CN116382098A - 一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法。本发明通过结合热冲压成形工艺设计了热冲压成形运动系统，并提出了基于运动曲线优化的平稳性运动控制方案，建立五次曲线运动模型；采用改进粒子群算法对无冲击运动曲线完成优化，设计了滑模控制器；通过仿真和实验证明，五次曲线运动控制方案下，有效降低了运动冲击和振动，相对于传统运动控制方案，综合运动精度提高了60%，综合速度突变降低了50%，有效提高了热冲压过程中活动横梁运动的可靠性。因此，本发明能够满足热冲压运动工艺中对运动精度和速度稳定性的要求，实现热冲压成形过程中的稳定运动状态和产品的高质量、高效率生产。
Description
技术领域
本发明属于热冲压成形技术领域，特别涉及一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法。
背景技术
随着汽车轻量化和新能源汽车的发展，热冲压成形技术已成为汽车轻量化最具优异性能的制造技术之一。然而，液压机在生产运动中存在多个速度拐点，造成抖振、噪声及成形速度不稳定等问题。因此，液压机的运动稳定性是保障热冲压生产中产品质量达标的关键环节。
柔性系统的设计是影响高质量、高效率生产的因素优化控制成为研究的重要方向。Gao等通过对冲压速度等建立多目标优化的方案，一定程度上实现了对冲压能耗及稳定性的控制。Chao等设计了一种分级控制器，完成了对执行故障、外部扰动和模型不确定性的高容错率控制，达到了较好的精度和动态平衡控制效果。
此外，运动轨迹的优化能够为系统提供稳定的运动方案。Varga等考虑全局约束条件对机械臂的运动轨迹进行优化设计，得到了较为稳定的运动状态。Li等对运动误差曲线进行优化设计，成形时间及质量均得到了有效的提高。Kuo通过运动曲线之间的对比，得到最佳运动参数组合，并对运动曲线进行优化，得到了较好的成形时间及质量。
Du等对无冲击最速下降曲线进行分析优化，效果较好的五次多项式运动曲线，极大的降低了活动横梁下降过程中的运动冲击。对于冲压运动的后续阶段，其冲击等问题仍是影响成形质量的关键环节，需对冲压运动全程运动曲线进一步优化。综合分析运动曲线优化方案，在研究中均起到了较好的效果，但广泛且有效的应用在液压机运动方案中，仍需大量的研究。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目地在于提供了一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法，该方法解决了现有热冲压生产过程中活动横梁运动过程中速度突变带来的冲击和振动等技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法，包括以下步骤：
S1、热冲压成形运动系统建模并分析：
S11、设计热冲压成形运动系统，所述系统包括：
蓄能器，用于在系统运行时充能，当系统压力低于蓄能器设定压力时释放能量；
泵组，用于为系统供油，泵组出口处油路与蓄能器连接；
下油箱，用于存储系统的液压油，并为上油箱提供液压油；
溢流阀一，用于稳定系统泵组出口处压力，起保护作用，其一端连接回油路，另一端连接下油箱；
保护阀组，用于在系统停止或出现故障时快速回油泄压，其一端连接油路，另一端连接下油箱；
插装阀组，用于调节系统泵组供油端的油量大小，对高频响比例伺服阀所受冲击起缓冲作用；
高频响插装阀组，用于精准控制回油流量大小，起到稳定调节液压缸速度的作用；
高频响比例伺服阀，用于精准调节液压缸进油口的补油流量，达到对液压缸行程的精准控制；
溢流阀二，用于对液压缸进油管路起到溢流保护作用，其一端连接进油路，另一端直接连接下油箱；
