差和振荡，重则导致系统不稳定，恶化系统动态品质；如何消除死区如何消除死区非线性特性非线性特性完全补偿死区的效果，消除系统稳态误差，提高控制精度。4 自适应死区逆控制研究自适应死区逆控制研究4.2 自适应死区逆控制自适应死区逆控制u参数向量,Trrrlllm m b m mb,Trrrll lm m b m mb ,1,1Ttt v tttv tt 1,00,0ddu
16、ttut 10000drrdrdddlldlutm butmv tNutututmbutm Tu tt Tdutt -TdNu tu tuttdt u死区非线性逆T-S模糊模型4 自适应死区逆控制研究自适应死区逆控制研究4.2 自适应死区逆控制自适应死区逆控制 1=11mrmrG s C sG se tGsu tG s C sG s C su理想情况下，死区逆参数估计应与死区参数实际值相等，即 10e t 0 Ndu tdtu tut 1mG s C sGsG s C su根据梯度投影自适应规律，死区逆参数更新率为 21Ttttttttt 式中：00000000,1,2,2tMttMtMMtM
17、 Lylapunov稳定性设计法证明自适应死区逆控制参数的收敛性。4 自适应死区逆控制研究自适应死区逆控制研究02461.11.151.2时间(s)mr02461.822.2时间(s)br024611.21.4时间(s)ml0246-3-2.5-2-1.5时间(s)bl0123456-60-40-200时间（s）角位移（）(a)自适应死区补偿控制输出固定死区补偿控制输出角位移给定值0123456-2-101时间（s）控制信号（v）(b)自适应死区补偿控制电压固定死区补偿控制电压02461.11.151.2时间（s）mr02461.822.2时间（s）br024611.21.4时间（s）ml02
18、46-3-2.5-2-1.5时间（s）bl01234560204060时间（s）角位移（）(a)自适应死区补偿控制输出固定死区补偿控制输出角位移设定值57.290123456-2024时间（s）控制电压（v）(b)自适应死区补偿控制信号输出固定死区补偿控制信号输出4.3 仿真结果仿真结果夹钳旋转夹钳旋转57.3时的控制时的控制02468100100200300时间（s）角位移（）(a)0246810-202时间（s）控制信号（v）(b)自适应死区补偿控制输出固定死区补偿控制输出角位移给定值自适应死区补偿控制电压固定死区补偿控制电压4 自适应死区逆控制研究自适应死区逆控制研究4.3 仿真结果仿真
19、结果夹钳连续旋转夹钳连续旋转57.3时控制时控制05101.11.151.2时间（s）mr05101.822.2时间（s）br051011.21.4时间（s）ml0510-3-2.5-2-1.5时间（s）bl0246810-200-150-100-500时间（s）角位移（）(a)自适应死区补偿控制输出固定死区补偿控制输出角位移给定值0246810-2-101时间（s）控制信号（v）(b)自适应死区补偿控制电压固定死区补偿控制电压05101.11.151.2时间（s）mr05101.822.2时间（s）br051011.21.4时间（s）ml0510-3-2.5-2-1.5时间（s）bl4 自适
20、应死区逆控制研究自适应死区逆控制研究4.3 仿真结果仿真结果夹钳连续旋转控制夹钳连续旋转控制051015-1000100时间（s）角位移（）(a)自适应死区补偿控制输出固定死区补偿控制输出角位移给定值051015-202时间（s）控制信号（v）(b)自适应死区补偿控制电压固定死区补偿控制电压0510151.11.151.2时间（s）mr0510151.822.2时间（s）br05101511.21.4时间（s）ml051015-3-2.5-2-1.5时间（s）blv 结论 自适应死区逆控制通过在死区前串联死区逆，在线更新死区逆参数进行死区补偿，并用Lyapunov方法证明了参数估计的收敛性，仿
21、真表明：该方法控制精度高、上升时间快，对系统有较强的鲁棒性，其控制性能优于固定死区补偿控制。5 夹钳旋转系统控制实验与分析夹钳旋转系统控制实验与分析引言引言5.1 实验系统构成实验系统构成5.2 实验原理简图实验原理简图5.3 实验目的实验目的5.4 实验内容实验内容5.5 实验结果实验结果5 夹钳旋转系统控制实验与分析夹钳旋转系统控制实验与分析5.1 实验系统构成实验系统构成5.2 实验原理简图实验原理简图5 夹钳旋转系统控制实验与分析夹钳旋转系统控制实验与分析5.3 实验目的实验目的u验证自适应死区逆控制的有效性u实验一：单次正转或反转控制实验自适应死区逆控制流程图5.4 实验内容实验内容
22、5 夹钳旋转系统控制实验与分析夹钳旋转系统控制实验与分析u实验二：不同工况下，连续正转或反转控制实验u实验三：不同工况下，连续正反转控制实验0246810-60-40-200时间（s）角位移（）自适应死区补偿控制输出固定死区补偿控制输出角位移给定值0246810-4-202时间（s）控制信号（v）自适应死区补偿控制电压固定死区补偿控制电压(a)(b)02468100204060时间（s）角位移（）自适应死区补偿控制输出固定死区补偿控制输出角位移给定值0246810-2024时间（s）控制信号（v）自适应死区补偿控制电压固定死区补偿控制电压(a)(b)5.5 实验结果实验结果05101.161.
