一种用于复合材料压机变速下落的轨迹规划方法技术

本发明专利技术涉及一种用于复合材料压机变速下落的轨迹规划方法。该方法：首先，对比例先导控制阀输入等差额指令信号控制压机循环下落并采集活动梁位移、回程缸压力和指令信号；而后，对活动梁位移信号进行微分处理得到活动梁下降速度信号，并采用神经网络算法对采集参数进行训练得到阀流量的数学模型；然后，结合回程缸的力平衡方程和流量连续性方程构建下落系统综合数学模型；最后，以回程缸压力的误差积分为寻优指标，采用改进遗传算法对三次样条插值轨迹进行全局优化，获得活动梁下落的控制指令轨迹。本发明专利技术采用活动梁下落指令轨迹规划方法，有效避免了系统的刚性冲击与柔性冲击，抑制了系统的压力波动并提高了活动梁变速下落的轨迹规划效率与精确度，提升了工程适应性。

Trajectory planning method for variable speed drop of composite material press

The invention relates to a trajectory planning method for a variable speed drop of a composite press. The method: firstly, on the proportional pilot control valve input difference command signals to control the whereabouts and activities of acquisition cycle compressor displacement of beam, the return cylinder pressure and then the command signal; the movable beam displacement signal processing beam down speed differential signal, and the neural network algorithm is used to train the acquisition parameters mathematical model of valve then, combined with the flow; to construct a comprehensive mathematical model of the system the whereabouts of the return cylinder force balance equation and flow continuity equation; finally, the integral error return cylinder pressure is the optimization index, using the improved genetic algorithm of three spline interpolation trajectory for global optimization and control command path beam falling. The invention adopts the movable beam falling instruction path planning method can effectively avoid the impact of rigid and flexible impact system, restrain the system pressure fluctuations and improve the efficiency and accuracy of trajectory planning activities to enhance the transmission beam falling, engineering adaptability.

【技术实现步骤摘要】
一种用于复合材料压机变速下落的轨迹规划方法
本专利技术涉及一种轨迹规划方法，特别涉及一种大吨位复合材料液压机活动梁变速下落的运动轨迹规划方法。
技术介绍
