專利名稱：大型模鍛水壓機分配器控制系統(tǒng)的制作方法
專利說明大型模鍛水壓機分配器控制系統(tǒng) 本發(fā)明涉及模鍛水壓機的控制系統(tǒng)，特別是模鍛水壓機分配器的控制系統(tǒng)。大型模鍛水壓機是機械制造工業(yè)中的一種重要機械設(shè)備，用于鍛造普通合金鍛件或帶孔的復(fù)雜鍛件。模鍛加工過程由四個可移動部分按順序協(xié)同動作完成，它們是垂直橫梁，左、右水平部分和移動工作臺，各部分的運動速度和行程都采用“油控水”方式實現(xiàn)控制，油壓系統(tǒng)帶動分配器，分配器控制水閥。分配器軸上安裝有一組凸輪，凸輪的形狀和安裝位置不同，當(dāng)分配器轉(zhuǎn)動到不同的角度設(shè)定值時，凸輪帶動相應(yīng)的頂桿上升或下降，從而打開或關(guān)閉相應(yīng)的水閥，高壓水進入不同的工作缸驅(qū)動可移動工作部分完成模鍛加工動作。目前，大型模鍛水壓機分配器的控制系統(tǒng)采用自整角機作為轉(zhuǎn)角設(shè)定和跟蹤傳感器，由極化繼電器和相敏放大器構(gòu)成模擬控制器。這種控制系統(tǒng)主要存在如下問題位置控制精度低，轉(zhuǎn)角跟蹤誤差大，達到±9°，欠壓量大；位置跟蹤過程產(chǎn)生振蕩，引起模鍛過程壓力波動，使鍛件內(nèi)部織構(gòu)不均勻，影響模鍛件質(zhì)量。欠壓量是用來描述模鍛加工精度的物理量，它受壓力、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角跟蹤誤差等因素的影響，其中轉(zhuǎn)角誤差的影響最大，減小欠壓量最有效的措施是提高分配器轉(zhuǎn)角位置的精度；然而分配器凸輪形狀曲線復(fù)雜，轉(zhuǎn)動慣量較大，機械系統(tǒng)折算到分配器軸上的轉(zhuǎn)動慣量是轉(zhuǎn)角的非線性函數(shù)，減小角度跟蹤誤差會使其轉(zhuǎn)動產(chǎn)生振蕩，如果分配器轉(zhuǎn)動產(chǎn)生振蕩，就會引起模鍛壓力波動，使鍛件內(nèi)部織構(gòu)和系統(tǒng)的可靠性變差。本發(fā)明的目的是提高大型模鍛水壓機分配器的轉(zhuǎn)角位置控制精度，減少分配器的欠壓量和消除轉(zhuǎn)角振蕩。本發(fā)明采用絕對式光電編碼器和可編程序控制器構(gòu)成控制系統(tǒng)驅(qū)動分配器轉(zhuǎn)動。采用分段調(diào)整控制策略，減少分配器的跟蹤誤差，消除分配器轉(zhuǎn)角振蕩，提高鍛件尺寸的加工精度和內(nèi)部織構(gòu)質(zhì)量。本發(fā)明主要包括以下幾方面內(nèi)容首先用絕對式光電編碼器代替自整角機作為轉(zhuǎn)角設(shè)定和跟蹤傳感器。轉(zhuǎn)角給定光電編碼器安裝在操作臺上，通過彈性連軸節(jié)和操作手柄的轉(zhuǎn)動軸相連，轉(zhuǎn)角檢測光電編碼器安裝在分配器軸端，也用彈性連軸節(jié)和分配器轉(zhuǎn)動軸連接。操作手柄給出分配器轉(zhuǎn)角的設(shè)定值，編碼器把操作手柄和分配器的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成多位二進制數(shù)字信號，送到PLC開關(guān)量輸入模塊。再用可編程序控制器構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)代替由極化繼電器和相敏放大器構(gòu)成控制器的模擬控制系統(tǒng)?？删幊绦蚩刂破鞯拈_關(guān)量輸出模塊輸出控制信號給相應(yīng)的伺服電磁閥，控制液壓缸，帶動齒條齒輪傳動裝置，驅(qū)動分配器轉(zhuǎn)動，分配器軸上的凸輪帶動相應(yīng)的頂桿上升或下降，打開或關(guān)閉相應(yīng)的水閥改變高壓水的壓力。應(yīng)用基于分段調(diào)整的智能控制技術(shù)，將分配器轉(zhuǎn)角跟蹤過程分為兩個階段進行調(diào)整。第一階段為分配器轉(zhuǎn)角快速向設(shè)定值運動階段，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)算法，根據(jù)高壓水的壓力、分配器轉(zhuǎn)角跟蹤誤差和轉(zhuǎn)角跟蹤誤差變化率的大小計算出合適的斷電時間提前量，使電磁閥斷電，驅(qū)動系統(tǒng)由于慣性作用，分配器繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一個角度后停下；第二階段為分配器轉(zhuǎn)角精確調(diào)整階段，判斷轉(zhuǎn)角跟蹤誤差是否滿足設(shè)定的范圍，若不滿足，則根據(jù)轉(zhuǎn)角跟蹤誤差的大小和符號、高壓水的壓力和要求的控制精度，采用模糊推理規(guī)則決定給相應(yīng)的電磁閥再次通電的時間，讓分配器繼續(xù)轉(zhuǎn)動一個比較小的角度，使其轉(zhuǎn)角跟蹤的誤差達到要求。
