模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)，包括：S1、采集活動(dòng)橫梁的位移、速度、加速度、驅(qū)動(dòng)缸油壓、回程缸油壓和比例流量閥電壓數(shù)據(jù)；S2、根據(jù)以上數(shù)據(jù)，建立液壓系統(tǒng)方程；S3、由加速度、驅(qū)動(dòng)缸以及回程缸壓力傳感器得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出摩擦力Ff；S4、在模鍛壓機(jī)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下，由活動(dòng)橫梁的加速度、驅(qū)動(dòng)缸壓力傳感器及回程缸壓力傳感器得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，計(jì)算出負(fù)載力Fl；S5、根據(jù)加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律建立模鍛壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程；S6、控制器的控制算法方程；S7、聯(lián)立各式求出運(yùn)行速度；S8、根據(jù)v推導(dǎo)出活動(dòng)橫梁穩(wěn)定運(yùn)行、震蕩、爬行的判定條件。本發(fā)明提供的模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)適應(yīng)范圍廣、預(yù)測(cè)和評(píng)估準(zhǔn)確、安全隱患小。
【專利說(shuō)明】
模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及鍛造設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法及系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代高性能渦輪盤、飛機(jī)起落架等大型復(fù)雜整體構(gòu)件的服役工況趨于極端化，材 料的合金化程度不斷升高，并需整體鍛造，致使模鍛壓機(jī)必須提供萬(wàn)噸級(jí)的驅(qū)動(dòng)力以及極 大慣量的運(yùn)動(dòng)部件，如8萬(wàn)噸的模鍛壓機(jī)驅(qū)動(dòng)力最大可達(dá)8萬(wàn)噸以上且運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量超過(guò) 2800噸，因此稍有速度震蕩，就將對(duì)導(dǎo)向立柱產(chǎn)生很大的橫向附加力矩，導(dǎo)致模鍛壓機(jī)受 損，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的安全問(wèn)題。
[0003] 另一方面，等溫模鍛技術(shù)已成為難加工構(gòu)件成形制造的關(guān)鍵技術(shù)與必然趨勢(shì)。然 而，等溫鍛造位移區(qū)間小，速度低，材料成型工藝需要極穩(wěn)定的成形精度。其次，材料組織的 不均勻產(chǎn)生的鍛壓變形抗力的突變，以及柱塞缸低速摩擦力等，極易造成鍛造過(guò)程的速度 震蕩及爬行現(xiàn)象(在滑動(dòng)摩擦副中從動(dòng)件在勻速驅(qū)動(dòng)和一定摩擦條件下產(chǎn)生的周期性時(shí)停 時(shí)走或時(shí)慢時(shí)快的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象）。該現(xiàn)象對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)，甚至壓機(jī)的使用壽命都有嚴(yán)重的影 響。因此，對(duì)模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè)是獲得高性能鍛件的基礎(chǔ)，也是大型模鍛裝 備安全性的關(guān)鍵。
[0004] 經(jīng)檢索，《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2015年9月、第51卷第18期公開了名稱為"大型模鍛裝備 鍛造過(guò)程建模與運(yùn)行分析"的技術(shù)方案，該方案通過(guò)建立復(fù)雜鍛造過(guò)程的非線性模型，提出 基于非線性震動(dòng)分析理論的模鍛壓機(jī)速度求解方法，求出了模鍛壓機(jī)速度的近似解。但該 方案有如下問(wèn)題：
[0005] 1、只對(duì)模鍛壓機(jī)進(jìn)行離線建模，且其負(fù)載力模型對(duì)應(yīng)的鍛件形狀僅為長(zhǎng)坯狀，對(duì) 其他形狀鍛件的適應(yīng)性差，適應(yīng)范圍窄。
[0006] 2、只給出了閥的流量方程，流量連續(xù)性方程中的電壓u為常數(shù)，無(wú)法求解出速度的 精確解析解，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)與評(píng)估精確度不高。
[0007] 此外，中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版)2014年10月、第45卷第10期公開了名稱為"大型 模鍛壓機(jī)極低速穩(wěn)定運(yùn)行規(guī)律"的技術(shù)方案，該方案在計(jì)算過(guò)程中，只應(yīng)用了壓機(jī)運(yùn)行方程 -Z7； -f； + ，并通過(guò)將油壓p簡(jiǎn)化為線性變化關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出壓機(jī)運(yùn)行速 度解。在計(jì)算過(guò)程中未引入運(yùn)行方程、液壓系統(tǒng)以及控制器算法，其計(jì)算結(jié)果的精確性也較 差。
