大流量、重载多缸电液伺服系统位置和压力主从自适应模糊控制理论与应用研究

The characteristics of electro hydraulic servo system are high response speed, high control precision and high output power. The electro hydraulic servo system with multi-cylinders whose flow is massive and load is heavy is widely used in machinery industry, metallurgical industry and other heavy-load equipments. But, the pressure and position master-slave control for servo hydraulic system is complex, especially for multi-cylinders system, slowing the application of hydraulic servo system. This item based on the position feedback closed loop of electro hydraulic servo system, builds a pressure and position online converting model by extracting the cylinders’ pressure signal to reconstitute the multi-cylinder interface loads distribution, which can convert the cylinders’ pressure dynamic variation signal to position variation signal that is compensated to the system position feedback closed loop, in order to achieve the pressure-position master slave control. According to the mapping model of cylinder and the interface loads, compile the adaptive fuzzy control and feedback decoupling control. The math model of the multi-cylinders pressure and position master slave control is built, which is taken advantages in electro-hydraulic servo system of the heavy load equipments. Verify feasibility and correctness of the research method and the math model in the practical application. This item will supply a new way to develop the independent innovation and the proprietary intellectual property rights of the heavy equipments in our country.

电液伺服系统具有响应速度快、控制精度高、输出功率大等特点。大流量、重载多缸电液伺服系统广泛应用于机械、冶金行业等重载装备。但电液伺服系统的位置和压力主从控制非常复杂，尤其是多缸系统的同时控制更是难于实现，阻碍了液压伺服系统的应用。本项目以电液伺服系统的位置反馈闭环为主，通过提取液压缸的压力信号，重构多缸的界面载荷分布，构建压力―位置在线转换模型将液压缸压力动态变化信号转换为位置变化信号，再将位置变化信号补偿到系统位置反馈主闭环中，实现电液伺服系统位置和压力的主从控制；在建立液压缸压力与界面载荷映射模型基础上，编译自适应模糊控制器，同时再引入反馈解耦控制理论，建立多个液压缸位置和压力主从自适应控制的数学模型；最后将多缸液压伺服系统位置和压力主从自适应控制方法应用到重载设备中，实际验证研究方法和模型的可行性和正确性。项目研究结论将为我国重载装备的自主创新和开发提供新的参考思路。

重载机械装备是大惯量、非线性、大时滞的复杂运动控制系统，多缸协同动作时，各缸所承负载很大，位置和力的控制极其困难。如何实现设备在重载工况下多缸协调动作的精确控制是本项目的重要研究内容。本项目以全液压双边滚切剪为例，通过提取各工作液压缸位移与压力信号，将构建压力-位置转换模型嵌入到阀控缸系统中，建立液压缸与外负载之间的状态空间模型，预测多缸驱动机构的位姿变化趋势，实现多缸姿态的实时控制。主要研究内容如下：.1. 建立了新型液压双边剪剪切机构与液压缸位移间的数学模型。通过采用正运动学以及逆运动学的分析方法，推导出液压缸的位移与上刀架转动的关系式，从而建立了上刀架在平面的移动以及转动的位姿与液压缸位移的数学模型。.2. 新型的液压双边滚切剪剪切机构采用伺服液压缸卧式铰接于机架上，液压缸直接驱动复合连杆机构带动圆弧形上剪刃做滚动剪切的运动，将构建的多缸压力―位置在线转换模型应用到阀控缸系统的传递函数中，从而建立伺服液压缸与外负载之间的状态空间表达式。.3. 新型液压双边滚切剪液压系统是由4个伺服液压缸驱动刀架运动的多自由度非线性系统。通过李雅普诺夫第一方法对整个多缸系统进行稳定性分析，然后采用李雅普诺夫第二方法对单缸系统进行稳定性分析。.4.通过采用微分几何解耦的基本思想，得到了该系统的非线性状态方程的解耦控制规律。并用软件Matlab编制了程序代码并对比仿真输出结果，证明该系统可以达到完全稳定解耦。.5.在上述研究内容基础上，开发主从自适应模糊控制器，构建大流量、高精度多缸电液伺服系统位置和压力主从控制模型，研究以此新方法控制的多缸电液伺服系统位置和压力的控制效果。.上述研究内容成功应用于全液压滚切剪设备中，设备的多缸执行机构在重载1200吨工况下达到同步位置控制误差不超过0.5mm，压力误差控制在设备额定负载的±0.5%内，解决了大流量、多缸重载设备伸出和回退过程中的高精度协调控制难题。