通過上述控制裝置和控制算法，分配器的跟蹤誤差由±9°減少為±3°，減小了欠壓量，解決了大型模鍛水壓機因欠壓量大影響模鍛件尺寸加工精度的難題，改善了模鍛件的內(nèi)部織構(gòu)和質(zhì)量，同時提高了水壓機控制系統(tǒng)的工作可靠性。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。


圖1分配器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為分段調(diào)整控制系統(tǒng)原理框圖；圖3εi-NN結(jié)構(gòu)示意圖。分配器控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，轉(zhuǎn)角給定光電編碼器4安裝在操作臺1上，通過彈性連軸節(jié)3和操作手柄2的轉(zhuǎn)動軸相連，轉(zhuǎn)角檢測光電編碼器6安裝在分配器軸端，也用彈性連軸節(jié)3和分配器轉(zhuǎn)動軸7連接。操作手柄2給出分配器轉(zhuǎn)角的設(shè)定值，編碼器把操作手柄和分配器的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成多位二進制數(shù)字信號，通過電纜5送到PLC開關(guān)量輸入模塊。由可編程序控制器計算出控制量信號經(jīng)可編程序控制器的開關(guān)量輸出模塊輸出給相應(yīng)的伺服電磁閥11，控制液壓缸10，帶動齒條齒輪傳動裝置12、9，驅(qū)動分配器轉(zhuǎn)動。分配器軸上安裝有一組凸輪13，凸輪的形狀和安裝位置不同，當(dāng)分配器轉(zhuǎn)動到不同的角度設(shè)定值時，凸輪帶動相應(yīng)的頂桿8上升或下降，從而打開或關(guān)閉相應(yīng)的水閥改變高壓水的壓力。
如圖2，水壓機分配器轉(zhuǎn)角可分為二個階段，第一階段為分配器轉(zhuǎn)角快速向設(shè)定值運動階段，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)εi-NN算法根據(jù)此時高壓水的壓力、分配器轉(zhuǎn)角跟蹤誤差和轉(zhuǎn)角跟蹤誤差變化率的大小按擬合計算出合適的斷電時間提前量εi，使電磁閥斷電，驅(qū)動系統(tǒng)由于慣性作用，分配器繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一個角度后停下；第二階段為分配器轉(zhuǎn)角精確調(diào)整階段，判斷轉(zhuǎn)角跟蹤誤差Δθi是否滿足-δi＜Δθi＜δi，若不滿足，則根據(jù)Δθi的大小和符號、高壓水的壓力和要求的控制精度δi采用模糊推理規(guī)則決定給相應(yīng)的電磁閥再次通電的時間τi，讓分配器繼續(xù)轉(zhuǎn)動一個比較小的角度，從而使其轉(zhuǎn)角跟蹤的誤差達到±3°以內(nèi)。例如，操作手柄可在0°～180°范圍內(nèi)移動，分別設(shè)置“空程”、“工作”、“回程”和“停止”四個位置，它們分別對應(yīng)一定的角度值。模鍛工作時，扳動操作手柄，給出要求的分配器轉(zhuǎn)動的角度值，假定為“回程”50°，要求的控制精度δi為±3°，則先根據(jù)此時高壓水的壓力、分配器轉(zhuǎn)角跟蹤誤差和轉(zhuǎn)角跟蹤誤差變化率的大小按神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合輸出一個電磁閥斷電時間提前量讓分配器轉(zhuǎn)動到大約40°的位置，由于慣性作用，它會繼續(xù)轉(zhuǎn)動一個角度，假定停在43°的位置，此時轉(zhuǎn)角跟蹤誤差Δθi為50°-43°＝+7°，而控制精度δi為±3°，不滿足-δi＜Δθi＜δi。由于Δθi的符號為正，根據(jù)Δθi的大小、高壓水的壓力和要求的控制精度δi采用模糊推理規(guī)則算出給相應(yīng)的伺服閥再次通電的時間τi，讓分配器繼續(xù)同向轉(zhuǎn)動5°，加上分配器慣性作用繼續(xù)轉(zhuǎn)動1°，則分配器在整個過程中一共轉(zhuǎn)過了49°，足50±3°范圍的精度要求，且不會出現(xiàn)振蕩情況。