[0008] 故本領(lǐng)域需要一種可以解決以上問(wèn)題的模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法和/或 系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為克服現(xiàn)有技術(shù)中模鍛設(shè)備的不足，本發(fā)明提供一種適應(yīng)范圍廣、預(yù)測(cè)和評(píng)估準(zhǔn) 確、安全隱患小的模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)。具體方案如下：
[0010] -種模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0011] S1、數(shù)據(jù)組的獲得;具體包括:鍛壓過(guò)程中活動(dòng)橫梁的位移、活動(dòng)橫梁的速度、活動(dòng) 橫梁的加速度數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)缸油壓、回程缸油壓和比例流量閥電壓；
[0012] S2、根據(jù)S1中讀出的比例流量閥電壓、活動(dòng)橫梁速度、驅(qū)動(dòng)缸油壓和回程缸油 壓數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立精確的包含管路、比例流量閥的液壓系統(tǒng)方程
_式中K為比例流量閥的比例系數(shù)；
[0013] S3、建立控制器的控制算法方程《 ="丨,+ j (乂. -A:).式中uo 為初始電壓，kP、ki、kd為控制算法參數(shù)；
[0014] S4、在模鍛壓機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)下，由S1中得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律建立方 程= 一C ++ ~，計(jì)算出摩擦力Ff;式中M為鍛壓機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，f為活動(dòng) 橫梁運(yùn)動(dòng)的加速度，F(xiàn)r為回程缸的背壓力，A為驅(qū)動(dòng)缸的柱塞面積，p為驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)的油壓； [0015] 將S4中的摩擦力Ff在工作點(diǎn)v處進(jìn)行泰勒展開為Ff = Ff〇+fiv+f2V2+f3V3dltlFf〇、 通過(guò)離線數(shù)據(jù)辨識(shí)得出；
[0016] S5、在模鍛壓機(jī)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下，由S1和S4得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律 建立方程朽=十卻+^1%，計(jì)算出負(fù)載力F1;
[0017]因負(fù)載力？:為時(shí)間t和速度v的函數(shù)，且模鍛壓機(jī)運(yùn)行速度低，鍛壓位移小，故可將 55中的負(fù)載力？1在工作點(diǎn)￥處進(jìn)行泰勒展開為？1 = ?10+1^+1^+1?￥2+1^3;式中？1()、1^1、1^2、1? 和k 4通過(guò)在線辨識(shí)得出；
[0018] S6、根據(jù)加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律建立模鍛壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程
[0019] /V/A' = -F, ~ F, - F. + Mg + Ap _
[0020] S7、根據(jù)摩擦力Ff、負(fù)載力h，模鍛壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程、液壓系統(tǒng)方程及控制器的控制 算法方程，聯(lián)立求出該時(shí)刻模鍛壓機(jī)鍛造過(guò)程中運(yùn)行速度與時(shí)間的規(guī)律式，即v(t)=Ao+ acos巾+Boasin巾+Coa2sin(2巾）+Doa3sin(3巾）；式中Ao為活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)時(shí)的振幅，a為振幅 參數(shù)，巾、Bo、Co和Do均為具有各自表達(dá)式的計(jì)算參數(shù);并根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推導(dǎo)出鍛壓過(guò) 程的運(yùn)行結(jié)果；
[0021] S8、根據(jù)v(t)推導(dǎo)出模鍛壓機(jī)鍛造時(shí)活動(dòng)橫梁穩(wěn)定運(yùn)行、震蕩、爬行的判定條件。 [0022]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，S1中活動(dòng)橫梁的位移、活動(dòng)橫梁的速度、活動(dòng)橫梁 的加速度數(shù)據(jù)通過(guò)位移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器采集獲得;驅(qū)動(dòng)缸油壓、回程缸 油壓數(shù)據(jù)通過(guò)壓力傳感器采集獲得;比例流量閥電壓數(shù)據(jù)通過(guò)電壓表測(cè)得。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，S8具體包括如下步驟：