溢流阀三，用于对液压缸回油管路起到溢流保护作用，其一端连接回油路，另一端连接下油箱；
数据处理模块，用于采集压力、位移信号，对采集的压力、位移信号进行综合处理并做出判断，反馈输出阀组开合控制信号，进而控制液压缸的位移；
压力传感器一，用于测量液压缸进油口的压力大小，其一端接在进油路，另一端接在数据处理模块；
充液阀，用于快速为液压缸提供液压油，保证速度稳定；上油箱，位于系统顶部，用于为充液阀储油；
位移传感器，用于反馈液压缸的位移信号，其装在液压缸的内部，伸出信号线接在数据处理模块；
液压缸，用于作为热冲压成形运动系统的执行机构；
压力传感器二，用于测量液压缸出油口的压力大小，其一端接在回油路，另一端接在数据处理模块；
S12、对所述热冲压成形运动系统进行建模分析，得到在液压缸下行时的开环传递函数为下式（10）所示：
（10）
其中，
；
S2、采用改进粒子群算法对热冲压成形运动系统的运动曲线进行多约束优化，得到五次多项式运动位移曲线方程，建立五次曲线运动模型；
S3、设计滑模控制器。
优选地，步骤S12中，对所述热冲压成形运动系统进行建模分析，包括以下步骤：
S121、假定热冲压成形运动系统连接管道与高频响比例伺服阀均处于理想状态，内外泄露为层流流动，另定义负载力为成形时的反作用力，忽略弹性负载、粘性负载和惯性力，由此得到高频响比例伺服阀的线性化流量方程、液压缸的流量连续性方程及力平衡方程依次为下式（1）、式（2）和式（3）所示：
其中，
为负载流量，
；
为伺服阀的阀芯位移，
；
为流量系数，
；
为流量压力系数，
；
为负载压力，
；
为液压缸无杆腔活塞有效作用面积，
；
为活塞杆有效位移输出，
；
为液压缸外泄漏系数，
；
为液压缸内泄漏系数，
；
为液压缸无杆腔压力，
；
为液压缸有杆腔压力，
；
为液压缸无杆腔的有效容积，
；
为有效体积弹性模量，
；
为液压缸有杆腔活塞有效作用面积，
；
为活塞及滑块总质量，
；
为负载弹簧刚度，
；
为作用在活塞上的外负载力，
；
S122、根据式（1）、式（2）和式3得到阀控非对称缸的总输出位移
，具体表示如下式（4）所示：
由于系统中的粘性摩擦引起的能量损耗忽略不计，故将式（4）简化为下式（5）：
其中，
为液压缸固有频率；
为液压阻尼比，一般取值0.1～0.2；
S123、根据式（5）进一步求得液压缸的输出位移对高频响比例伺服阀给定输出位移的传递函数、及液压缸输出位移对高频响比例伺服阀给定负载力的传递函数依次为下式（6）、式（7）所示：
S124、由于伺服比例放大器的电流
与输入电压
近似成比例，故伺服比例放大器增益Ka的数学模型为下式（8）所示：
进一步建立位移传感器增益Kf的数学模型如下式（9）所示：
其中，
为反馈电流信号，V；
为液压缸活塞位移，m；进一步得到所述系统在液压缸下行时的开环传递函数。
优选地，步骤S2中，所述采用改进粒子群算法对热冲压成形运动系统的运动曲线进行多约束优化，得到五次多项式运动位移曲线方程，具体步骤为：
A21、引入运动轨迹的加加速度作为约束条件，根据系统设置的条件及参数，得到位移、速度、加速度和加加速度的矩阵表达式如下式11所示：
其中，
、
、
、
、
为活动横梁初始运动位移、速度、加速度、加加速度和时间，
、
、
、
、
为活动横梁运动终止时位移、速度、加速度、加加速度和时间，a 0、a 1、a 2、a 3、a 4和a 5为多项式系数；
A22、根据式（11）分析运动状态，确定优化约束条件方程组为下式（12）所示：
A23、选用改进粒子群算法对热冲压成形运动系统的运动曲线进行多约束优化，得到如式（13）所示五次多项式运动位移曲线：
（13）。
