外文翻譯--金屬板料成型過程控制器的設(shè)計(jì) 中文

1、<p><b>　　南京理工大學(xué)</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯</p><p>　　系　　部： 機(jī)械工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　外文出處; Process Controller Design for Sheet Metal Forming ,Proceedings of the American Control Conference , San Digeo ,California June 19

3、99 ,p192-196</p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p><b>　　美國(guó)控制會(huì)議論文集</b></p><p>　　圣迪格 加利福尼亞 六月 1999</p><p>　　金屬板料成型過程控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　Cheng-w

4、ei Hsu and A.Galip Ulsoy Mahmoud Y.Demeri</p><p>　　密歇根大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)系 福特汽車公司福特研究實(shí)驗(yàn)室</p><p>　　安艾伯：密歇根 48109-2125，美國(guó) 迪波恩 密歇根 48121，美國(guó)</p><p>　　摘要：在加工過程中通過調(diào)節(jié)壓邊力可以增加工件的成形性和精確度和更好的重

5、復(fù)精度。關(guān)于金屬板料成形過程控制的應(yīng)用已有很多的研究。但是，過程控制器的設(shè)計(jì)還沒有徹底解決，因此本文對(duì)此進(jìn)行研究。在無論模型是否確定和魯棒情況下，采用具有近似反饋動(dòng)力學(xué)的常數(shù)比例積分（PI）控制器可獲得小的跟蹤誤差。</p><p><b>　　1概述</b></p><p>　　由于具有高速度和低批量生產(chǎn)成本，金屬板料沖壓是一種重要制造過程。圖1為簡(jiǎn)單的沖壓過程示意

6、圖。</p><p>　　圖1 沖壓過程示意圖</p><p>　　基本的組成部分是一個(gè)沖頭和一套包含拉深邊緣的壓邊圈。沖頭拉深板料成型，同時(shí)壓邊圈夾持板料控制流向凹模的金屬。一些過程變量如圖顯示：Fp是沖壓力，F(xiàn)b是壓邊力，F(xiàn)r是坯料約束力。沖壓零件良好的質(zhì)量（如無撕裂，無起皺和高的尺寸精度）對(duì)于避免裝配和最終產(chǎn)品性能出現(xiàn)問題很重要。沖壓過程的重復(fù)精度（如零件間的尺寸變化）也會(huì)影響到后續(xù)

7、的批量裝配生產(chǎn)。新材料的使用也帶來了新的挑戰(zhàn)。例如，輕質(zhì)材料（如鋁）的使用可根本減輕汽車的重量從而更好的節(jié)省油耗。但是，鋁材降低了成型性并生產(chǎn)更大的回彈。</p><p>　　對(duì)于流入凹模處材料的控制是保證零件的高質(zhì)量和重復(fù)精度的關(guān)鍵。以往研究表明在拉深過程中采用變壓邊力對(duì)于改進(jìn)成形性，減少回彈和得到好的工件重復(fù)精度。</p><p>　　一種變壓邊力應(yīng)用的策略（如過程控制）如圖2所示。&

8、lt;/p><p>　　圖2 是金屬板材成型中的過程控制</p><p>　　在該策略中，通過控制壓邊力按照事先設(shè)定好的軌跡（如沖頭的力-位移曲線）控制一個(gè)可測(cè)的過程變量（如沖力）。相似的方法在文獻(xiàn)【5，6，7】中有所報(bào)道。 最近對(duì)于金屬板成型的研究又得出以下結(jié)論：</p><p>　　1.零件質(zhì)量的一致性可以通過反饋跟蹤特性來提高。</p><

9、;p>　　2.更高的質(zhì)量可以通過選擇參考的沖壓力軌跡來得到。</p><p>　　意識(shí)到一個(gè)糟糕的過程控制器是不能很好的保證跟蹤性能結(jié)果也不能保證零件質(zhì)量和重復(fù)精度是非常重要的。很明顯，過程控制器在反饋控制系統(tǒng)中起著重要的作用，因此需要進(jìn)一步的研究。</p><p>　　過程控制器在金屬板材成型過程中的重要細(xì)節(jié)還沒有完全確定，尤其，從控制的角度。制造金屬板材成型的控制器已經(jīng)說明了[9

10、] 。Hsu et al。[10]最近提出了利用一次線性動(dòng)力學(xué)模型在實(shí)驗(yàn)中捕捉加工過程力的變化的觀點(diǎn)。比例積分控制已經(jīng)被用在金屬板成形和控制器部分。這種應(yīng)用一定程度上是由它的特點(diǎn)和誤差決定的。</p><p>　　比例積分控制的優(yōu)點(diǎn)是，好的控制器它能取得好的跟蹤效果。但是，不能保持好的持久性。然而，差的控制器能得到好的持久性。但是，不能得到好的可跟蹤特性。當(dāng)金屬板材成型加工更多用于非直線時(shí)，很難使比例積分控制器和

