CN103611767B - 一种电液双缸折弯机滑块位置控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液双缸折弯机滑块位置控制方法，包括工进和保压步骤，当滑块未到达积分作用有效位置点时，作用大小由比例增益调节：当滑块运动到达积分作用有效位置点时，作用大小由积分增益调节：当滑块继续运动到达积分作用切换位置点时，记录此时的控制量阈值u(Y2)；当滑块继续向下死点运行时，控制器的积分作用从u(Y2)减小到0。本发明方法，滑块在接触到工件、压制成型、换向离开工件的整个工作过程中，控制器的作用自适应连续变化，系统受力无冲击、无突变，滑块运动轨迹平滑，运动部件损耗低。相比于常规方法扩大了参数作用域，不仅能够保证系统稳态精度，而且加快了系统的响应性，使滑块更快速地到达目标位置，大大提高了加工效率。

Description

一种电液双缸折弯机滑块位置控制方法

所属技术领域

本发明属于折弯机自动化控制技术领域，涉及电液折弯机控制技术，具体为一种电液双缸折弯机滑块位置控制方法。

背景技术

电液双缸折弯机广泛应用于板材加工领域，板材加工的质量取决于对滑块位置控制的稳定性和精确性。

电液双缸折弯机通过两个比例伺服阀控制液压缸，液压缸装有位移传感器用于实时监测和反馈实际位置，位移传感器采集到的信号经过滤波、信号转换等处理送入控制器，控制器内含专用控制软件，根据设定的运动命令信号和反馈信号，分析计算后求得系统的控制信号，分别送给两个比例伺服阀，根据电信号的强弱来控制比例伺服阀的开口流量，从而控制两个液压缸的位置，带动滑块上下运行。

根据工艺的要求，折弯过程包括以下几个步骤：

快下：控制器正向打开比例伺服阀，打开充液阀，油缸上腔充油，下腔排出油液经差动回路流往上腔，液压缸依靠自重快速下降，使得滑块从上死点快速运行到变速点。

工进：控制器在收到变速点信号后，关闭充液阀，打开比例压力阀，差动回路保持不变，比例伺服阀的正向开口减小，使得滑块慢速运行到下死点。

保压：在收到下死点信号后，控制器通过比例压力阀给系统持续加压，差动回路保持不变，滑块的位置继续由比例伺服阀控制，系统关闭比例伺服阀的输出，系统达到平衡状态并维持一段时间。

卸荷：控制器控制比例伺服阀反向打开，同时油路中建立起反向压力。

回程：比例伺服阀开口继续增大，在反向压力的作用下，滑块快速移动返回上死点，在收到上死点信号后，阀全部关闭，完成一个折弯工作周期。

由于液压回路的滞后性，系统中一直存在跟随误差。基于此种特性，目前的折弯过程控制广泛采用PI控制方法，即根据给定位置和实际位置之间的跟随误差构成控制偏差，将偏差的比例（P）、积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，离散化的控制规律为：

$u\left(k\right)=K_{P}e\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)$          （式1）

其中：

k为采样序号，k=0，1，2…；

K_P为比例增益；

K_I为积分增益；

e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；

e(j)为第j次采样时刻输入的偏差值；

u(k)为第k次采样时刻控制器输出的控制量。

PI控制器的各校正环节的作用如下：

比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例作用的强弱取决于比例增益，比例增益越大，比例作用越强，反之则越弱。

积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分增益，积分增益越大，积分作用越强，反之则越弱。

在整个折弯过程中，系统通过调节PI控制器的比例增益和积分增益的大小，对输出的控制量进行调节，通过改变比例伺服阀的开口大小，实现对滑块的位置控制。

针对折弯工艺中的工进过程，由于它是接触工件并折弯成型的关键步骤，因此，对这一步骤的位置控制精度决定了整个折弯过程的精准度。目前采用的常规PI控制器，其比例作用可以使得滑块跟随给定轨迹运行；但是当系统处于定位阶段时，由于滑块实际位置与给定位置之间存在跟随误差，因此积分的累加作用导致系统输出持续增大，当滑块到达目标点需要保持位置不动时，控制器的输出并不为0，系统无法进入稳定状态。针对这种情况，现有两种处理方式：方式一、立即关闭控制器的输出，此时系统受力将出现突变，导致滑块晃动，加工工件质量不高；方式二、逐渐减小控制器的输出，由于控制器的输出减小为0需要一段时间，在这段时间内滑块将继续运行，直到控制器输出为0，但此时滑块的停止位置已经超过了目标位置，导致加工工件出现了过冲现象，折弯角度发生变化，无法满足加工要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有折弯机控制中滑块定位困难、加工工件精度低的问题，本发明提供了一种电液双缸折弯机滑块位置控制方法，能够高精度控制滑块位置，能够有效改善现有技术存在的上述问题，实现在动态工况下对滑块的精确定位控制。本发明方法采用改进PI控制+基于模型的前馈补偿控制，其中，改进PI控制器在常规PI控制器的控制结构上，对积分作用进行自适应调整，有效解决常规PI控制器在系统定位阶段存在的反复调节问题，避免加工工件的过冲现象；基于模型的前馈补偿控制，首先建立滑块位置、系统压力与比例伺服阀的模型关系，然后利用系统的反馈信号，获取相应的补偿量，不断修正控制量，加快系统响应性，从而提高位置控制精度，改善工件加工质量。