[0024] S81、將a的閾值設(shè)定為1% |Ao|，若該時(shí)刻a的收斂值為0或小于閾值，則下一時(shí)刻 活動(dòng)橫梁的運(yùn)行速度v(t)收斂于Ao,系統(tǒng)將平穩(wěn)運(yùn)行；
[0025] S82、若該時(shí)刻a的收斂值大于1% |Ao|，根據(jù)速度震蕩率5,當(dāng)8<1時(shí)，下一時(shí)刻系 統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)震蕩；
[0026] S83、根據(jù)S82，當(dāng)S > 1時(shí)，下一時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。
[0027] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，根據(jù)S3，通過(guò)限定值MP<MPr，tP< tpr，Qmax<Qr，求 出模鍛壓機(jī)控制器算法的參數(shù)穩(wěn)定域Q，并通過(guò)該穩(wěn)定域設(shè)計(jì)控制器;式中MP為速度超調(diào) 量、Mpr為速度超調(diào)量的額定值;tP為超調(diào)時(shí)間，tpr為超調(diào)時(shí)間的額定值;Q max為比例流量閥的 最大流量，Qr為比例流量閥最大流量的額定值。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，還包括仿真實(shí)驗(yàn)步驟S9,具體為：
[0029] 計(jì)算機(jī)建模，輸入相關(guān)參數(shù)，根據(jù)S8的判定條件對(duì)模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)是否 準(zhǔn)確進(jìn)行驗(yàn)證。
[0030] -種模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)，包括油路、控制信號(hào)線路和傳感器信號(hào) 線路；
[0031] 所述油路包括一端連接液壓栗、另一端的第一支連接驅(qū)動(dòng)缸和回程缸，另一端的 第二支連接壓力表的比例流量閥，且第二支接有壓力傳感器；
[0032] 所述傳感器信號(hào)線路包括工控機(jī)、PLC、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器和加 速度傳感器，所述工控機(jī)、PLC和壓力傳感器依次連接，同時(shí)所述PLC還連接用于測(cè)量活動(dòng)橫 梁位移、速度和加速度的位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器；
[0033] 所述控制信號(hào)線路包括依次連接的工控機(jī)、PLC、壓力表和比例流量閥。
[0034] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有如下有益效果：
[0035] 1、本技術(shù)方案提供的模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)，可對(duì)任意形狀的 鍛件進(jìn)行鍛造，如長(zhǎng)坯形、橢球形、球形、長(zhǎng)方體形等，形狀不受限制，不同形狀均可得到準(zhǔn) 確的模型，適應(yīng)范圍寬。本方案推導(dǎo)出的結(jié)果可直接應(yīng)用于控制器程序中，使用安全方便， 便于實(shí)施推廣，不僅可以應(yīng)用于各種類型的模鍛壓機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的預(yù)估，也可以應(yīng)用于各種 動(dòng)力機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的預(yù)估。
[0036] 2、本技術(shù)方案可對(duì)任意形狀的鍛件進(jìn)行摩擦力的離線建模和負(fù)載力的在線建模， 使計(jì)算更加準(zhǔn)確。
[0037] 3、由以上兩點(diǎn)可知，本技術(shù)方案的在線預(yù)測(cè)方法和系統(tǒng)可對(duì)大型模鍛壓機(jī)進(jìn)行準(zhǔn) 確評(píng)估和預(yù)測(cè)，即可準(zhǔn)確預(yù)知模鍛壓機(jī)下一刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因而大大提高了安全性，安全隱 患較小。
[0038] 除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。 下面將參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0039] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使 用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的 附圖，其中：
[0040] 圖1為本發(fā)明提供的模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法的步驟圖；
[0041] 圖2為本發(fā)明提供的模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)的示意圖；
[0042] 圖3為圖2中模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的控制器的參數(shù)穩(wěn)定域Q ;
[0043] 圖4為圖2中模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的控制器的速度響應(yīng)圖；
