一种压力机多点非线性预测控制系统技术方案

本发明专利技术属于技术领域，具体涉及到一种压力机多点非线性预测控制系统，本发明专利技术通过测量滑块不同施力点附近的行程位置，通过非线性伺服控制方法，分别控制与不同施力点所对应的电机转速和转矩，从而确保滑块不同施力点处的行程位置相等，实现了多点压力机的同步控制和非线性控制，消除了容易产生机械震动的缺陷，并且消除了机械耦合多点同步控制因为压力偏载过大而导致的滑块平面歪斜问题。

A Multipoint Nonlinear Predictive Control System for Press

【技术实现步骤摘要】
一种压力机多点非线性预测控制系统一种压力机多点非线性预测控制系统。
本专利技术属于
，具体涉及到一种压力机多点非线性预测控制系统。
技术介绍
伺服压力机采用电机作为驱动元件，经过齿轮、曲柄、连杆或螺纹螺杆等一系列减速增力机构后推动滑块上下移动，进而带动模具对材料进行挤压成型。在大型伺服压力机中，由于受到单台电机功率的限制，往往需要采用多台电机同步运行，在滑块上多个位置施加压力，以产生足够的压力。保证多点同步运动的常用方法主要分为两大类：机械方式和电气方式。机械方式结构固定、控制简单，但是结构复杂，噪声大，精度差，系统成本高，并且机械连接部容易出现震荡。电气同步方式同步性高，抗干扰性好，克服了机械方式的种种缺点，但是由于算法的不同，各种控制方式都有不同的缺陷。为了使滑块工作面在移动过程中保持水平，必须对多个伺服驱动系统进行同步控制。目前采用的方法有两种：一种控制算法通过伺服电机输出轴上的绝对位置旋转编码器确保两台电机完全同步旋转，进而通过减速机构和滑块的刚性保证滑块下平面在移动过程中保持水平；另一种改进算法通过检测最后一级线性减速机构（如主轴编码器）的绝对位置确保线性减速机构的同步运行，进而通过连杆机构和滑块的刚性保证滑块下平面保持水平。目前伺服压力机采用的同步控制方法都是在动力系统的线性环节完成同步控制，而包含连杆和滑块机构的非线性环节处于控制环路之外。这使得由于滑块不同加压点之间的偏载所引起的滑块位置误差不能通过伺服控制系统进行补偿，从而影响滑块的位置精度，严重时可能会导致滑块歪斜，降低产品质量，甚至损坏压力机和模具。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术的不足，提供一种压力机多点非线性预测控制系统。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种压力机多点非线性预测控制系统，包括至少两个电机，每个电机均连接控制器和传动机构，传动机构与滑块连接，控制器通过数据总线与中央控制器连接，所述滑块周围设有若干个直线位移尺，直线位移尺个数与电机个数相同，若干个直线位移尺用于测量滑块同一水平面上的若干点的位置，直线位移尺测量的点的位置与传动机构施力点位置对应；所述滑块的压力通过压力传感器进行测量；所述直线位移尺和压力传感器测量数据通过数据总线传送给中央控制器；所述中央控制器包括预测控制器，预测控制器包括系统模型模块、优化计算模块；其中：系统模型模块包含从电机到滑块的整个传动系统的数字模型，系统模型模块根据预测电流、直线位移尺反馈的滑块位置、压力传感器反馈的压力数据进行计算得到滑块预测位置，并将滑块预测位置发送给优化计算模块。优化计算模块：产生预测电流发送给系统模型模块；根据滑块预测位置、预测电流、预先设定的滑块行程位置数据计算成本函数值，将最小的成本函数值对应的预测电流选择为最优预测电流，将最优预测电流作为预测控制器的处理结果进行输出。优选的，所述直线位移尺测量的点的位置为滑块的底面边线上的点的位置。所述系统模型模块中计算滑块预测位置的公式为：其中，k代表预测控制器当前控制周期变量，k+1代表下一个控制周期变量，k-1代表上一个控制周期变量；p(k)是当前控制周期内的直线位移尺反馈的滑块位置测量值；p(k+1)为下一个控制周期的滑块预测位置；β是对机械间隙进行补偿后的电机转角；f为不考虑间隙和变形的理想情况下电机角度与滑块位置之间的映射关系；K为电机的转矩常数；i为预测电流；J(p(k))代表电机转子以及整个传动系统在滑块位置为p(k)时折算到电机转子上的综合转动惯量；Ts是预测控制器控制周期；F为压力传感器反馈的压力数据；h(F(k))是当前控制周期内由压力F导致的滑块位置偏差；h(F(k-1))表示上一个控制周期内由压力F导致的滑块位置偏差；h(F(k))-h(F(k-1))表示当前控制周期和上一个控制周期由压力导致的滑块位置偏差变化量。所述优化计算模块中成本函数g的计算式为：其中：p0是预先设定的滑块行程位置；是对N个数值进行求和运算；pn是系统模型模块计算的滑块预测位置；pmax表示所有滑块预测位置中的最大值；pmin表示所有滑块预测位置中的最小值；|.|是求绝对值运算；R是加权系数；sign(.)是符号运算；U是符号运算结果的加权系数。本专利技术通过一个单一预测控制算法同时实现多点压力机的同步控制和非线性控制。本专利技术消除了压力机多点驱动传动系统之间的硬性机械耦合，消除了容易产生机械震动的缺陷，并且消除了机械耦合多点同步控制因为压力偏载过大而导致的滑块平面歪斜问题。另外，本专利技术能够通过高速数据通信总线实时检测多点驱动压力机滑块的平衡状态、通过非线性伺服控制算法实时防止滑块倾斜，并补偿压力机立柱弹性变形误差，从而确保滑块位置精度，提高产品质量，降低不良品比率。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为本专利技术预测控制器的工作框架图。图3为本专利技术电机和传动系统模型图。图4为本专利技术成本函数为变量的一个曲面图。图中，1中央控制器，2数据总线，3上横梁，4滑块，5工作台，6下横梁，11控制器，12电机，13减速机构，14连杆，15铰链，16直线位移尺，17压力传感器，18立柱。具体实施方式以下给出本专利技术的具体实施例，需要说明的是本专利技术并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本专利技术的保护范围。针对现有技术中由于多点加压力量不均衡而导致的滑块4歪斜问题，本专利技术提供一种多点全闭环同步驱动方案。本专利技术通过测量滑块4不同施力点附近的行程位置，分别控制与不同施力点所对应的电机12转速和转矩，从而确保滑块4不同施力点处的行程位置相等。本实施例以双点驱动为例介绍本专利技术的具体方案。本专利技术也可用于四点或更多点控制。本实施例附图所示系统传动机构中包含非线性部分，本专利技术方法也可用于不包含非线性传动部分的压力机，如螺旋压力机等。本实施例包括两个电机12，电机12均为伺服电机，两个伺服电机分别连接控制器11，控制器11为伺服控制器，伺服控制器通过数据总线2连接中央控制器1。每个伺服电机均连接一套传动机构，整个系统由中央控制器1通过数据总线2对两套伺服电机和传动机构进行同步控制，从而使得滑块4在保持水平状态下进行上下移动。传动机构为线性传动机构或非线性传动机构均可，因此传动机构中的减速机构13的形式可以是齿轮减速器、行星减速器、螺纹螺杆等，也可以是曲柄连杆14等。本实施例中传动机构包括减速机构13、连杆14和铰链15。减速机构13与电机12相连，减速机构13连接连杆14，连杆14连接铰链15，铰链15与滑块4连接。上述这些结构均固定在压力机的机械框架上，压力机的机械框架包括上横梁3，连接横梁的两个立柱18，下横梁6和工作台5。在上横梁3上固定电机12和传动机构。当传动机构带动滑块4向下移动时，对滑块4和工作台5之间的模具和工件（附图中未画出）施加压力，进行成形加工。这些为压力机的常规框架结构和设置，这里不详细描述。本实施例在滑块4左右两侧各设一个直线位移尺16，直线位移尺16分别用于测量滑块4上某一点的位置，直线位移尺16测量的这些点位于滑块4的同一水平面上，并且测量点在施力点的附近，即测量的是滑块4不同施力点附近的行程位置，测量点与施力点是一一对应的。本实施例优选左右两侧的直线位移尺16分别测量滑块4底面左右顶点的位置。两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压力机多点非线性预测控制系统，包括至少两个电机（12），每个电机（12）均连接控制器（11）和传动机构，传动机构与滑块（4）连接，控制器（11）通过数据总线（2）与中央控制器（1）连接，其特征在于：所述滑块（4）周围设有若干个直线位移尺（16），直线位移尺（16）个数与电机（12）个数相同，若干个直线位移尺（16）用于测量滑块（4）同一水平面上的若干点的位置，直线位移尺（16）测量的点的位置与传动机构施力点位置对应；所述滑块（4）的压力通过压力传感器（17）进行测量；所述直线位移尺（16）和压力传感器（17）测量数据通过数据总线（2）传送给中央控制器（1）；所述中央控制器（1）包括预测控制器，预测控制器包括系统模型模块、优化计算模块；其中：系统模型模块包含从电机（12）到滑块（4）的整个传动系统的数字模型，系统模型模块根据预测电流、直线位移尺（16）反馈的滑块（4）位置、压力传感器（17）反馈的压力数据进行计算得到滑块（4）预测位置，并将滑块（4）预测位置发送给优化计算模块；优化计算模块：产生预测电流发送给系统模型模块；根据滑块（4）预测位置、预测电流、预先设定的滑块（4）行程位置数据计算成本函数值，将最小的成本函数值对应的预测电流选择为最优预测电流，将最优预测电流作为预测控制器的处理结果进行输出。...