优选地，步骤S3中，所述设计滑模控制器，具体步骤为：
首先，根据热冲压成形运动系统控制策略，构建状态空间方程、定义系统误差函数及滑模面，表达式依次为下式（14）、式（15）和式（16）所示：
其中，x为液压缸输出位移；P 1为液压缸无杆腔压力；e为期望位移与实际位移差；
为期望位移值；
为滑模控制器切换函数；
、
、
为切换函数系数；
再者，结合表达式为下式（17）所示的等速趋近律，由式（15）和式（16）可得到控制率
，其表达式为下式（18）所示：
接着，由式（1）、式（2）和式（3），得出下式（19）：
最后，结合式（15）、式（16）和式（17），得出
和
，具体表达式如下式（20）所示：
根据式（14）-（20）定义Lyapunov函数
，并根据判定条件得出
，经过带入转化，得出
；因此，函数收敛，以上设定均合理且满足控制要求。
本发明具备如下有益效果：
本发明通过结合热冲压成形工艺设计了热冲压成形运动系统，并提出了基于运动曲线优化的平稳性运动控制方案，建立五次曲线运动模型；采用改进粒子群算法对无冲击运动曲线完成优化，设计了滑模控制器；通过仿真和实验证明，五次曲线运动控制方案下，有效降低了运动冲击和振动。相对于传统运动控制方案，运动精度提高了60%，速度突变降低了50%，有效的提高了热冲压过程中活动横梁运动的可靠性。因此，本发明能够满足热冲压运动工艺中对运动精度和速度稳定性的要求，实现热冲压成形过程中的稳定运动状态和产品的高质量、高效率生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为高速热冲压液压机的传统运动曲线图；
图2为实施例1中设计的热冲压成形运动系统的结构示意图；
图3为高频响比例伺服阀阀控液压缸控制系统传递框图；
图4为仿真控制系统的原理图；
图5为传统运动控制方案和五次曲线运动控制方案下位移跟踪误差曲线图一；
图6为传统运动控制方案下的位移和速度曲线图一；
图7为五次曲线运动控制方案下位移和速度曲线图一；
图8为传统运动控制方案和五次曲线运动控制方案下位移跟踪误差曲线图二；
图9为传统运动控制方案下位移和速度曲线图二；
图10为五次曲线运动控制方案下位移和速度曲线图二；
附图标记：1、蓄能器；2、泵组；3、下油箱；4、溢流阀一；5、保护阀组；6、插装阀组；7、高频响插装阀组；8、高频响比例伺服阀；9、溢流阀二；10、溢流阀三；11、数据处理模块；12、压力传感器一；13、充液阀；14、上油箱；15、位移传感器；16、液压缸；17、压力传感器二。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
实施例1
参照图1，一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法，包括以下步骤：
S1、热冲压成形运动系统建模并分析：
参照图1，为高速热冲压液压机的传统运动曲线，可知高速热冲压液压机的整体运动过程分为五个阶段，分别为T1 至 T2快降阶段、T2至T5减速成形阶段、T5至T6保压阶段、T6至T7开模阶段、T7至T8快速回程阶段和T8至T9减速慢回程阶段。针对下降成形阶段，高速下落阶段时间较长，因此在减速转折点会产生较大的冲击和抖动现象。传统方案中采用多点转折，减小T2点转折变化的速度，但是仍然会造成多点转折处的冲击等问题。因此，为了减轻成形中的快降及压制的运动冲击，本发明首先对运动方案中的热冲压成形运动系统进行分析设计。