[0044] 圖5為圖2中模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)缸油壓隨時(shí)間變化的曲線 圖；
[0045] 圖6為圖2中模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)的回程缸油壓隨時(shí)間變化的曲線 圖；
[0046] 圖7為圖2中模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)的鍛壓機(jī)運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化的 曲線圖；
[0047] 圖8為圖2中模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)的鍛壓機(jī)運(yùn)動(dòng)加速度隨時(shí)間變化 的曲線圖；
[0048] 圖9為圖2中模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)的電壓隨時(shí)間變化的曲線圖；
[0049] 圖中：1、工控機(jī)，2、PLC，3、壓力傳感器，4、壓力表，5、比例流量閥，6、位移傳感器， 7、速度傳感器，8、加速度傳感器，9、驅(qū)動(dòng)缸，10、回程缸，11、活動(dòng)橫梁，12、液壓栗。（圖1中實(shí) 線為油路、長(zhǎng)虛線為控制信號(hào)線路、短虛線為傳感器信號(hào)線路；圖4中上方為理論速度輸出 曲線，下方為實(shí)際速度輸出曲線；圖7中兩段水平直線為理論參考值，上下波動(dòng)曲線為實(shí)際 控制輸出值）
【具體實(shí)施方式】
[0050] 下面結(jié)合本發(fā)明的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯 然，所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。
[0051] 請(qǐng)參閱圖1~圖2,一種模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0052] S1、數(shù)據(jù)組的獲得;具體包括:鍛壓過(guò)程中活動(dòng)橫梁的位移、活動(dòng)橫梁的速度、活動(dòng) 橫梁的加速度數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)缸油壓、回程缸油壓和比例流量閥電壓;所述驅(qū)動(dòng)缸和回程缸均為 柱塞缸；
[0053] S2、根據(jù)S1中讀出的比例流量閥電壓、活動(dòng)橫梁速度、驅(qū)動(dòng)缸油壓和回程缸油 壓數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立精確的包含管路、比例流量閥的液壓系統(tǒng)方程
_式中K為比例流量閥的比例系數(shù)；
[0054] S3、建立控制器的控制算法方程《 = % \ -X) + ~|($ -戈)出+心(i廣i).式中u〇 為初始電壓，kP、ki、kd為控制算法參數(shù)；
[0055] S4、在模鍛壓機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)下，由活動(dòng)橫梁的加速度、驅(qū)動(dòng)缸以及回程缸壓力傳 感器得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律建立方程= -，計(jì)算出摩擦力 Ff;式中M為鍛壓機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量3為活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)的加速度，F(xiàn)r為回程缸的背壓力，A為 驅(qū)動(dòng)缸的柱塞面積，P為驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)的油壓；因摩擦力Ff為時(shí)間t和速度v的函數(shù)，且模鍛壓機(jī) 運(yùn)行速度低，鍛壓位移小，故可將S4中的摩擦力F f在工作點(diǎn)v處進(jìn)行泰勒展開為Ff = FfQ+f1V+ f2V2+f3V3;式中FfQ、fl、f2和f3通過(guò)離線數(shù)據(jù)辨識(shí)得出；
[0056] S5、在模鍛壓機(jī)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下，由S1和S4得到的活動(dòng)橫梁的加速度、驅(qū)動(dòng)缸壓力 傳感器及回程缸壓力傳感器得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律建立方程 f) =-Mi-/% -6 + + ，計(jì)算出負(fù)載力Fl;因負(fù)載力^為時(shí)間 t和速度v的函數(shù)，且模 鍛壓機(jī)運(yùn)行速度低，鍛壓位移小，故可將S5中的負(fù)載力^在工作點(diǎn)v處進(jìn)行泰勒展開為F1 = Fi〇+kix+k2V+k3V2+k4V3;式中 Fio、ki、k2、k3 和 k4 通過(guò)在線辨識(shí)得出；
[0057] S6、根據(jù)加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律建立模鍛壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程
[0058] M^-^U+Mg+Ap;