【技术特征摘要】
1.一种压力机多点非线性预测控制系统，包括至少两个电机（12），每个电机（12）均连接控制器（11）和传动机构，传动机构与滑块（4）连接，控制器（11）通过数据总线（2）与中央控制器（1）连接，其特征在于：所述滑块（4）周围设有若干个直线位移尺（16），直线位移尺（16）个数与电机（12）个数相同，若干个直线位移尺（16）用于测量滑块（4）同一水平面上的若干点的位置，直线位移尺（16）测量的点的位置与传动机构施力点位置对应；所述滑块（4）的压力通过压力传感器（17）进行测量；所述直线位移尺（16）和压力传感器（17）测量数据通过数据总线（2）传送给中央控制器（1）；所述中央控制器（1）包括预测控制器，预测控制器包括系统模型模块、优化计算模块；其中：系统模型模块包含从电机（12）到滑块（4）的整个传动系统的数字模型，系统模型模块根据预测电流、直线位移尺（16）反馈的滑块（4）位置、压力传感器（17）反馈的压力数据进行计算得到滑块（4）预测位置，并将滑块（4）预测位置发送给优化计算模块；优化计算模块：产生预测电流发送给系统模型模块；根据滑块（4）预测位置、预测电流、预先设定的滑块（4）行程位置数据计算成本函数值，将最小的成本函数值对应的预测电流选择为最优预测电流，将最优预测电流作为预测控制器的处理结果进行输出。2.根据权利要求1所述的压力机多点非线性预测控制系统，其特征在于：所述直线位移尺（16）测量的点的位置为滑块（4）的底面边线上的点的位置。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：高建波，李琦，李庆卓，徐文秋，贾中青，成巍，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37