11、壓邊圈系統(tǒng)保持一致的好的表現(xiàn)。Hsu et al[8] 研究說明連續(xù)比例積分控制反饋表現(xiàn)（PIF） 雖然PIF控制在干燥情況下工作很好，它在潤(rùn)滑良好情況下工作會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的壓邊力。</p><p>　　這個(gè)研究的目的是為了系統(tǒng)地發(fā)展能使金屬板材成形保持更好的跟蹤效果的過程。一個(gè)連續(xù)得到PI過程控制的，金屬板材逆動(dòng)力學(xué)學(xué)的成型學(xué)說將要被提出。第一要求是關(guān)于非直線力學(xué)模型，為了非邊界成型[10]將要被開發(fā)去得到相近

12、逆動(dòng)力學(xué)，這是關(guān)于表面跟蹤的。為獲得更好的重復(fù)精度，PI控制器將要被設(shè)計(jì)去保證表面好的跟蹤效果，無論模型是否確定和魯棒。數(shù)字模擬將會(huì)證明控制器的能力。</p><p>　　2 系統(tǒng)化的過程控制設(shè)計(jì)</p><p>　　下圖3是關(guān)于帶逆動(dòng)力學(xué)的恒增益PI過程控制器框圖。Plant塊指的是真正沖壓過程的或者是它的過程模型。Fpd是參考的沖壓力軌跡， Pb是提供給Plant的壓邊力，F(xiàn)b也是Pl

13、ant產(chǎn)生的沖壓力。過程控制器的系統(tǒng)化開發(fā)有以下幾個(gè)要求：</p><p>　　圖3 用逆動(dòng)力學(xué)獲得PI控制的框圖</p><p>　　1.過程控制設(shè)計(jì)器的金屬板材（例如“板料”）建模。</p><p>　　2. 設(shè)計(jì)過程控制器（逆動(dòng)力學(xué)和比例積分）。</p><p>　　3.通過模擬實(shí)驗(yàn)來調(diào)整和修正過程控制器表現(xiàn)。</p>

14、<p>　　4.通過最后結(jié)果調(diào)整并修改過程控制器的表現(xiàn)。</p><p>　　過程控制器的調(diào)整和驗(yàn)證在本文將不加以說明。</p><p>　　2．1金屬板料成型建模</p><p>　　U形件成型過程模型可以用以下一次非線性動(dòng)力學(xué)公式所表示：</p><p><b>　　此外</b></p>&l

15、t;p>　　α（Fb）和τ（Fb）是CD增益和時(shí)間常數(shù)，這可以從恒壓邊力實(shí)驗(yàn)得到。</p><p>　　2.2 連續(xù)通過相似的逆動(dòng)力學(xué)實(shí)際獲得PI控制</p><p>　　對(duì)于一個(gè)給定參考沖壓力軌跡沖壓力軌跡，設(shè)計(jì)控制器去生成壓邊力可達(dá)到：</p><p>　　1.穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)</p><p>　　2.沖壓力和參考沖壓力軌跡的

16、漸近收斂。</p><p>　　提出的控制器包括兩部分：近似逆動(dòng)力學(xué)和比例積分控制。近似的逆動(dòng)力學(xué)跟蹤參考沖壓力軌跡，而PI控制器能保證好的跟蹤效果而無論干擾和模型的不確定性。</p><p>　　2.21近似逆動(dòng)力學(xué)；逆動(dòng)力學(xué)示意圖如圖4所示</p><p>　　圖4 逆動(dòng)力學(xué)框圖</p><p>　　Fb0是輸出逆動(dòng)力學(xué)同時(shí)也是經(jīng)控制器

17、推算出的壓邊力的一部分，e是由于單獨(dú)使用逆動(dòng)力學(xué)所引起的誤差。事實(shí)上，逆動(dòng)力學(xué)是前饋控制。</p><p>　　跟蹤誤差被定義為e（t）=Fp（Fb，t）-Fpd（t）。</p><p>　　跟蹤誤差的力，是由e（t）除時(shí)間t推算得到的，代入式1可得：</p><p>　　Lyapunov定理證明了跟蹤誤差動(dòng)力學(xué)的漸近穩(wěn)定性，這意味著e漸近收斂為0。選擇備選Lyap