[0059] S7、根據(jù)摩擦力Ff、負(fù)載力h，模鍛壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程、液壓系統(tǒng)方程及控制器的控制 算法方程，聯(lián)立求出該時(shí)刻模鍛壓機(jī)鍛造過(guò)程中運(yùn)行速度與時(shí)間的規(guī)律式，即v(t)=Ao+ acos巾+Boasin巾+Coa2sin(2巾）+Doa3sin(3巾）；式中Ao為活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)時(shí)的振幅，a為振幅 參數(shù)，巾、Bo、Co和Do均為具有各自表達(dá)式的計(jì)算參數(shù);并根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推導(dǎo)出鍛壓過(guò) 程的運(yùn)行結(jié)果；
[0060] S8、根據(jù)v(t)推導(dǎo)出模鍛壓機(jī)鍛造時(shí)活動(dòng)橫梁穩(wěn)定運(yùn)行、震蕩、爬行的判定條件。
[0061] 進(jìn)一步地，S1中活動(dòng)橫梁的位移、活動(dòng)橫梁的速度、活動(dòng)橫梁的加速度數(shù)據(jù)通過(guò)位 移傳感器、速度傳感器、加速度傳感器采集獲得;驅(qū)動(dòng)缸油壓、回程缸油壓數(shù)據(jù)通過(guò)壓力傳 感器采集獲得;比例流量閥電壓數(shù)據(jù)通過(guò)電壓表測(cè)得。
[0062] 進(jìn)一步地，S8具體包括如下步驟：
[0063] S81、將a的閾值設(shè)定為1% |Ao|，若該時(shí)刻a的收斂值為0(此時(shí)H〈0)或小于閾值，則 下一時(shí)刻活動(dòng)橫梁的運(yùn)行速度v(t)收斂于Ao,系統(tǒng)將平穩(wěn)運(yùn)行;此處的閾值根據(jù)實(shí)際需要 設(shè)定；
[0064] S82、若該時(shí)刻a的收斂值大于1% |Ao|，根據(jù)速度震蕩率5,當(dāng)8<1時(shí)，下一時(shí)刻系 統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)震蕩;震蕩率
[0065] S83、根據(jù)S82，當(dāng)S > 1時(shí)，下一時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。
[0066] 請(qǐng)參閱圖2,模鍛壓機(jī)的傳感器可測(cè)量的數(shù)據(jù):比例流量閥電壓u，活動(dòng)橫梁位移X， 活動(dòng)橫梁速度v，活動(dòng)橫梁加速度I驅(qū)動(dòng)缸液壓力Ap，回程缸液壓力F r。已知參數(shù):鍛壓機(jī)運(yùn) 動(dòng)部件質(zhì)量M，柱塞缸面積A。
[0067] 首先，通過(guò)傳感器采集比例流量閥電壓、活動(dòng)橫梁位移及驅(qū)動(dòng)缸液壓力數(shù)據(jù)，因神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0068] (1)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系；
[0069] (2 )、具有很強(qiáng)的魯棒性及容錯(cuò)性；
[0070] (3 )、可進(jìn)行并行分布處理，運(yùn)算速度快；
[0071] (4)、進(jìn)行分布存儲(chǔ)，能學(xué)習(xí)和自適應(yīng)不確定的系統(tǒng)；
[0072] 故采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建包含比例流量閥、管路的液壓系統(tǒng)模型，即 /; = ;/U/. rj),其中模型y為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。
[0073] 其次，在壓機(jī)空載運(yùn)行下，由加速度傳感器、驅(qū)動(dòng)缸以及回程缸壓力傳感器得到的 數(shù)據(jù)組，并根據(jù)方程G =-6 ，得出系統(tǒng)摩擦力數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)的研 究，在運(yùn)動(dòng)位移不大的條件下，系統(tǒng)摩擦力可采用泰勒公式展開為Ff = FfQ+flV+f2V2+f3V3,通 過(guò)采集到的速度與摩擦力數(shù)據(jù)辨識(shí)該模型中的未知參數(shù)
[0074] S5中：Fi = Fio+kix+hv+k^+luv3，式中x為位移，v為速度。該模型參數(shù)在初始時(shí)刻 為：0〇= [Fi0kik2k3k4]T。
[0075] 該模型輸入記為:>，,=[l，.Y,,v;.，v；\vf],輸出為Fu。對(duì)于N組樣本，有Y=[yi，…，yjA = [Fn，.. .，F(xiàn)in]t?？傻玫匠跏紩r(shí)刻模型參數(shù)為:ft)=MQYTF，式中施二以巧廣 1。進(jìn)一步推導(dǎo)出有N +1個(gè)樣本輸入時(shí)，A = A +射，式中：
， 以此類推，將參數(shù)e在線辨識(shí)，負(fù)載力模型實(shí)時(shí)更新，從而就可以建立完整精確的負(fù)載力模 型。
[0076] 如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明提供一種鍛壓機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的在線預(yù)估方法。在前述中，鍛 壓過(guò)程摩擦力模型、負(fù)載力模型以及液壓系統(tǒng)模型確定后，再加上控制器控制算法方程，可 聯(lián)立為： -尸 + Mg 十/^
[0077] ; p = y(u,x,x) a = 十灸- x).