23、181.2时间（s）mr05101.91.952时间（s）br05101.251.31.35时间（s）ml0510-2.2-2-1.8时间（s）bl05101.161.181.2时间（s）mr05101.851.91.952时间（s）br05101.251.31.35时间（s）ml0510-2.2-2-1.8时间（s）bl5 夹钳旋转系统控制实验与分析夹钳旋转系统控制实验与分析固定死区补偿控制稳态误差大，上升慢。(单次旋转)5.5 实验结果实验结果5 夹钳旋转系统控制实验与分析夹钳旋转系统控制实验与分析0510152025300100200300时间（s）角位移（）自适应死区补偿控制输出固定死
24、区补偿控制输出角位移给定值051015202530-202时间（s）控制信号（v）自适应死区补偿控制电压固定死区补偿控制电压(a)(b)01020301.161.181.2时间（s）mr01020301.851.91.952时间（s）br01020301.251.31.35时间（s）ml0102030-2.2-2-1.8时间（s）bl051015202530-200-150-100-500时间（s）角位移（）自适应死区补偿控制输出固定死区补偿控制输出角位移给定值051015202530-202时间（s）控制信号（v）自适应死区补偿控制电压固定死区补偿控制电压(a)(b)(连续正转或反转)010
25、20301.161.181.2时间（s）mr01020301.851.91.952时间（s）br01020301.251.31.35时间（s）ml0102030-2.2-2-1.8时间（s）bl5.5 实验结果实验结果1.固定死区补偿控制稳态误差大，上升时间长，对于工作点连续变化时难以满足系统的控制要求；2.自适应死区逆控制精度高，运行平稳，鲁棒性好，在线更新死区逆参数，进行死区补偿效果，消除了死区对系统的影响，能较好的满足系统平稳启停和精确定位的要求。v 结论5 夹钳旋转系统控制实验与分析夹钳旋转系统控制实验与分析010203040050100150时间（s）角位移（）010203040-5
26、05时间（s）控制信号（v）(a)(b)020401.161.181.2时间（s）mr020401.851.91.952时间（s）br020401.251.31.35时间（s）ml02040-2.2-2-1.8时间（s）bl(连续旋转)6总结与展望总结与展望6.1 总结总结1.根据液压伺服驱动夹钳旋转系统的结构和特点，分析了摩擦和死区非线性特性对系统动力学的影响。2.建立了液压伺服驱动夹钳旋转系统的T-S模糊模型，仿真和实验验证了模型的合理性。3.针对液压伺服系统存在死区问题，提出了自适应死区逆控制策略，并采用Lyapunov稳定性方法证明了控制系统的收敛性。4.在锻造操作机实验样机上完成自适应死区逆控制实验，验证了控制方法的有效性。6.2 展望展望1.考虑迟滞效应、压力损失、油温变化对系统的影响。2.分析锻件锻造过程中对夹钳系统的影响。3.实现锻造操作机和锻压机的自动化操作。