为了有效的研究快降及压制运动过程，本发明对传统液压系统进行提取及改进，提供了热冲压成形运动系统，参照图2，所述系统包括：蓄能器1，用于在系统运行时充能，当系统压力低于蓄能器1设定压力时释放能量；泵组2，用于为系统供油，泵组2出口处油路与蓄能器1连接；下油箱3，用于存储系统的液压油，并为上油箱14提供液压油；溢流阀一4，用于稳定系统泵组2出口处压力，起保护作用，其一端连接回油路，另一端连接下油箱3；保护阀组5，用于在系统停止或出现故障时快速回油泄压，其一端连接油路，另一端连接下油箱3；插装阀组6，用于调节系统泵组2供油端的油量大小，对高频响比例伺服阀8所受冲击起缓冲作用；高频响插装阀组7，用于精准控制回油流量大小，起到稳定调节液压缸16速度的作用；高频响比例伺服阀8，用于精准调节液压缸16进油口的补油流量，达到对液压缸16行程的精准控制；溢流阀二9，用于对液压缸16进油管路起到溢流保护作用，其一端连接进油路，另一端连接下油箱3；溢流阀三10，用于对液压缸16回油管路起到溢流保护作用，其一端连接回油路，另一端连接下油箱3；数据处理模块11，用于采集压力、位移信号，对采集的压力、位移信号进行综合处理并做出判断，反馈输出高频响插装阀组7开合控制信号，进而控制液压缸16的位移；压力传感器一12，用于测量液压缸16进油口的压力大小，其一端接在进油路，另一端接在数据处理模块11；充液阀13，用于快速为液压缸16提供液压油，保证速度稳定；上油箱14，位于系统顶部，用于为充液阀13储油；位移传感器15，用于反馈液压缸16的位移信号，其装在液压缸16的内部，伸出信号线接在数据处理模块；液压缸16，用于作为热冲压成形运动系统的执行机构；压力传感器二17，用于测量液压缸16出油口的压力大小，其一端接在回油路，另一端接在数据处理模块11。
这里，本发明采用高频响比例伺服阀8控制回油路插装阀组6的开（合）度，完成精准的流量控制，在进油口设置插装阀组6实现快速进油，并设置高频响比例伺服阀8实现精确的补油及压制过程中的速度控制。其次，直接通过内置位移传感器15及压力传感器一12和压力传感器二17将信号反馈至数据处理模块11中处理，实现对速度和压力的实时稳定控制。
基于上述设计的热冲压成形运动系统，分析活动横梁快降时热冲压成形运动系统的动力学特点。具体地，根据设计的热冲压成形运动系统，得出快降运动阶段及压制阶段的伺服系统方块图，如图3所示。为便于系统的建模分析，这里假定热冲压成形运动系统连接管道与高频响比例伺服阀8均处于理想状态，内外泄露为层流流动。此外，还定义负载力为成形时的反作用力，忽略弹性负载、粘性负载和惯性力等，由此可得阀的线性化流量方程、液压缸的流量连续性方程及力平衡方程依次如下式（1）（2）和（3）所示：
其中，
为负载流量，
；
为伺服阀的阀芯位移，
；
为流量系数，
；
为流量压力系数，
；
为负载压力，
；
为液压缸无杆腔活塞有效作用面积，
；
为活塞杆有效位移输出，
；
为液压缸外泄漏系数，
；
为液压缸内泄漏系数，
；
为液压缸无杆腔压力，
；
为液压缸有杆腔压力，
；
为液压缸无杆腔的有效容积，
；
为有效体积弹性模量，
；
为液压缸有杆腔活塞有效作用面积，
；
为活塞及滑块总质量，
；
为负载弹簧刚度，
；
为作用在活塞上的外负载力，
。
由上述式（1）、式（2）和式3可得阀控非对称缸的总输出位移
，具体表示如下式（4）所示：
由于系统中，粘性摩擦引起的能量损耗可以忽略不计，故可以将上述式（4）简化为下式（5）：
其中，
为液压缸固有频率；
为液压阻尼比，一般取值0.1～0.2。
根据式（5）可进一步求得液压缸6的输出位移对高频响比例伺服阀给定输出位移的传递函数及液压缸输出位移对高频响比例伺服阀给定负载力的传递函数依次为如下式（6）、式（7）所示：
此外，由于伺服比例放大器的电流
与输入电压
近似成比例，伺服比例放大器增益Ka的数学模型如下式（8）所示：
进一步建立位移传感器增益Kf的数学模型如下式（9）所示：
其中，