本发明电液双缸折弯机滑块位置控制方法的基本原理：PI控制器的控制软件具有轨迹规划模块和位置控制模块。轨迹规划模块，用于给定滑块左缸和右缸的运动轨迹命令。位置控制模块，用于调节比例伺服阀的开口，实现对滑块位置的精确控制。

PI控制器位置控制模块的控制方法采用改进PI控制（进一步优化方案，还增加了基于模型的前馈补偿控制）。改进PI控制器包含比例作用和积分作用。比例作用，即对系统的位置偏差进行比例控制；积分作用，即对位置偏差的累积进行控制；其实现原理为：以预先设定的积分增益为基础，根据滑块的目标位置、积分作用有效位置点Y1（PI控制器的控制软件的轨迹规划模块下达滑块到达死点命令时，滑块所处的实际位置点Y1）、积分作用切换位置点Y2（根据不同应用场合事先设定一个滑块位置阈值S，当滑块的实际位置与下死点的距离等于该阀值时，此时滑块的所处的实际位置点就是积分作用切换位置点Y2），以及反馈的当前实际位置，对积分作用进行自适应调整。具体到工进和保压过程：滑块从变速点向下死点运动，当滑块未到达积分作用有效位置点Y1时，比例作用输出有效，作用大小由比例增益调节，即：u(k)=K_Pe(k)（式2）；当滑块运动到达积分作用有效位置点Y1时，积分作用输出有效，作用大小由积分增益调节，此时由于跟随误差的存在，积分作用的累加使得系统控制量持续增大，即：（式3）；当滑块继续运动到达积分作用切换位置点Y2时，系统控制量开始自适应变化，其变化趋势为随滑块到下死点距离的减小而减小，具体实现为：滑块到达积分作用切换位置点Y2时，记录此时的控制量阈值u(Y2)，当滑块继续向下死点运行时，控制器的积分作用不再累加，相反地，是关于积分作用切换位置点Y2、控制量阈值u(Y2)、位置跟随误差e(k)的函数，即滑块位置从Y2移动到下死点，积分作用从u(Y2)减小到0，即：u(k)=K_Pe(k)+u(Y2)*e(k)/S（式4）。当滑块最终到达下死点时，由于此时跟随误差为零，故比例作用为零，与此同时积分作用也调整为零，故系统控制量同步自适应变化为0，系统达到平衡状态，开始保压；直至到达保压时间，滑块反向运动回到上死点。

所谓基于模型的前馈补偿控制，其实现原理为：首先基于理论分析和实验测试数据，建立滑块位置、系统压力与比例伺服阀开口的模型关系，然后利用系统的反馈信号，实时获取与滑块位置、系统压力相对应的比例伺服阀的开口补偿量，其修正规律是关于系统压力和滑块跟踪误差的非线性曲线：

$u_{\mathrm{comp}}\left(k\right)=K_{\mathrm{comp}}e\left(k\right)/\sqrt{\mathrm{Press}}$       （式5）

其中：

U_comp(k)是第k次采样时刻比例伺服阀的开口补偿量；

K_comp是系统设定的调节参数；

Press是当前的系统压力。

基于模型的前馈补偿控制模块通过不断修正控制器输出的控制量，提前响应系统状态，在系统到位前进行预先调节，提高系统的响应性。

针对双缸折弯机的左缸或者右缸，当轨迹规划模块给定左、右缸的运动轨迹命令后，通过采用改进PI控制+基于模型的前馈补偿控制算法，两侧的油缸都可以达到对所给定运动轨迹的精确跟踪。由于两缸的运动轨迹命令是一致的，因此滑块左、右两侧相对于运动轨迹的跟踪误差也是一致的，这就从根本上解决了滑块左、右两侧位置同步性的问题。因此，采用本发明的算法，系统在保证定位精度的同时也实现了两缸位置的同步性控制。

本发明采用改进PI控制以及进一步优化的基于模型的前馈补偿控制算法，即使在两液压缸特性稍有差异或者偏载加工的情况下，也能保证滑块在运行过程的稳定性，以及滑块到达下死点时定位的精确性，消除加工时的过冲现象。滑块在接触到工件、压制成型、换向离开工件的整个工作过程中，控制器的作用自适应连续变化，系统受力无冲击、无突变，滑块运动轨迹平滑，运动部件损耗低。本发明的控制方法，相比于常规方法扩大了参数作用域，不仅能够保证系统稳态精度，而且加快了系统的响应性，使滑块更快速地到达目标位置，大大提高了加工效率。本发明提供的高精度位置控制方法，实时性强、控制效果好，适用于工业现场应用。