[0078] 上式中# = 為對(duì)電壓與速度和位移的通用表達(dá)式，在本技術(shù)方案中的具 體表達(dá)式為
[0079] 式中Vkukd為控制算法參數(shù)。根據(jù)非線性振動(dòng)理論，可引入正小參數(shù)e，得到標(biāo)準(zhǔn) 的二自由度非線性振動(dòng)方程：
[0081]求解出鍛壓機(jī)鍛造過(guò)程中運(yùn)行速度與時(shí)間的規(guī)律式：
[0084] 式中各參數(shù)的表達(dá)式如下：


[0100] 震蕩率： ：
[0101] 超調(diào)時(shí)丨1
[0102] 速度超調(diào)量：
[0103]比例流量閥的最大流量值：
[0105 ]其中H、Z為鍛壓機(jī)系統(tǒng)參數(shù)，Cl為積分常數(shù)。
[0106] 鍛壓機(jī)運(yùn)行在線預(yù)測(cè)及評(píng)估方法：
[0107] (1)、壓機(jī)運(yùn)動(dòng)方程的在線實(shí)時(shí)建模，根據(jù)上述方法，推導(dǎo)出這一時(shí)刻的計(jì)算振幅 參數(shù)a，若該時(shí)刻的計(jì)算參數(shù)a的收斂值為0 (即H〈0)或小于閾值，這里的閾值設(shè)定為1 % | Ao ，則下一時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行速度收斂于Ao，系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行。
[0108] (2)、若該時(shí)刻計(jì)算參數(shù)a的收斂值大于1 % |Ao|，根據(jù)計(jì)算參數(shù)速度震蕩率5,當(dāng)S <1時(shí)，下一時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)震蕩；
[0109] (3)、當(dāng)S > 1時(shí)，下一時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。優(yōu)選地，根據(jù)S3，通過(guò)限定 值Mp <Mpr，tp < tpr，Qmax<Qr，求出模鍛壓機(jī)控制器算法的參數(shù)穩(wěn)定域Q，并通過(guò)該穩(wěn)定域設(shè) 計(jì)控制器;式中.為速度超調(diào)量、M pr為速度超調(diào)量的額定值;tP為超調(diào)時(shí)間，tpr為超調(diào)時(shí)間 的額定值;Qmx為比例流量閥的最大流量，Qr為比例流量閥最大流量的額定值。
[0110] 優(yōu)選地，還包括仿真實(shí)驗(yàn)步驟S9，具體為：
[0111] 計(jì)算機(jī)建模，輸入相關(guān)參數(shù)，根據(jù)S8的判定條件對(duì)模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)是否 準(zhǔn)確進(jìn)行驗(yàn)證。具體如下：
[0112] 請(qǐng)參閱圖3和圖4,仿真計(jì)算求出模鍛壓機(jī)低速運(yùn)行時(shí)控制器PID參數(shù)的穩(wěn)定域Q， 并且滿足不同工況，材料特性及其形狀的精確性控制，選擇幾組不同的材料參數(shù)及初始值。 查閱4000噸模鍛壓機(jī)的相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)材料鍛造性能以及模鍛壓機(jī)正常工作參數(shù)，設(shè)定 鍛造參數(shù):允許的最大超調(diào)時(shí)間，即額定超調(diào)時(shí)間tpr = 0.3s;允許的最大速度超調(diào)量，即額 定速度超調(diào)量Mpr= 1 X l(T6m/s;比例流量閥允許的最大超調(diào)流量，即額定超調(diào)流量Qr = 5 X 10-3m3/s〇
[0113] 根據(jù)上述分析，在計(jì)算得出的控制域Q內(nèi)選擇PID參數(shù)值:kP = 4、ki = 60、kd = 4.5 X 10_5;選擇兩個(gè)控制速度:0.8 X l(T4m/s、0.5 X l(T4m/s。當(dāng)壓機(jī)參數(shù)滿足條件a的收斂值為 0(即H〈0)，且控制參數(shù)在該穩(wěn)定域Q內(nèi)，壓機(jī)將達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)前述H的表達(dá)式，通 過(guò)理論計(jì)算得出H=-25.652。
[0114] 請(qǐng)繼續(xù)參閱圖4,在上述參數(shù)條件下，設(shè)計(jì)PID控制器，得到速度響應(yīng)曲線。從該響 應(yīng)曲線可以看出，該控制器的輸出速度v(t)在一段時(shí)間后保持穩(wěn)定。因此，該理論預(yù)測(cè)方法 與仿真結(jié)果基本一致。
