基于PFC-(PID-H∞) 300 MN模锻水压机动梁速度跟踪控制
黄长征1，谭建平2
(1. 韶关学院 机电工程系，广东 韶关，512005；
2. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：提出基于PFC-(PID-H∞)的双闭环串级速度跟踪控制策略，内环为基于PID-H∞串级控制的凸轮转角控制环，外环为基于预测函数控制器的动梁速度控制环。将内控制环及后续水路系统看作PFC的广义被控对象，将广义被控对象简化为一阶加纯滞后对象，作为PFC的预测模型，设计水压机动梁速度跟踪控制系统，从模型失配、外加干扰2个方面对控制系统进行仿真。仿真和试验结果表明：该控制系统稳态精度、动态品质、跟踪性能和鲁棒性好，在不同载荷下，动梁速度控制精度为0.26~1.35 mm/s。
关键词：模锻水压机；动梁；速度控制；预测函数控制(PFC)
中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2010)03-0966-05
Speed tracking control of moving beam for 300 MN die forging hydraulic press based on PFC-(PID-H∞)
HUANG Chang-zheng1, TAN Jian-ping2
(1. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Shaoguan University, Shaoguan 512005, China;
2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: A double-closed-loop PFC-(PID-H∞) cascade speed tracking control system of moving beam for 300 MN die forging hydraulic press was put forward and designed. The inner control loop is cam rotational angle PID-H∞ cascade control. The outer control loop is moving beam’s speed PFC control. The inner control loop and subsequent waterway system were regarded as a generalized controlled object of PFC; the generalized controlled object was simplified as an one-order system with time delay, and as a prediction model of PFC. Some simulations of the PFC-(PID-H∞) system were made in the mismatched model and the disturbance. The simulation and test results show that the control system has good steady-state accuracy, dynamic characteristic, robustness and traceability, and the speed control accuracy is 0.26-1.35 mm/s under different loads.
Key words: die forging hydraulic press; moving beam; speed control; predictive functional control(PFC)
300 MN模锻水压机是当前亚洲最大的模锻液压机，是我国国防和基础建设的关键设备。速度控制技术是其关键技术之一，在等温锻压或模拟等温锻压中必须对动梁速度进行跟踪控制[1-2]。300 MN模锻水压机动梁速度控制系统具有巨大惯性、载荷瞬变和控制滞后等特性，这些都将影响水压机动梁速度跟踪控制的响应速度、控制精度和鲁棒性[3]。所以，研究其动梁速度跟踪控制具有非常重要的理论意义和工程意义，可为等温锻压或模拟等温锻压提供技术基础，为同类控制提供参考。目前，解决上述问题的方法主要有前馈PID串级控制和预测控制。采用第1种方法不能取得满意的控制效果，当前大多采用预测控制[4-5]。Richalet等[6-7]阐述了建立模型预测启发控制或称模型算法控制产生的动因、机理及在工业过程中的应用。目前，预测控制主要有动态矩阵控制(DMC)[8]、扩展时域预测自适应控制[9]、扩展时域自适应控制[10]、广义预测控制(GPC)[11]、广义极点配置预测控制[12-13]、连续时域广义预测控制[14]和内模控制(IMC)[15]等。预测函数控制(PFC)是第3代模型预测控制算法，它是由Richalet和Kuntze等[16]在20世纪80 年代提出的，PFC控制把控制输入的结构视为关键问题，可克服其他模型预测控制可能出现规律不明的控制输入问题，同时具有良好的跟踪能力及较强的鲁棒性，在工业过程中得到广泛应用，如在机器人、雷达的目标跟踪、传热设备和反应炉等到工业过程中取得了一定成果。因此，该水压机动梁速度跟踪控制系统采用PFC控制来解决其控制滞后、速度跟踪和鲁棒性问题[4]。
1 动梁速度跟踪控制原理
针对300 MN模锻水压机动梁速度跟踪控制系统的特点，将PFC控制和PID控制相结合，采用基于PFC-(PID-H∞)双闭环串级控制策略。其控制原理框图如图1所示。应用PFC控制为监督层，PID-H∞控制为控制层的透明控制结构。控制系统由2个闭环系统组成，内控制环为基于PID-H∞串级控制的凸轮转角控制环，外控制环为基于预测函数控制器的动梁速度跟踪控制环。将内控制环及后续水路系统看作PFC的广义被控对象，将广义被控对象简化为一阶加纯滞后对象，作为PFC的预测模型。这种控制系统综合了PFC 控制、H∞控制及常规PID 控制的优点。其控制原理是：基于PFC控制原理，由给定的动梁速度根据历史数据和预测模型求得凸轮轴目标转角，转角控制采用PID-H∞串级控制以便保证凸轮转角控制的鲁棒性和控制精度[1]；通过控制转角来控制水路系统的流量，从而控制水压机的动梁速度。
2 动梁速度预测函数控制器设计
2.1 锻压速度曲线设定