εi-NN算法和模糊推理控制控制算法的具體實現(xiàn)分列如下a.εi-NN算法采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)斷電提前量εi的擬合。輸入層節(jié)點3個，分別為轉(zhuǎn)角跟蹤誤差Δθi及其變化率Δθi&以及壓力Pi等，要進行歸一化處理；由于訓(xùn)練時間受到生產(chǎn)實際情況的限制，隱含層節(jié)點Q取5個；輸出層節(jié)點1個，為提前量εi。由于εi不能為負(fù)值，所以輸出層神經(jīng)元的活化函數(shù)取非負(fù)的Sigmoid函數(shù)，而隱含層神經(jīng)元的活化函數(shù)可取正負(fù)的Sigmoid函數(shù)。
第i個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN的輸入為 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入輸出為netn2(k)=Σm=03wmn2om1(k)on2(k)=f[netn2(k)](n=0,1,,L4)OQ2(k)=1---(2)]]>式中wmn2為隱含層加權(quán)系數(shù)；w3n2為閾值，w3n2=1;]]>f(·)為活化函數(shù)，f(·)＝tanh(x)為超越正切函數(shù)；上角標(biāo)1、2、3分別表示輸入層、隱含層和輸出層。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸入輸出為net13(k)=Σn=0Qwn13on2(k)o13(k)=g[net13(k)]=ϵi(k)---(3)]]>式中wn13為輸出層加權(quán)系數(shù)；w513為閾值，w513=1;]]>g(·)為活化函數(shù)，g(·)＝[1+tanh(x)]/2。
取性能指標(biāo)函數(shù)為J(k)＝[Δθie(k)]2/2 (4)式中Δθie(k)＝Δθi(k)-δi，Δθie(k)為開關(guān)電磁閥再接通時間τi后剩余跟蹤誤差Δθi(k)與δi比較的差值。
依最速下降法修正網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)系數(shù)，即按J對加權(quán)系數(shù)的負(fù)梯度方向搜索調(diào)整，并附加一項加速收斂全局極小的慣性項，則有Δwmn2(k+1)=-η∂J(k)∂wmn2+αΔwmn2(k)---(5)]]>Δwn13(k+1)=-η∂J(k)∂wn13+αΔwn13(k)---(6)]]>式中η為學(xué)習(xí)速率；α為慣性系數(shù)。
自學(xué)習(xí)εi-NN算法網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采用離線和在線相結(jié)合的方法，在調(diào)試期間由現(xiàn)場控制器采集Δθi(k)、Δθi&和Pi，存儲在計算機中，進行訓(xùn)練得到合適的提前量εi，再進行試運行，通過學(xué)習(xí)機制做合適的微調(diào)。自學(xué)習(xí)算法由操作監(jiān)控計算機在模鍛過程中的兩個進程之間的間隙時間內(nèi)執(zhí)行，并對算出的微調(diào)量進行判斷，優(yōu)化提前量εi。高壓水的壓力范圍在2000～10000噸時，斷電時間提前量的范圍是給定轉(zhuǎn)角的10％～15％。
b.模糊推理控制算法系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計中，充分考慮專家經(jīng)驗；采用量化的方法建立三角形隸屬度函數(shù)；通過經(jīng)驗歸納法IF...THEN...建立模糊控制規(guī)則；采用Mamdani模糊推理算法，進行似然推理；得到再次通電時間的模糊量τi，解模糊后，得到再次通電時間τi。
根據(jù)本系統(tǒng)控制精度的要求，轉(zhuǎn)角跟蹤誤差Δθi和θri的模糊變量Δθi取為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。壓力Pi事先設(shè)定一標(biāo)準(zhǔn)值，檢測值和標(biāo)準(zhǔn)值的偏差除以標(biāo)準(zhǔn)值的比值的模糊變量Pi取為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。通電時間τi的模糊變量τi取為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，即{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，ZO對應(yīng)的再通電時間為0，N表示反轉(zhuǎn)，P表示正轉(zhuǎn)。