[0115] 請(qǐng)繼續(xù)參閱圖5~圖9，各圖為鍛件A1-7085的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0116] 請(qǐng)參閱圖2,一種模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)，包括油路、控制信號(hào)線路和 傳感器信號(hào)線路。
[0117] 所述油路包括一端連接液壓栗、另一端的第一支連接驅(qū)動(dòng)缸和回程缸，另一端的 第二支連接壓力表的比例流量閥，且第二支接有壓力傳感器。
[0118] 所述傳感器信號(hào)線路包括工控機(jī)、PLC、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器和加 速度傳感器，所述工控機(jī)、PLC和壓力傳感器依次連接，同時(shí)所述PLC還連接用于測(cè)量活動(dòng)橫 梁位移、速度和加速度的位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器。
[0119] 所述控制信號(hào)線路包括依次連接的工控機(jī)、PLC、壓力表和比例流量閥。
[0120] 以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，凡是利用 本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的 技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括如下步驟： 51、 數(shù)據(jù)組的獲得;具體包括:鍛壓過(guò)程中活動(dòng)橫梁的位移、活動(dòng)橫梁的速度、活動(dòng)橫梁 的加速度數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)缸油壓、回程缸油壓和比例流量閥電壓； 52、 根據(jù)Sl中讀出的比例流量閥電壓、活動(dòng)橫梁速度、驅(qū)動(dòng)缸油壓和回程缸 油壓數(shù)據(jù)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立精確的包含管路、比例流量閥的液壓系統(tǒng)方程_式中K為比例流量閥的比例系數(shù)； 53、 建立控制器的控制算法方；：;式中Uo為初 始電壓，kP、ki、kd為控制算法參數(shù)； 54、 在模鍛壓機(jī)空載運(yùn)行狀態(tài)下，由Sl中得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律建立方程:十算出摩擦力Ff;式中M為鍛壓機(jī)運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，??為活動(dòng)橫 梁運(yùn)動(dòng)的加速度，F(xiàn)r為回程缸的背壓力，A為驅(qū)動(dòng)缸的柱塞面積，ρ為驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)的油壓； 因摩擦力Ff為時(shí)間t和速度V的函數(shù)，且模鍛壓機(jī)運(yùn)行速度低，鍛壓位移小，故可將S4中 的摩擦力Ff在工作點(diǎn)V處進(jìn)行泰勒展開為?￡ = ?〗()+；1^+€2￥2+€3￥3;式中？￡()、；1；'1、€2和€3通過(guò)離線 數(shù)據(jù)辨識(shí)得出； 55、 在模鍛壓機(jī)負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)下，由Sl和S4得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律建立 方程巧=-il#' - F廠Fr + Jp + il% ,計(jì)算出負(fù)載力Fl; 將S5中的負(fù)載力Fi在工作點(diǎn)V處進(jìn)行泰勒展開為Fi = Fio+kix+k2V+k3V2+k4V3;式中Fio、ki、 k2、k3和Iu通過(guò)在線辨識(shí)得出； 56、 根據(jù)加速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律建立模鍛壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程4? = -A - G C + 57、 根據(jù)摩擦力Ff、負(fù)載力F1，模鍛壓機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程、液壓系統(tǒng)方程及控制器的控制算法 