高频锻打扰动下锻造机液压多轴协同进给复合抗扰方法与流程

本发明涉及锻造，尤其涉及一种高频锻打扰动下锻造机液压多轴协同进给复合抗扰方法

背景技术：

1、在径向锻造机等高端成形装备中，液压多轴协同进给装置是实现工件夹持、送料和位置调整的重要执行机构。该系统通常由液压缸、伺服阀、传感器及控制单元等部分组成，通过对液压缸位移和输出力的精确调节，使工件在高频锻打过程中保持稳定的进给状态。与普通连续进给工况相比，径向锻造过程具有锻打频率高、载荷冲击强、工件受力状态周期变化明显等特点，液压多轴协同进给系统不仅需要完成位置跟踪任务，还需要在周期性锻打冲击和载荷突变条件下保持较高的动态稳定性。若进给系统在锻打间隙内出现位置前冲、误差波动或控制量突变，将直接影响工件成形精度、表面质量和加工一致性。

2、然而，在高频锻打工况下，多轴协同进给系统容易受到多种因素的共同影响。伺服阀死区和液压缸摩擦等非线性因素会导致系统出现低速响应滞后、微小位移调节困难以及控制量波动等问题。另一方面，锻打载荷具有较强的周期性和冲击性，在锻打瞬间会对进给机构形成较大阻力，而在两次锻打之间外部载荷又会快速减小或消失，使液压缸内已建立的压力可能导致执行机构产生瞬态前冲，进而形成具有重复特征的位置误差峰值。上述非线性因素和周期性冲击扰动相互叠加，使传统反馈控制方法难以同时兼顾低速跟踪精度、抗扰能力和周期误差抑制效果。

3、现有针对电液伺服系统的控制方法主要包括非线性补偿、扰动观测和重复控制等类型。非线性补偿与扰动观测方法能够在一定程度上削弱伺服阀死区、液压缸摩擦及外部扰动对系统响应的影响，但多数方法主要面向常规位置跟踪工况，对高频锻打过程中固定周期误差峰值的逐周期抑制能力有限；重复控制适合处理具有周期重复特征的误差信号，能够针对高频锻打扰动形成的周期误差进行学习补偿，但其控制效果容易受到阀控缸死区、摩擦和未建模动态等非线性因素影响。

4、综上所述，现有阀控缸电液伺服控制方法在径向锻造周期性冲击工况下，非线性扰动影响显著和周期误差峰值明显，且难以持续抑制，控制量波动较大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高频锻打扰动下锻造机液压多轴协同进给复合抗扰方法，解决了现有技术中阀控缸电液伺服控制方法在径向锻造周期性冲击工况下，非线性扰动影响显著和周期误差峰值明显，且难以持续抑制，控制量波动较大的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种高频锻打扰动下锻造机液压多轴协同进给复合抗扰方法，包括：

3、s1：采集阀控缸运行状态信号；

4、s2：根据参考位移与实际位移构造位置误差，并由基础位置控制器生成初始控制量；

5、s3：构造基于sigmoid平滑加权的死区逆补偿模型；

6、s4：采用lugre摩擦模型描述液压缸动态摩擦；

7、s5：基于lugre摩擦模型构造非线性干扰观测器，对液压缸摩擦残差、外负载扰动及模型误差形成的复合扰动进行估计；

8、s6：针对周期性冲击载荷诱发的固定周期误差分量，构造插入式重复控制器，并生成重复控制误差补偿量；

9、s7：将基础控制量与扰动观测补偿量进行合成，并经死区逆补偿模型得到最终伺服阀控制输入。

10、其中，在步骤s1中，具体地，采集阀控缸运行状态信号；阀控缸电液伺服系统包括电液伺服阀、液压缸、位移传感器、压力传感器、控制器和伺服阀驱动器；

11、电液伺服阀的工作油口分别与液压缸两腔相连，用于调节液压缸无杆腔和有杆腔的进出油流量；位移传感器设置于液压缸执行端，用于采集液压缸活塞杆位移信号；压力传感器分别设置于液压缸两腔油路上，用于采集无杆腔压力和有杆腔压力，单位为mpa；控制器分别与位移传感器、压力传感器及伺服阀驱动器电连接；

12、控制器实时获取液压缸实际位移，单位为mm；速度，单位为mm/s；两腔压力，单位为mpa以及参考位移，单位为mm，速度由位移信号经差分和滤波获得，或由速度传感器直接测得。

13、其中，在步骤s2中，具体如下：

14、根据参考位移与实际位移构造位置误差：

15、

16、为参考位移，为液压缸实际位移；

17、在重复控制补偿未介入时，基础位置控制器根据位置误差e生成初始控制量：

18、

19、分别为比例、积分和微分增益；

20、重复控制器生成的误差补偿量与原始位置误差叠加，形成修正误差：

21、

22、然后将修正误差输入至基础位置控制器，得到经重复控制修正后的基础控制量：

23、

24、重复控制器通过误差修正通道影响基础位置控制器输出。

25、其中，在步骤s3中，具体如下：

26、死区逆补偿模型采用基于 sigmoid 平滑加权的死区逆补偿模型，设基础控制器输出为，经死区逆补偿后的伺服阀输入为，补偿模型为：

27、

28、分别为伺服阀正向与负向线性区增益的标定估计值；分别为正

29、向与负向死区宽度的标定估计值；与为基于双曲正切特性的平滑加权函数，定义为：

30、

31、为平滑调节系数，用于调节正、负死区补偿区间之间的过渡平滑程度；

32、当为正时，占主导作用，控制器主要采用正向死区逆补偿模型；当为负时，占主导作用，控制器主要采用负向死区逆补偿模型；当接近零时，两个平滑权重共同作用，实现正、负补偿区间之间的连续过渡。

