一种铝材挤压成型闭环调控系统及方法与流程

本发明涉及一种铝材挤压成型闭环调控系统及方法，属于工业控制系统。

背景技术：

1、当前工业控制闭环回路通常采用物理传感器获取受控对象的物理状态参数，通过将温度、应力以及流变速率作为反馈信号源来构建连续纠偏回路以维持工艺过程中的稳态平衡，当受控金属材料受载发生塑性流变时，其内部晶格滑移与能量耗散使材料的物理变形阻力发生偏转，该物理变形阻力通过传动机构反向加载于变频驱动逆变器的功率总线上，引起驱动电机母线电学特征和行程位移序列发生协同偏移。

2、将上述架构应用到铝材挤压成型工艺中时，由于物料流变伴随剧烈的热多场非线性耦合，外部测量组件采集的滞后信号无法实时表征模具内部的瞬态流变状态，导致常规回路累积滞后时延，现有调节手段多依赖挤压机前端机械构件或辊体形态等外部硬件结构尺度修正，硬件层面微调极易触及物理加工边界，无法从根本上解决系统软件控制层面动态失稳不足的问题，例如，授权公告号为cn118543693b的中国发明专利公开了一种铝材挤压成型设备，利用机械齿轮齿条刚性传动将推进位移转化为旋切驱动，控制外部动力源成本，但方案建立在物料流变均匀且无扰动的理想物理预设基础之上，实际加工中，铝材因热多场强耦合导致的瞬态流变阻力具有时变非线性特征，纯硬件联动调节完全剥离软件控制回路柔性自适应调节机制，面临物料硬度阶跃突变时，刚性传动结构无法实现控制增益实时钳位与前馈冲抵，易造成机械结构疲劳损耗或系统闭环发散死锁。

3、因此，如何利用驱动总线电学特征与位移序列构建离散联合差分观测结构，并在状态流转中实施增益自适应抗饱和钳位以平抑反馈回路的振荡超冲，成为本发明所要解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决背景技术中的问题，本发明的技术方案如下：一种铝材挤压成型闭环调控系统，系统包括：

2、工况数据同步单元，用于采集功率驱动变频器的直流母线电流与当前行程位移；

3、离散状态观测单元，与工况数据同步单元连接，用于对接收到的直流母线电流与当前行程位移进行离散差分矩阵运算，构建表征受控铝材变形阻力的阻力漂移特性，并根据阻力漂移特性解析出状态跳变标量；

4、动态反馈矩阵控制单元，与离散状态观测单元连接，用于依据状态跳变标量调降控制增益矩阵的各维分量权重，并在直流母线电流的相邻采样周期差值绝对值超过离散噪声滤波阈值时，对控制增益矩阵进行饱和钳位并输出目标调控指令流；

5、抗饱和动态反馈钳位单元，与动态反馈矩阵控制单元连接，用于在直流母线电流达到额定工作电流值的95%时清除积分累积项，并将控制路径切换为滑模变结构控制，通过输出滑模控制量约束目标调控指令流的输出幅值范围。

6、优选的，系统还包括前馈迟滞阻尼补偿单元；前馈迟滞阻尼补偿单元与动态反馈矩阵控制单元连接，用于提取历史反向控制残差，并在线修正目标调控指令流的输出斜率；动态反馈矩阵控制单元内置包含多个离散状态层的多层状态机，各离散状态层分别单调绑定唯一的存储器地址索引值，用于在阻力漂移特性发生跳变时关闭连续反馈控制，并激活多层状态机的级联控制分支。

7、优选的，工况数据同步单元包括采样脉冲发生器和同步缓冲存储器；工况数据同步单元通过采样脉冲发生器产生10ms的采样周期，并利用同步缓冲存储器并行捕获直流母线电流与当前行程位移，输出时序对齐的工况数据。

8、优选的，动态反馈矩阵控制单元在激活多层状态机的级联控制分支时，根据状态跳变标量的极性与幅值大小，计算得出单调调降分量，并依据单调调降分量降低控制增益矩阵的各维分量权重，在目标调控指令流输出至功率驱动变频器之前完成增益过饱和钳位。