为反馈电流信号，V；
为液压缸活塞位移，m。
由此。通过上述式（1）至式（9），可推出高频响比例伺服阀阀控液压缸控制系统传递框图，如图3所示。
由上述高频响比例伺服阀阀控液压缸控制系统传递函数框图，可以得到系统液压缸下行时的开环传递函数为下式（10）所示：
其中，
。
S2、采用改进粒子群算法对热冲压成形运动系统的运动曲线进行多约束优化，得到五次多项式运动位移曲线方程，建立五次曲线运动模型；
运动轨迹曲线优化在机械臂和机器人运动控制策略中能够有效的解决最小运动时间和最小运动冲击耦合问题。五次曲线具有良好的加速度连续性，能够有效降低热冲压过程中活动横梁的运动冲击。
具体地，包括以下步骤：
A21、为了保证加速度连续且无突变，引入运动轨迹的加加速度作为约束条件。因此，根据系统条件得到关于位移、速度、加速度和加加速度的矩阵表达式如下式（11）所示：
其中，
、
、
、
、
为活动横梁初始运动位移、速度、加速度、加加速度和时间；
、
、
、
、
为活动横梁运动终止时位移、速度、加速度、加加速度和时间；a 0、a 1、a 2、a 3、a 4和a 5为多项式系数。
A22、根据式（11）分析运动状态，确定优化约束条件方程组如下式（12）所示：
由活动横梁运动特性可知，为了实现快速无冲击运动曲线的设计，在非线性系统中需要设定多个约束保证合理解决时间和冲击的耦合现象。多目标优化即指在目标约束之间通过调和寻优的方式，找到全局最优组合解。此处，多目标优化产生的非劣均衡解为巴列托最优解。根据先进优化算法在多目标机械手运动轨迹优化的应用中，选用改进粒子群算法对热冲压成形运动系统的运动曲线进行多约束优化，最终得到五次多项式运动位移曲线方程如式（13）所示：
从而完成对无冲击运动曲线的优化。
S3、设计滑模控制器；
为了应对热冲压成形运动系统中的非线性和不确定性问题，本发明设计了具有较强适应能力的滑模控制器。
具体地，首先，根据热冲压成形运动系统控制策略，构建状态空间方程、定义系统误差函数及滑模面的表达式依次如下式（14）、式（15）和式（16）所示：
其中，x为液压缸输出位移；P 1为液压缸无杆腔压力；e为期望位移与实际位移差；
为期望位移值；
为滑模控制器切换函数；
、
、
为切换函数系数。
再者，结合表达式为式（17）所示的等速趋近律，由式15和式16可得到控制率
，其表达式如式（18）所示：
接着，由上述式（1）、式（2）和式（3），可得出下式（19）：
最后，结合式（15）、式（16）和式（17），得出
和
，具体表达式如下式（20）所示：
根据以上式（1）-式（20），首先定义Lyapunov函数
，并根据判定条件得出
，经过带入转化，得出
。因此，函数收敛，以上设定均合理且满足控制要求。
实施例2
通过仿真和实验对实施例1中的设计方案进行验证。
（一）、通过AMEsim和Simulink联合仿真对实施例1中的设计方案进行验证；
具体地，根据试验台元件参数，在AMEsim中建立如表1所示参数的热冲压成形运动系统的仿真模型。同时，通过联合仿真接口，在Simulink中建立控制系统，建立设计仿真控制系统原理图，如图4所示。根据式（18）和式（20）滑模控制器的控制模型，建立控制器的S-Function，并在模型中设置传统运动方案控制对照组。通过软件结合，进行仿真测试。根据实验中的液压元件性能，可得控制器中的状态方程的参数如表2所示。
表1.热冲压成形运动系统仿真模型的主要液压元件及其参数
表2.基本参数表
（2）仿真结果分析
如图5所示，为五次曲线运动控制方案和传统运动控制方案下的位移跟踪误差曲线图一。