方程，聯(lián)立求出該時(shí)刻模鍛壓機(jī)鍛造過(guò)程中運(yùn)行速度與時(shí)間的規(guī)律式，即v(t)=A Q+aC〇S(i) +Boasin <i>+Coa2sin(2 Φ )+Doa3sin(3 Φ );式中Ao為活動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)時(shí)的振幅，a為振幅參數(shù)， Φ、BQ、CQ和Do均為具有各自表達(dá)式的計(jì)算參數(shù);并根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推導(dǎo)出鍛壓過(guò)程的運(yùn) 行結(jié)果； 58、 根據(jù)v(t)推導(dǎo)出模鍛壓機(jī)鍛造時(shí)活動(dòng)橫梁穩(wěn)定運(yùn)行、震蕩、爬行的判定條件。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法，其特征在于，Sl中活動(dòng)橫 梁的位移、活動(dòng)橫梁的速度、活動(dòng)橫梁的加速度數(shù)據(jù)通過(guò)位移傳感器、速度傳感器、加速度 傳感器采集獲得;驅(qū)動(dòng)缸油壓、回程缸油壓數(shù)據(jù)通過(guò)壓力傳感器采集獲得;比例流量閥電壓 數(shù)據(jù)通過(guò)電壓表測(cè)得。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法，其特征在于，S8具體包括 如下步驟： 581、 將a的閾值設(shè)定為1 % |Ao|，若該時(shí)刻a的收斂值為0或小于閾值，則下一時(shí)刻活動(dòng)橫 梁的運(yùn)行速度v(t)收斂于Ao,系統(tǒng)將平穩(wěn)運(yùn)行； 582、 若該時(shí)刻a的收斂值大于1 % I Ao I，根據(jù)速度震蕩率δ，當(dāng)δ< 1時(shí)，下一時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行 狀態(tài)出現(xiàn)震蕩； 583、 根據(jù)S82，當(dāng)δ > 1時(shí)，下一時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法，其特征在于，根據(jù)S3,通 過(guò)限定值'<1^，知<￥，(^<(^，求出模鍛壓機(jī)控制器算法的參數(shù)穩(wěn)定域〇，并通過(guò)該穩(wěn) 定域設(shè)計(jì)控制器;式中M p為速度超調(diào)量、Mpr為速度超調(diào)量的額定值;tP為超調(diào)時(shí)間，tpr為超 調(diào)時(shí)間的額定值;Qmx為比例流量閥的最大流量，Qr為比例流量閥最大流量的額定值。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)方法，其特征在于，還包括仿真 實(shí)驗(yàn)步驟S9,具體為： 計(jì)算機(jī)建模，輸入相關(guān)參數(shù)，根據(jù)S8的判定條件對(duì)模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)是否準(zhǔn)確 進(jìn)行驗(yàn)證。6. -種模鍛壓機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的在線預(yù)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括油路、控制信號(hào)線路和傳 感器信號(hào)線路； 所述油路包括一端連接液壓栗、另一端的第一支連接驅(qū)動(dòng)缸和回程缸，另一端的第二 支連接壓力表的比例流量閥，且第二支接有壓力傳感器； 所述傳感器信號(hào)線路包括工控機(jī)、PLC、壓力傳感器、位移傳感器、速度傳感器和加速度 傳感器，所述工控機(jī)、PLC和壓力傳感器依次連接，同時(shí)所述PLC還連接用于測(cè)量活動(dòng)橫梁位 移、速度和加速度的位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器； 所述控制信號(hào)線路包括依次連接的工控機(jī)、PLC、壓力表和比例流量閥。
【文檔編號(hào)】B21J9/20GK105880449SQ201610213348
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月7日
【發(fā)明人】陸新江, 黃明輝, 雷杰
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)