附图说明

图1为本发明方法控制流程图。

图2为现有方法的控制效果图。

图3为本发明方法的控制效果图。

具体实施方式

本发明的应用对象是电液双缸折弯机，该电液双缸折弯机包括以下部件：两个比例伺服阀控制液压缸运动，带动滑块做上下往复运动；行程检测部件，检测和反馈折弯机滑块的实际位置。电液双缸折弯机通过响应控制器给定电信号的强弱来控制比例伺服阀的开口流量，实现对滑块的定位控制。

工进和保压过程中，本发明方法：

轨迹规划模块对运动轨迹命令的处理。控制器根据加工所设定的参数，包括：滑块目标位置、系统最大速度以及加减速时间，规划滑块的运行轨迹，并将规划好的数据信息存储在控制器主控芯片中。

行程检测部件获取滑块左、右两侧相对于工作台参考点的实际位置。

位置控制模块计算规划的轨迹与反馈的滑块实际位置之间的偏差。

改进PI控制器位置控制模块，根据滑块所在位置分别计算比例伺服阀所需的开度。

具体到电液双缸折弯机板件的折弯过程：滑块从变速点向下死点运动，当滑块未到达积分作用有效位置点Y1时，比例作用输出有效，作用大小由比例增益调节，即：u(k)=K_Pe(k)；当滑块运动到达积分作用有效位置点Y1时，积分作用输出有效，作用大小由积分增益调节，即：当滑块继续运动到达积分作用切换位置点Y2时，记录此时的控制量阈值u(Y2)，当滑块继续向下死点运行时，控制器的积分作用不再累加，相反地，是关于积分作用切换位置点Y2、控制量阈值u(Y2)、位置跟随误差e(k)的函数，即滑块位置从Y2移动到下死点，积分作用从u(Y2)减小到0，即：u(k)=K_Pe(k)+u(Y2)*e(k)/S当滑块最终到达下死点时，由于此时跟随误差为零，故比例作用为零，与此同时积分作用也调整为零，故系统控制量同步自适应变化为0，系统达到平衡状态，开始保压；直至到达保压时间，滑块反向运动回到上死点。

前馈补偿控制模块，根据建立的滑块位置、系统压力与比例伺服阀开口的模型关系，提供比例伺服阀开口的修正量，修正量的大小根据式（5）计算。修正规律是关于系统压力和滑块跟踪误差的非线性曲线，即：系统压力越大，前馈补偿控制量越小；滑块跟踪误差越大，前馈补偿控制量越大。根据以上修正规律，前馈补偿控制模块对控制量输出进行修正。

改进PI控制器的作用量与前馈补偿控制模块的作用量相加，构成最终需要输出的控制量。将修正后的控制量分别送给滑块左、右两侧对应的比例伺服阀，根据电信号的强弱来控制比例伺服阀的开口流量，从而控制滑块的位置。

通过以上步骤，系统实现对滑块位置的高精度控制。本发明所采用的方法，可以对滑块到达下死点的过程进行有效预测，并进行提前的减速控制，解决了系统控制量在滑块到达下死点时控制量不为0所产生的过冲问题，满足折弯机高精度加工的要求。

如图2所示，由于系统没有自适应调节，滑块到达目标位置后产生了过冲现象。图3为算法改进后的控制效果图，表示出系统控制量随滑块位置的变化过程，包括动态跟踪阶段、控制量累加阶段、自适应调整阶段以及系统达到稳定状态的阶段，算法的自适应调节功能使得滑块具有精确的定位精度。

Claims (2)

1.一种电液双缸折弯机滑块位置控制方法，包括工进和保压步骤，其特征是：

所述工进步骤，当滑块未到达积分作用有效位置点(Y1)时，比例作用输出有效，作用大小由比例增益调节：

u(k)＝K_Pe(k)

其中：k为采样序号，k＝0，1，2…，K_P为比例增益，e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值，u(k)为第k次采样时刻控制器输出的控制量；

当滑块运动到达积分作用有效位置点(Y1)时，积分作用输出有效，作用大小由积分增益调节：

$u\left(k\right)=K_{P}e\left(k\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)$

其中：K_I为积分增益，e(j)为第j次采样时刻输入的偏差值，j为采样序号，j＝0，1，2…；

当滑块继续运动到达积分作用切换位置点(Y2)时，记录此时的控制量阈值u(Y2)；

当滑块继续向下死点运行时，控制器的积分作用从u(Y2)减小到0：

u(k)＝K_Pe(k)+u(Y2)*e(k)/S

其中：S为滑块位置阈值；

当滑块最终到达下死点时，开始保压。

2.根据权利要求1所述一种电液双缸折弯机滑块位置控制方法，其特征是：按照下式得到的U_comp(k)对控制器输出的控制量进行修正：

$u_{\mathrm{comp}}\left(k\right)=K_{\mathrm{comp}}e\left(k\right)/\sqrt{\mathrm{Press}}$

其中：U_comp(k)是第k次采样时刻比例伺服阀的开口补偿量，K_comp是系统设定的调节参数，Press是当前的系统压力。