由图5结果可知，相较于传统运动控制方案，五次曲线运动控制方案下的位移跟踪效果更好，全程误差保持在±0.05以内，且最终误差仅为0.001mm。传统运动控制方案运动虽然能够实现稳定的位移运动跟踪，但是相对五次曲线运动控制方案的运动误差较大，且在运动过程中存在多处较大落差点，最终误差达到0.1mm。因此，通过仿真分析验证了在改进后的五次曲线运动控制方案下，能够满足设计中对模型运动误差的要求，并且，五次曲线运动控制方案相对于传统运动控制方案的位移控制精度提升了0.099mm。
如图6和图7所示，分别为传统运动控制方案下的位移和速度的曲线图一和五次曲线运动控制方案下的位移和速度曲线图一。
由图6结果可知，传统运动控制方案下，虽然对运动曲线采取多点转折优化，但是在3.8s、5.8s、7s、9s处仍然出现了较明显的速度突变。其中，最大速度突变达到42.1mm/s，这会造成活动横梁在运动过程中该点的振动、管道冲击和活动横梁不平衡等问题。
由图7结果可知，相对于传统运动控制方案，五次曲线运动控制方案下，在1.8s后运动速度达到预期的无冲击效果，在9s之后的稳态运动收尾阶段，震荡保持在0.1mm/s以内，这能够很好的实现稳定性的设计要求。因此本发明设计的滑模（变自适应）控制器及优化后的五次曲线运动模型能够较好的消除活动横梁在快降中产生的位移误差和冲击振动现象。故通过仿真分析验证了五次曲线运动控制方案的系统合理性，完成了稳定变速、高精度、低冲击系统的建立。
（二）、通过实验对实施例1中的设计方案进行验证；
（1）搭建了液压成形装备试验台：
表3.主要液压元件及其参数
为了实现五次曲线运动运动控制模型的实际应用，本发明搭建了液压成形装备试验台，其主要液压元件及其相关参数见表3。其中，工控机作为主控计算机，通过模拟量及数字量信号采集卡完成信号的收集，利用Simulink实时平台完成信号处理及控制信号输出。
基于此，通过对主缸位移实现跟踪控制，完成热冲压成形运动系统、运动曲线和控制器的系统实验验证。其次，试验台中针对改进的五次曲线运动控制方案，设置了多个压力和位移传感器，用于监控系统的运行状态，实时改进控制方案。最后，在实验中设置传统运动控制方案的实验对照组，完成五次曲线运动控制方案可行性及应用性的验证。
（2）实验数据分析
本发明实施例中实验选用两种控制方案分别匹配运动模型进行验证。实验结果如图8至图10所示。
图8为传统运动控制方案和五次曲线运动控制方案下位移跟踪误差曲线图二，由图8结果可知，五次曲线运动控制方案的误差在0位上下跳动，但是始终维持在0.1mm内，并且最终误差缓慢减少，运动终止误差仅为0.01mm。传统运动控制方案在实验中误差整体呈减小趋势，但是相对于仿真中的4s之后的阶段稳定性应用性交差，运动终止误差达0.694mm。由以上数据得知，五次曲线运动方案相对于传统运动方案在应用时的综合位移跟踪精度提升了60%。
图9、图10分别为传统运动控制方案下的位移和速度曲线图二和五次曲线运动控制方案下的位移和速度曲线图二。
由图9和图10结果可知，在6s之后两种控制方案下运动速度大幅减小，均存在一定的速度波动。但是，相对于传统运动方案，五次曲线运动控制方案下的运动速度稳定减小，在对应5.8s、7s、9s处无速度突变。
此外，图9和图10结果还可得出，传统运动控制方案下的最大速度突变高达47.46mm/s，而五次曲线运动控制方案下的速度突变仅为15.59mm/s，综合相对稳定性提高了50%。另外，在传统运动控制方案应用时，在速度转变时，相对于仿真中的数据，存在突变峰，增加了抖动造成活动横梁偏移运行的风险。因此五次曲线运动控制方案能够有效改善传统运动控制方案中活动横梁运动过程中的非线性冲击振动并提高了位移运动精度。
（3）系统应用性分析