根据生产工艺要求确定1条锻压速度曲线。
2.2 预测函数控制器设计
2.2.1 预测模型
将基于PID-H∞串级控制器的凸轮轴转角控制回路看作PFC的广义对象，广义对象看作一阶加纯滞后系统。预测控制模型为：
2.2.2 参考轨迹
对于该稳定系统，PFC 控制器参考轨迹采用一阶指数形式，即
yr(k+i)=c(k+i)-λic(k)-yp(k)
式中：yr为参考轨迹；
，ts为采样周期；tr为95%的参考轨迹响应时间；c为工艺设定值；yp为系统输出。
图1 基于PFC-(PID-H∞)动梁速度跟踪控制原理图
Fig.1 Schematic of speed tracking control for moving beam based on PFC-(PID-H∞)
图2 动梁速度PFC动态响应MATLAB仿真模型
Fig.2 Simulation model based on MATLAB of PFC dynamic response for moving beam’s speed
3 基于PFC-(PID-H∞)动梁速度控制仿真
为了解基于PFC-(PID-H∞)双闭环串级动梁速度控制系统的性能，下面从模型失配和外加干扰2个方面进行仿真研究。动态响应MATLAB仿真模型如图2所示。
3.1 模型失配
3.1.1 时间常数失配
广义受控对象模型如式(1)所示。当时间常数tm分别为0.3，0.7和0.8时，控制系统动态响应仿真曲线如图3所示。由图3可知：当时间常数增大时，过渡过程时间变长，响应的初始阶段伴有波动，有不稳 定趋势；当时间常数减小时，超调量变大，过渡时间变长。
(1)
时间常数tm: 1—0.3; 2—0.7; 3—0.8
图3 时间常数失配时系统动态响应仿真曲线
Fig.3 Dynamic response simulation curve when time constant is mismatched
3.1.2 增益失配
广义受控对象模型如式(1)所示。当增益km分别为0.50，0.77和1.00时，控制系统动态响应仿真曲线如图4所示。可见：当增益失配时，虽然系统保持稳定，但存在较大的余差；当比例系数增大时，过渡过程时间变长；当比例系数减小时，响应加快，超调量增大。
增益km: 1—0.50; 2—0.77; 3—1.00
图4 增益失配时系统动态响应仿真曲线
Fig.4 Dynamic response simulation curve when gain is mismatched
3.1.3 滞后失配
广义受控对象模型如式(1)所示。当滞后时间常数td分别为0.8，1.1和1.2时，控制系统动态响应仿真曲线如图5所示。由图5可见：因滞后失配，当迟延时间增大时，响应速度变慢，而且在接近稳态时有小的波动；当迟延时间减小时，响应速度加快，但超调量增大，过渡过程时间变长。
3.2 外加干扰
系统在第4 s加入20%负荷阶跃干扰时，控制系统动态响应仿真曲线见图6。由图6可知：基于PFC-H∞ 双闭环串级控制系统具有很强的外加抗干扰能力，外加干扰基本不会对控制系统品质造成不良影响，能较好地满足工程要求。可见：基于PFC- (PID-H∞)的300 MN模锻水压机速度控制系统在预测模型失配时，控制系统仍具有良好的控制品质，只是在模型失配过大，特别是模型迟延时间失配过大时，系统性能变差；当系统受到外加干扰时，系统具有很强的外加抗干扰能力。所以，PFC 具有较强的抗干扰能力和鲁棒性，具有较大的稳态精度、良好的动态品质和跟踪性能。同时，控制算法简单，对预测模型准确度要求低，易于工程实现，能满足工程要求。
td: 1—0.8; 2—1.1; 3—1.2
图5 迟延时间常数失配时动态响应仿真曲线
Fig.5 Dynamic response simulation curve when lag time constant is mismatched
图6 阶跃干扰下系统动态响应仿真曲线
Fig.6 Dynamic response simulation curve under disturbance
4 试验
对300 MN模锻水压机动梁速度控制系统，在不同速度、不同工艺条件下，使水压机自动沿着某一速度曲线运行，其中1种工艺条件下的速度实测曲线如图7所示；在一种给定速度曲线条件下，实测动梁速度跟踪曲线如图8所示。
图7 1种工艺条件下实测速度曲线
Fig.7 Speed test curve under a process conditions
图8 速度跟踪试验曲线
Fig.8 Speed tracking test curves
试验结果表明：
(1) 在空程、升程和锻压这3个阶段中锻压阶段动梁速度控制效果最好，重复性最好，空程次之。但在水压机动梁速度控制中，主要对锻压速度的控制要求最高；在空程、升程2个阶段，对速度控制要求较低，所以，能满足生产要求。
(2) 在水压机低速锻压阶段比高速锻压阶段的动梁速度控制效果好。这主要是因为低速阶段动梁速度慢，速度容易控制。
(3) 水压机锻压速度变化慢阶段比速度变化快阶段的速度控制效果好。这主要是因为水压机控制系统的惯性大，在速度变化快的阶段，锻压速度控制较难。
(4) 速度跟踪控制效果良好，在锻压阶段效果优于其他阶段效果，能满足实际要求。
综上所述，动梁速度控制系统的测试结果与仿真结果相互吻合，证实了控制理论、控制模型、控制策略的正确性、可靠性和实用性[17]。
5 结论
(1) 基于PFC-(PID-H∞)的300 MN模锻水压机速度控制系统具有较强的抗干扰能力和鲁棒性、较大的稳态精度、良好的动态品质和跟踪性能。
(2) 在空程、升程和锻压这3个阶段中，锻压阶段的动梁速度控制效果最好，重复性最好，空程次之。
(3) 在水压机低速锻压阶段比高速锻压阶段的动梁速度控制效果好。水压机锻压速度变化慢阶段比速度变化快阶段的速度控制效果好。在锻压阶段效果的速度跟踪控制效果优于其他阶段的控制效果，能满足实际要求。
(4) 仿真结果和试验结果相吻合，证实了研究方法和模型建立的正确性，为同类系统研究提供了参考。
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收稿日期：2009-05-28；修回日期：2009-08-11
基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2007AA04Z417)
通信作者：黄长征(1970-)，男，湖南耒阳人，博士，副教授，从事现代机电液集成控制理论与应用研究；电话：15602346575；E-mail: hczchn@163.com
(编辑 陈爱华)