复合材料压机是公共基础设施建设用于制造新型复合材料的核心装备，其以成型精度高、自动化程度强、技术密集、面对复杂构件可实现一次成型以及可连续压制等优点，广泛应用于碳纤维车身、飞机机翼、机械手以及新能源电池等高新产品制造领域。液压机在压制过程中，通常需要活动梁从机锁位高速下落，并在接触待压材料之前进行速度由快到慢的高速转变，以防止压机产生强烈的冲击以及剧烈噪声与振动，避免模具因撞击而受损，从而延长压机的使用寿命，实现料坯的平稳压制。然而对于大吨位的压机活动梁下落过程来说，过大的速度变化率以及系统的压力冲击本身会给压机带来极大振动与磨损。针对机械构件运动过程中的减振手段目前主要有两种：增设抑振装置和抑振轨迹的规划。(1)抑振装置方面：采用喷气推力装置提供一个与振动互相作用的抑制力来实现振动抑制(如参考专利201010195780.1)；或在执行器一侧设置配重阻尼装置以抑制执行器的振动(如参考专利JP2009-242062)(2)抑振轨迹优化方面：通过采用抑振轨迹实现执行器运动过程的位移、速度和加速度曲线连续，从而实现了运动过程柔性冲击与刚性冲击的消除(参考专利201310145357.4、201110299209.9、201110452788.6和US5908122A)；或者进一步采用优化算法对执行器运动轨迹的最大跃度值进行最小化规划实现了运动过程对关节机构磨损的减少(如参考专利201410289512.4)。现有专利设计有助于满足抑制执行机构运动冲击的应用要求，但仍存在以下一些不足，主要表现为：1)增设减振装置不仅提高了工业成本，同时不利于执行器运动的精确控制。针对具有较高成型精度要求的复合材料液压机下落系统，由于其需要保证活动梁在下落过程中的动态的水平精度，活动梁与回程缸只能选择刚性接触。如果二者之间增设阻尼减振装置将增加控制系统的滞后性与不确定性，不利于活动梁水平精度的保证。而在活动梁侧面加设缓冲装置，不仅会使得系统复杂化，成本升高，同时也会影响活动梁运动的动态控制精度，使产品成型质量无法保证。2)现有轨迹抑振方法多只针对于执行器的运动冲击进行抑制或削弱，很少考虑到液压系统的内在压力冲击。在复合材料液压机压制循环过程中，模具及活动梁的质量较大，致使活动梁在下落过程中极易产生由于自身惯性而引起的机械振动与液压冲击。活动梁运动速度的突变以及加速度突变将会引起系统的刚性冲击与柔性冲击，而过大的液压冲击又将会导致压机液压系统的内在振动，造成阀件磨损以及电液控制精度的降低等。通常一个高精度的活动梁下落运动电液比例控制阀件的成本极高，而长时间高频率的压力冲击将极大缩短压机及关键液压阀件的使用寿命。3)针对于液压驱动的复合材料压机活动梁变速下落系统，目前多以经验法确定活动梁变速下落轨迹，轨迹规划效率低下。一方面为了寻找使复合材料液压机压力冲击较小的变速轨迹，传统手段通常采用经验法，结合现场试验来确定。传统方法通常只能近似找到一条满足执行器运动冲击较小或者压力波动小的轨迹，难以同时保障运动冲击的消除以及压力振荡的抑制。另一方面，轨迹规划过程耗时较长，效率低下，对各种过程约束条件无法有效保障，无法适应不同工艺要求下变速轨迹的快速规划，极大的限制了轨迹规划方法的适应能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于复合材料压机变速下落的轨迹规划方法，该方法解决了传统压机活动梁轨迹规划存在的规划速度慢、输出轨迹无法实现有效减振等问题，实现复合材料压机活动梁无运动冲击以及抑制压力波动的轨迹规划，以提高系统稳定性，改善系统噪声和振动。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种用于复合材料压机变速下落的轨迹规划方法，首先，对比例先导控制阀输入等差额指令信号控制压机循环下落并采集活动梁位移、回程缸压力和指令信号；而后，对活动梁位移信号进行微分处理得到活动梁下降速度信号，并采用神经网络算法对采集参数进行训练得到阀的通油流量数学模型；然后，结合回程缸的力平衡方程和流量连续性方程构建下落系统综合数学模型；最后，以回程缸压力的误差积分为寻优指标，采用改进遗传算法对三次样条插值轨迹进行全局优化，获得活动梁下落的抑振指令轨迹。在本专利技术一实施例中，所述用于复合材料压机变速下落的轨迹规划方法具体实现如下：S1：对输入指令信号在其工作范围内进行较小间隔的等距划分，并按指令信号从小到大的顺序给定比例先导控制阀，在每一个指令信号下，活动梁从机锁位开始循环下落运行，并同时采集第一回程缸和第二回程缸的稳态压力pL、活动梁位移s信号；S2：将所采集的第一回程缸和第二回程缸的稳态压力pL、活动梁位移s和比例先导控制阀的指令信号u传输到上位PC机，并对活动梁的位移s进行微分处理得到活动梁的下降速度v；通过液压缸流量公式Q＝Av得出流入第一回程缸和第二回程缸的流量值Q，并通过BP神经网络训练得到第一回程缸和第二回程缸稳态压力pL、比例先导控制阀的指令信号u和流入第一回程缸和第二回程缸的流量值Q三者函数映射关系Q＝f(u,p)；结合第一回程缸和第二回程缸的力平衡方程和流量连续性方程，构建变速下落系统综合数学模型；S3：采用具有高阶导数连续的多项式曲线作为活动梁变速运动指令轨迹基线，同时依据无柔性冲击与刚性冲击的工艺需求设置其边界条件；将轨迹等间距离散化，得到离散后的轨迹Uspl(t)，即：对相邻两段轨迹的衔接点值Uspl(tj)进行上下浮动，从而可得各段节点指令值为Uspl(tj)＝ubj+Δuj；式中：为各段变速时间的多项式系数，m为多项式最高次数，n为轨迹分段数，i＝0,1,…,m，j＝0,1,…,n-1，t0为活动梁变速运动的起始时间，tn为活动梁变速运动的终止时间，ubj为基线在tj时刻的指令值，Δuj为与ubj对应的浮动值；S4：通过Matlab遗传算法工具箱，结合精英策略与迁移策略，在过程约束和边界条件下，对每一代的节点浮动值[Δuk1Δuk2...