通过仿真和实验验证可知，与传统运动控制方案相比，以五次多项式运动曲线模型和滑模变控制器相结合改善了传统方案中速度突变问题。该运动模型较好的消除了活动横梁运动过程中速度突变带来的冲击和振动等问题。同时，验证了高频响比例伺服阀8配合下的高精度非线性热冲压成形运动系统控制的优异应用性能。最后，系统以工控机SimulinkRealtime为平台为更先进的控制方案、优化算法和控制器的生产应用打下了基础。
综上，为了解决热冲压生产过程中活动横梁运动的冲击等问题，本发明提出了基于运动曲线优化的平稳性运动控制方案，建立五次曲线运动模型，设计滑模控制器，最终通过仿真和实验证明，五次曲线运动控制方案下，有效降低了运动冲击和振动。相对于传统运动控制方案，运动精度提高了60%，速度突变降低了50%，有效的提高了热冲压过程中活动横梁运动的可靠性。因此，本发明能够满足热冲压运动工艺中对运动精度和速度稳定性的要求，且经过后续研究能够实现不同工艺要求的快速和高质量应用，促进热冲压成形的发展。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所做出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、热冲压成形运动系统建模并分析：
S11、设计热冲压成形运动系统，所述系统包括：
蓄能器，用于在系统运行时充能，当系统压力低于蓄能器设定压力时释放能量；
泵组，用于为系统供油，泵组出口处油路与蓄能器连接；
下油箱，用于存储系统的液压油，并为上油箱提供液压油；
溢流阀一，用于稳定系统泵组出口处压力，起保护作用，其一端连接回油路，另一端连接下油箱；
保护阀组，用于在系统停止或出现故障时快速回油泄压，其一端连接油路，另一端连接下油箱；
插装阀组，用于调节系统泵组供油端的油量大小，对高频响比例伺服阀所受冲击起缓冲作用；
高频响插装阀组，用于精准控制回油流量大小，起到稳定调节液压缸速度的作用；
高频响比例伺服阀，用于精准调节液压缸进油口的补油流量，达到对液压缸行程的精准控制；
溢流阀二，用于对液压缸进油管路起到溢流保护作用，其一端连接进油路，另一端连接下油箱；
溢流阀三，用于对液压缸回油管路起到溢流保护作用，其一端连接回油路，另一端连接下油箱；
数据处理模块，用于采集压力、位移信号，对采集的压力、位移信号进行综合处理并做出判断，反馈输出高频响插装阀组开合控制信号，进而控制液压缸的位移；
压力传感器一，用于测量液压缸进油口的压力大小，其一端接在进油路，另一端接在数据处理模块；
充液阀，用于快速为液压缸提供液压油，保证速度稳定；
上油箱，位于系统顶部，用于为充液阀储油；
位移传感器，用于反馈液压缸的位移信号，其装在液压缸的内部，伸出信号线接在数据处理模块；
液压缸，用于作为热冲压成形运动系统的执行机构；
压力传感器二，用于测量液压缸出油口的压力大小，其一端接在回油路，另一端接在数据处理模块；
S12、对所述热冲压成形运动系统进行建模分析，得到在液压缸下行时的开环传递函数为下式（10）所示：
其中，
；
S2、采用改进粒子群算法对热冲压成形运动系统的运动曲线进行多约束优化，得到五次多项式运动位移曲线方程，建立五次曲线运动模型；
S3、设计滑模控制器。
2.根据权利要求1所述一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法，其特征在于，步骤S12中，对所述热冲压成形运动系统进行建模分析，包括以下步骤：
S121、假定热冲压成形运动系统连接管道与高频响比例伺服阀均处于理想状态，内外泄露为层流流动，另定义负载力为成形时的反作用力，忽略弹性负载、粘性负载和惯性力，由此得到高频响比例伺服阀的线性化流量方程、液压缸的流量连续性方程及力平衡方程依次为下式（1）、式（2）和式（3）所示：
其中，
为负载流量，
；