33、其中，在步骤s4中，具体如下：

34、采用 lugre 摩擦模型描述液压缸动态摩擦：

35、

36、为内部状态变量，物理意义上为接触表面的平均鬃毛挠度；为执行器的相对运动速度；分别为鬃毛的刚度系数和阻尼系数；为黏性摩擦系数；为描述stribeck效应的连续非线性函数；代表静摩擦力，代表库伦摩擦力；根据该模型得到摩擦估计量，用于降低摩擦对扰动观测器的估计负担。

37、其中，在步骤s5中，具体如下：

38、基于lugre摩擦模型的非线性干扰观测器设计，根据液压执行器的动力学方程，基于本文建立的摩擦模型，构造系统方程：

39、

40、其中，为液压净驱动力，其中为lugre摩擦模型估计值；为lugre模型摩擦前馈残差，其中为真实的非线性摩擦力；为外负载，为模型误差；

41、定义液压系统的残差复合扰动为：

42、

43、令，阀控缸系统动力学方程整理为：

44、

45、避免引入含有高频噪声的加速度信号，构造如下扰动估计动态：

46、

47、为总集总扰动的估计值，为观测器带宽；

48、由于实际物理系统中的真实扰动是未知的，为此，引入观测器内部辅助状态变量：

49、

50、则：

51、

52、设计观测器表达式为：

53、

54、为集总扰动的估计值，为观测器带宽；

55、由此得到复合扰动估计值并生成扰动补偿控制量：

56、

57、为扰动补偿增益。

58、其中，在步骤s6中，具体如下：

59、定义第个采样时刻的位置参考信号为，系统实际输出位移为，则原始位置跟踪误差定义为：

60、

61、针对周期性冲击载荷诱发的固定周期误差分量，设系统采样周期为，冲击扰动周期为，重复控制延迟拍数为：

62、

63、在重复控制前馈通道中串联高通滤波器，设定截止频率；高通滤波器的连续域传递函数为：

64、

65、为实现滤波器与离散重复控制器相匹配，对连续变量进行离散化变换，得到z域下的滤波器传递函数为：

66、；

67、经过高通滤波后的高频误差信号为：

68、

69、将提取的高频误差输入至离散重复控制器中，为实现对上一周期误差信息的存储与再利用，并兼顾系统在高频段的鲁棒性，引入低通滤波器；在z域下，重复控制器内部状态的更新律设计为：

70、

71、滤波器的作用在于削弱高频误差分量在周期学习回路中的持续累积，使重复学习回路的特征极点由单位圆边界收缩至单位圆内部，进一步整理得到内部状态方程为：

72、

73、引入相位超前补偿，其中，为相位超前补偿步数，重复控制器输出在时域中可表示为：

74、

75、其中，为重复控制增益，决定周期误差的学习强度；为相位超前步数，用于补偿对象及基础闭环在冲击主频附近产生的等效相位滞后；

76、由于在实际液压系统中，相位超前步数远小于单周期采样点数（即），因此等效补偿项在离散时间域内始终表现为纯滞后环节，严格满足离散系统的因果性要求，是对上一周期历史状态进行相位校正后的超前提取，以改善周期补偿与实际受扰响应之间的对齐程度；

77、将控制器输出转换至域可得：

78、

79、故设计插入式重复控制器的离散传递函数为：

80、

81、补偿对象及基础闭环在冲击主频附近产生的等效相位滞后根据上一周期误差信息生成重复控制补偿量；

82、构造误差为输入至初始控制器中形成总控制量用于对周期性误差进行学习补偿。

83、其中，在步骤s7中，具体如下：

84、将基础控制量、扰动观测补偿量和重复控制补偿量合成为：

85、

86、随后，将该指令代入步骤 s3的平滑死区逆补偿模型中，计算得到最终伺服阀控制输入，并将其输出至电液伺服阀以驱动液压缸运动。

87、本发明的一种高频锻打扰动下锻造机液压多轴协同进给复合抗扰方法的有益效果如下：

88、本发明面向径向锻造等高频锻打扰动工况，能够针对锻打过程中周期性冲击载荷反复作用、冲击卸载间隙载荷突变以及阀控缸低速微动控制困难等问题进行处理。通过构建适用于高频锻打工况的复合抗扰控制方法，使液压多轴协同进给系统能够在高频锻打的连续循环过程中保持较好的位置跟踪精度和误差抑制能力，改善传统控制方法难以持续抑制高频冲击造成的波动的问题。

89、本发明能够提高锻造机液压多轴协同进给系统的运行稳定性和成形一致性。在高频锻打过程中，系统的位置前冲、误差波动和控制量突变会影响工件夹持状态、进给精度和成形质量。本发明通过提高阀控缸在周期性冲击载荷下的位置保持能力和抗扰性能，可减小锻打时的进给波动，降低工件加工过程中的位置偏差和受力不稳定现象，从而有利于提高径向锻造装备的成形精度、表面质量和生产过程稳定性。