根據(jù)專家知識和操作人員經(jīng)驗積累，伺服閥再次通電時間τi的模糊推理規(guī)則如表1所示。
表1模糊控制規(guī)則表 如果在第二階段的精確調(diào)整出現(xiàn)分配器轉(zhuǎn)動角度不足或者過大，超過了控制精度規(guī)定的范圍，則說明再次通電時間τi的范圍設(shè)置過大或上述模糊控制規(guī)則表不合理，應(yīng)該重新設(shè)置τi的范圍或建立新的合理的模糊控制規(guī)則。高壓水的壓力范圍在2000～10000噸時，采用模糊推理規(guī)則給相應(yīng)的電磁閥再次通電的時間范圍為1～1.5秒。
權(quán)利要求
1.一種大型模鍛水壓機分配器控制系統(tǒng)，包括操作臺，操作手柄和分配器，其特征在于(1)用絕對式光電編碼器作為轉(zhuǎn)角設(shè)定和跟蹤傳感器，安裝在操作臺上的轉(zhuǎn)角給定光電編碼器，通過彈性連軸節(jié)和操作手柄的轉(zhuǎn)動軸相連，將操作手柄給轉(zhuǎn)角的設(shè)定值轉(zhuǎn)換成多位二進制數(shù)字信號，安裝在分配器軸端的轉(zhuǎn)角檢測光電編碼器，用彈性連軸節(jié)和分配器轉(zhuǎn)動軸連接，把分配器的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成多位二進制數(shù)字信號，二進制信號被送到PLC開關(guān)量輸入模塊，作為可編程序控制器構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)的輸入信號，可編程序控制器的開關(guān)量輸出模塊輸出控制信號給相應(yīng)的伺服電磁閥，控制液壓缸，帶動齒條齒輪傳動裝置，驅(qū)動分配器轉(zhuǎn)動，分配器軸上的凸輪帶動相應(yīng)的頂桿上升或下降，打開或關(guān)閉相應(yīng)的水閥改變高壓水的壓力；(2)用分段調(diào)整的智能控制技術(shù)，將分配器轉(zhuǎn)角跟蹤過程分為兩個階段進行調(diào)整，第一階段為分配器轉(zhuǎn)角快速向設(shè)定值運動階段，根據(jù)高壓水的壓力、分配器轉(zhuǎn)角跟蹤誤差和轉(zhuǎn)角跟蹤誤差變化率的大小，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)算法，計算出斷電時間提前量；第二階段為分配器轉(zhuǎn)角精確調(diào)整階段，當(dāng)轉(zhuǎn)角跟蹤誤差大于設(shè)定范圍時，采用模糊推理規(guī)則給相應(yīng)的電磁閥再次通電的時間，讓分配器繼續(xù)轉(zhuǎn)動一個比較小的角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分配器控制系統(tǒng)，其特征在于所述的高壓水的壓力范圍在2000～10000噸時，斷電時間提前量的范圍是給定轉(zhuǎn)角的10％～15％，采用模糊推理規(guī)則給相應(yīng)的電磁閥再次通電的時間范圍為1～1.5秒。
全文摘要
一種大型模鍛水壓機分配器的控制系統(tǒng)，用絕對式光電編碼器作為轉(zhuǎn)角設(shè)定和跟蹤傳感器，轉(zhuǎn)角給定光電編碼器將操作手柄給轉(zhuǎn)角的設(shè)定值轉(zhuǎn)換成多位二進制數(shù)字信號，轉(zhuǎn)角檢測光電編碼器把分配器的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成多位二進制數(shù)字信號，二進制信號被送到PLC開關(guān)量輸入模塊，由可編程序控制器構(gòu)成的數(shù)字控制系統(tǒng)輸出送給相應(yīng)的伺服電磁閥，控制液壓缸，帶動齒條齒輪傳動裝置，驅(qū)動分配器轉(zhuǎn)動；分配器轉(zhuǎn)角跟蹤過程分為快速向設(shè)定值運動階段和精確調(diào)整階段?？刂葡到y(tǒng)減小了欠壓量，提高了模鍛水壓機模鍛件尺寸加工精度，改善了模鍛件的內(nèi)部織構(gòu)和質(zhì)量，同時提高了水壓機控制系統(tǒng)的工作可靠性。
文檔編號B21J9/12GK1895809SQ20051003186
公開日2007年1月17日 申請日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者桂衛(wèi)華, 喻壽益, 賀建軍, 周繼能, 王 華, 陽春華, 謝永芳 申請人:中南大學(xué)