复合材料压机四角调平系统的双闭环控制策略研究

作     者：蔡文杰 

作者单位：福州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈淑梅

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：复合材料压机 四角调平系统 双闭环控制 多轴同步 数据采集系统 

摘      要：复合材料制品因其具有较好的力学性能、质量轻、强度高等优点,广泛地应用于航空航天、潜艇、汽车等领域。复合材料成型装备作为应用复合材料的关键装备,伴随着对复合材料制品成型精度的高要求,对大吨位高精度的复合材料成型装备需求也日趋强烈。复合材料成型精度关键在于压制过程中滑块的精确控制。由于系统偏载特性,导致其在数千吨的成型压力下无法满足大平面复杂形状的复合材料制品的成型需求。通过安装四角调平系统,以平衡其偏载特性。但对调平系统的偏载机理及电液伺服控制系统的参数影响规律等不够明确。因此,本文基于被动式四角调平液压系统,提出一种双闭环的控制策略,以实现滑块的高精度水平控制,并对其控制特性进行研究。首先,详细分析复合材料压机的工艺流程,研究被动式四角调平系统所需实现的功能;基于滑块的偏载机理,结合复合材料压机的动、静态参数要求,设计基于伺服比例阀的四角调平液压缸的液压和控制系统;在此基础上,构建内环为压力环,外环为多缸同步位置闭环的双闭环控制结构,以实现滑块的水平控制。其次,建立伺服比例阀控非对称液压缸数学模型,对其频域响应分析;在此基础上,研究关键性能参数对其压力控制特性的影响规律;并搭建基于AMESim压力闭环仿真模型,仿真验证理论分析所得到关键性能参数对压力控制系统影响规律的正确性。然后,基于内环精确的压力闭环控制特性,提出前馈补偿加闭环反馈的控制器设计方案;结合模糊PID控制器和遗传算法的参数优化,实现内环的精确的压力闭环控制;并通过AMESim和MATLAB/Simulink模块进行仿真研究,对比PID控制,得到优化算法在其控制性能上的优越性;搭建基于xPC Target的半实物仿真平台,对仿真结果进行试验验证。最后,基于滑块的数学模型,设计改进趋近律的滑模变结构控制算法;结合四缸力分配算法,得到四缸的目标调平力,实现滑块高精度水平控制;通过MATLAB/Simulink模块仿真分析所设计算法的有效性;并搭建基于LabVIEW的数据采集系统,对复合材料压机及其四角调平系统的参数调试提供数据支持,试验验证外环同步位置控制算法的有效性。本文的创新之处在于,针对被动式四角调平系统的非线性、耦合及过驱动等特性,设计一种基于双闭环控制策略的力矩调平方法,以简化系统的控制器设计;并优化其内外环控制算法,有助于提升多轴同步控制系统的响应速度和鲁棒性;基于调平系统的理论建模和数值分析,以获取系统关键性能参数对调平控制特性的影响规律,有助于调平系统的优化设计及其性能的提升。最后,通过试验验证了其控制策略及算法的有效性。