9、优选的，抗饱和动态反馈钳位单元包括积分切断模块和滑模运算模块；抗饱和动态反馈钳位单元在直流母线电流达到额定工作电流值的95%时，通过积分切断模块清除积分累积项，并将目标调控指令流的计算路径切换至滑模运算模块，以利用指数趋近律计算滑模控制量，限制控制增益发散边界。

10、优选的，前馈迟滞阻尼补偿单元对目标调控指令流的输出斜率微调范围进行限定，将输出斜率微调范围约束在基准输出斜率的0.8倍至1.2倍范围内，以减小目标调控指令流的相位滞后。

11、优选的，离散状态观测单元用于对直流母线电流进行二阶差分矩阵变换，以在离散逻辑空间内滤除高频工况干扰信号，提取出反映铝材在挤压模具内流变状态变动趋势的滑移分量，并将滑移分量确定为阻力漂移特性。

12、优选的，系统还包括总线仲裁单元；总线仲裁单元分别与工况数据同步单元、离散状态观测单元、动态反馈矩阵控制单元和抗饱和动态反馈钳位单元连接，用于构建闭环控制回路内的固定优先级通信架构，并设定抗饱和动态反馈钳位单元输出的滑模控制量拥有最高通信优先级，直接覆盖动态反馈矩阵控制单元输出的目标调控指令流。

13、优选的，系统整体设置于分布式工业控制机箱内部，且系统通过屏蔽工业以太网总线与外部的功率驱动变频器互联，将计算得到的目标调控指令流实时发送至功率驱动变频器。

14、一种铝材挤压成型闭环调控方法，其用于运行一种铝材挤压成型闭环调控系统，包括以下步骤：

15、步骤s1，利用工况数据同步单元采集功率驱动变频器的直流母线电流与当前行程位移；

16、步骤s2，利用离散状态观测单元对直流母线电流与当前行程位移运行离散差分矩阵运算，以构建表征受控铝材变形阻力的阻力漂移特性，并根据阻力漂移特性解析出状态跳变标量；

17、步骤s3，利用动态反馈矩阵控制单元依据状态跳变标量调降控制增益矩阵的各维分量权重，并在直流母线电流的相邻采样周期差值绝对值超过离散噪声滤波阈值时，对控制增益矩阵进行饱和钳位并输出目标调控指令流；

18、步骤s4，利用抗饱和动态反馈钳位单元在直流母线电流达到额定工作电流值的95%时清除积分累积项，并将控制路径切换为滑模变结构控制，通过输出滑模控制量约束目标调控指令流的输出幅值范围。

19、相比于现有技术，本发明的有益效果是：

20、1、在铝材挤压成型闭环调控中，工况数据同步节点高频采集直流母线电流特征量与轴向自由度机构的当前行程位移序列，由离散状态观测单元构建离散联合差分算子，将电流变动量与位移变动量组合运算，在线产生状态跳变标量，该机制避开传统依靠热传导或机械应力传递的物理感知路径，利用电学特性与位移梯度的物理单调性，直接在控制器内部解算受控实体的瞬态流变阻力偏转，由于电学跳变具备零热阻特性，反馈回路获得前向的主动前馈对冲能力，消除控制指令与物理实体状态之间的相位错位，避免回路发散振荡。

21、2、动态反馈矩阵控制核预置包含多个离散时空拓扑层的层级状态机，各层单调绑定唯一的存储器地址索引值，在直流母线电流特征量的一阶时域差分绝对值越过预设的离散噪声硬性排除边界时，物料流变阻力发生阶跃，控制核关闭连续反馈控制路径，直接激活状态机的条件级联控制分支，该分支根据状态跳变标量的极性与大小，单调削减控制增益矩阵的各维分量权重，在指令下发前完成增益过饱和钳位，由此解决由于控制权重过饱和引发的闭环控制发散死锁。

22、3、抗饱和动态反馈钳位单元连接动态反馈矩阵控制核，用于监测功率驱动变频器的电流特征量，当直流母线电流达到额定工作电流值这一刚性安全边界阈值时，控制单元剥离原有积分累积项，控制律计算路径强制切换为截断形式的滑模变结构控制流，约束目标调控指令流的输出幅值范围，该切换机制在所述物理边界点产生分段式增益衰减，强行锁死控制增益发散边界，实现极限工况下的控制参数自适应调整，解决控制系统由于积分饱和引发的闭环发散问题。