Δukn]进行最小适应度函数值的全局搜索，式中：k为迭代数；S5：采用Matlab的样条插值函数spline将规划后的各节点浮动值结合轨迹边界条件即可生成分段连续目标指令轨迹；S6：在活动梁下落过程中，将规划后的指令轨迹通过PLC传输给比例先导控制阀即可实现活动梁无运动冲击及抑制第一回程缸和第二回程缸压力波动的变速下落运动，轨迹规划结束。在本专利技术一实施例中，所述步骤S4的具体实现方式为：S41：将Matlab遗传算法工具箱生成的每一代的浮点数组[Δuk1Δuk2...Δukn]传递到Matlab的m文件当中，并调用Matlab的样条插值函数生成高阶样条插值轨迹；S42：将生成的指令轨迹输入到变速下落系统综合数学模型，从而计算得出适应度函数值。在本专利技术一实施例中，所述适应度函数采用：式中：ts为活动梁变速运动持续时间；ep(t)为实际压力值与稳态压力值的差值；ri为各惩罚项的系数因子；Pi(u)是由当代浮动指令电压与基础电压之和构成的Uspl(tj)超出比例先导控制阀的指令信号控制范围时的惩罚项。在本专利技术一实施例中，所述边界条件设定为：起始点值Us为活动梁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于复合材料压机变速下落的轨迹规划方法，其特征在于：首先，对比例先导控制阀输入等差额指令信号控制压机循环下落并采集活动梁位移、回程缸压力和指令信号；而后，对活动梁位移信号进行微分处理得到活动梁下降速度信号，并采用神经网络算法对采集参数进行训练得到阀的通油流量数学模型；然后，结合回程缸的力平衡方程和流量连续性方程构建下落系统综合数学模型；最后，以回程缸压力的误差积分为寻优指标，采用改进遗传算法对三次样条插值轨迹进行全局优化，获得活动梁下落的抑振指令轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种用于复合材料压机变速下落的轨迹规划方法，其特征在于：首先，对比例先导控制阀输入等差额指令信号控制压机循环下落并采集活动梁位移、回程缸压力和指令信号；而后，对活动梁位移信号进行微分处理得到活动梁下降速度信号，并采用神经网络算法对采集参数进行训练得到阀的通油流量数学模型；然后，结合回程缸的力平衡方程和流量连续性方程构建下落系统综合数学模型；最后，以回程缸压力的误差积分为寻优指标，采用改进遗传算法对三次样条插值轨迹进行全局优化，获得活动梁下落的抑振指令轨迹。2.根据权利要求1所述的一种用于复合材料压机变速下落的轨迹规划方法，其特征在于：该方法具体实现如下：S1：对输入指令信号在其工作范围内进行较小间隔的等距划分，并按指令信号从小到大的顺序给定比例先导控制阀，在每一个指令信号下，活动梁从机锁位开始循环下落运行，并同时采集第一回程缸和第二回程缸的稳态压力pL、活动梁位移s信号；S2：将所采集的第一回程缸和第二回程缸的稳态压力pL、活动梁位移s和比例先导控制阀的指令信号u传输到上位PC机，并对活动梁的位移s进行微分处理得到活动梁的下降速度v；通过液压缸流量公式Q＝Av得出流入第一回程缸和第二回程缸的流量值Q，并通过BP神经网络训练得到第一回程缸和第二回程缸稳态压力pL、比例先导控制阀的指令信号u和流入第一回程缸和第二回程缸的流量值Q三者函数映射关系Q＝f(u,p)；结合第一回程缸和第二回程缸的力平衡方程和流量连续性方程，构建变速下落系统综合数学模型；S3：采用具有高阶导数连续的多项式曲线作为活动梁变速运动指令轨迹基线，同时依据无柔性冲击与刚性冲击的工艺需求设置其边界条件；将轨迹等间距离散化，得到离散后的轨迹Uspl(t)，即：对相邻两段轨迹的衔接点值Uspl(tj)进行上下浮动，从而可得各段节点指令值为Uspl(tj)＝ubj+Δuj；式中：为各段变速时间的多项式系数，m为多项式最高次数，n为轨迹分段数，i＝0,1,…,m，j＝0,1,…,n-1，t0为活动梁变速运动的起始时间，tn为活动梁变速运动的终止时间，ubj为基线在tj时刻的指令值，Δuj为与ubj对应的浮动值；S4：通过Matlab遗传算法工具箱，结合精英策略与迁移策略，在过程约束和边界条件下，对每一代的节点浮动值[Δuk1Δuk2...Δukn]进行最小适应度函数值的全局搜索，式中：k为迭代数；S5：采用Matlab的样条插值函数spline将规划后的各节点浮动值结合轨...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜恒，张原，蔡文杰，陈淑梅，陈晖，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35