为伺服阀的阀芯位移，
；
为流量系数，
；
为流量压力系数，
；
为负载压力，
；
为液压缸无杆腔活塞有效作用面积，
；
为活塞杆有效位移输出，
；
为液压缸外泄漏系数，
；
为液压缸内泄漏系数，
；
为液压缸无杆腔压力，
；
为液压缸有杆腔压力，
；
为液压缸无杆腔的有效容积，
；
为有效体积弹性模量，
；
为液压缸有杆腔活塞有效作用面积，
；
为活塞及滑块总质量，
；
为负载弹簧刚度，
；
为作用在活塞上的外负载力，
；
S122、根据式（1）、式（2）和式3得到阀控非对称缸的总输出位移
，具体表示如下式（4）所示：
由于系统中的粘性摩擦引起的能量损耗忽略不计，故将式（4）简化为下式（5）：
其中，
为液压缸固有频率；
为液压阻尼比，一般取值0.1～0.2；
S123、根据式（5）进一步求得液压缸的输出位移对高频响比例伺服阀阀给定输出位移的传递函数、及液压缸输出位移对高频响比例伺服阀阀给定负载力的传递函数依次为下式（6）、式（7）所示：
S124、由于伺服比例放大器的电流
与输入电压
近似成比例，故伺服比例放大器增益Ka的数学模型为下式（8）所示：
进一步建立位移传感器增益Kf的数学模型为下式（9）所示：
其中，
为反馈电流信号，V；
为液压缸活塞位移，m；进一步得到所述系统在液压缸下行时的开环传递函数。
3.根据权利要求2所述一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述采用改进粒子群算法对热冲压成形运动系统的运动曲线进行多约束优化，得到五次多项式运动位移曲线方程，具体步骤为：
A21、引入运动轨迹的加加速度作为约束条件，根据系统设置的条件及参数，得到位移、速度、加速度和加加速度的矩阵表达式如下式11所示：
其中，
、
、
、
、
为活动横梁初始运动位移、速度、加速度、加加速度和时间，
、
、
、
、
为活动横梁运动终止时位移、速度、加速度、加加速度和时间，a 0、a 1、a 2、a 3、a 4和a 5为多项式系数；
A22、根据式（11）分析运动状态，确定优化约束条件方程组为下式（12）所示：
A23、选用改进粒子群算法对热冲压成形运动系统的运动曲线进行多约束优化，得到如式（13）所示五次多项式运动位移曲线：
4.根据权利要求3所述一种基于滑模控制器的热冲压运动曲线优化控制方法，其特征在于，所述设计滑模控制器，具体步骤为：
首先，根据热冲压成形运动系统控制策略，构建状态空间方程、定义系统误差函数及滑模面，表达式依次为下式（14）、式（15）和式（16）所示：
其中，x为液压缸输出位移；P 1为液压缸无杆腔压力；e为期望位移与实际位移差；
为期望位移值；
为滑模控制器切换函数；
、
、
为切换函数系数；
再者，结合表达式为下式（17）所示的等速趋近律，由式（15）和式（16）可得到控制率
，其表达式为下式（18）所示：
接着，由式（1）、式（2）和式（3），得出下式（19）：
最后，结合式（15）、式（16）和式（17），得出
和
，具体表达式如下式（20）所示：
根据式（14）-（20）定义Lyapunov函数
，并根据判定条件得出
，经过带入转化，得出
；因此，函数收敛，以上设定均合理且满足控制要求。
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|---|---|---|---|---|
| CN116653347A (zh) * | 2023-07-27 | 2023-08-29 | 合肥合锻智能制造股份有限公司 | 一种基于五次多项式优化的伺服冲压工艺曲线控制方法 |
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