18、unov函數(shù)如 V=1/2VE</p><p><b>　　對(duì)t求導(dǎo)得：</b></p><p><b>　　因此式8可變?yōu)椋?lt;/b></p><p>　　式10是負(fù)定義因?yàn)棣樱‵b）<0。通過Lyapunov原理，如果滿足式9跟蹤誤差動(dòng)力學(xué)漸近穩(wěn)定。因此，式9是逆動(dòng)力學(xué)因?yàn)镕b可以由給點(diǎn)Fpd求得。</p&

19、gt;<p>　　從公式.9求Fb所根據(jù)的是 因?yàn)?可以是0。圖5所示。</p><p><b>　　圖5的輪廊線</b></p><p>　　數(shù)據(jù)可以是0。這會(huì)引起求Fb的數(shù)值問題，因?yàn)镕b可以非常大或者變得不確定，隱含著Fb 將會(huì)突變或是不能被找到。為了解決這個(gè)問題，當(dāng)在仿真中設(shè) 時(shí)Fb=0 ?；谠摷僭O(shè)的逆動(dòng)力學(xué)（如式.9）稱做近似逆動(dòng)力學(xué)。下文F

20、b0表示式.9的解。</p><p>　　2.2.2恒（常數(shù)）增益的PI控制</p><p>　　一般來說，逆動(dòng)力學(xué)或前饋控制不能支持任何干擾或模型的不確定。反饋控制用恒（常數(shù)）增益的PI控制器來屏蔽持久性和增加模型不確定的彎曲性。恒增益的PI控制器的結(jié)果是在被設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上得到的。</p><p>　　干擾的過程模型可以表示如下。假設(shè)干擾，F(xiàn)d來自輸入過程模型如

21、圖4表示</p><p>　　Fb=Fbo+Fb跟蹤誤差ε可以表示為ε=Fp（Fb，t）-Fpd，ε包含e和由于Fb引起的誤差。假設(shè)Fb比Fbo小的多，那么Fb在圖.12中可以表示為Fb（Fb，t）然后證明了[10]。用圖13替代式12的結(jié)果為e是在不段縮小的。ε仍然受到Fb的影響</p><p>　　為了保持跟蹤性能（例如ε接近e），一個(gè)使εd集中為0的反饋環(huán)被提出。一個(gè)恒</p&

22、gt;<p>　?。ǔ?shù)）增益的PI控制器在這被說明，圖6為方塊圖。</p><p>　　圖6 后反饋環(huán)設(shè)計(jì)的方框圖</p><p>　　Kp是比例獲得 Ki是整體獲得。dFb是比例積分控制器的輸出也是經(jīng)設(shè)計(jì)者推算出的部分壓邊力。</p><p>　　假設(shè)這個(gè)復(fù)雜的過程模型是恒增益的，Go，也就是說是恒增益的比例積分控制器 ，閉環(huán)系統(tǒng)的逆動(dòng)力學(xué)公式是

23、</p><p><b>　　它的解是</b></p><p><b>　　而</b></p><p>　　Τo是恒的時(shí)間并且τ是變量。給定Go選擇合適的Ki和Kp，因此τo應(yīng)盡可能的小，τoKi盡可能大。因此εd將會(huì)很快減小。不管到什么程度εd是依靠Fd的。</p><p>　　2.3用近似逆動(dòng)力

24、學(xué)連續(xù)獲得比例積分控制器</p><p>　　圖7 帶近似逆動(dòng)力學(xué)的恒增益PI控制方框圖</p><p>　　得到的基于近似的逆動(dòng)力學(xué)的恒增益的PI控制器仿真圖如圖7表示。</p><p><b>　　3.模擬實(shí)驗(yàn)和結(jié)果</b></p><p>　　仿真實(shí)驗(yàn)被用來表示控制器的表現(xiàn)，提出因干擾的屏蔽和模型不確定時(shí)的表現(xiàn).

25、在接下來的仿真實(shí)驗(yàn)中在固定的壓邊力60KN下。用式1導(dǎo)出參考沖壓力軌跡Fpd。3.1在沒有干擾和模型確定的情況下</p><p>　　Fd在圖7中是0KN。方框圖上機(jī)械設(shè)備和加工的模型在圖7中的數(shù)學(xué)關(guān)系明確。圖8顯示了仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。</p><p>　　圖8近似逆動(dòng)力學(xué)的性能</p><p>　　（a）被測(cè)Fb（i.e.,Fb）(b)參考Fb（i.e.,Fbp）(

26、c)跟蹤誤差 （d）相關(guān)跟蹤誤差 </p><p>　　圖(a)顯示了Fb非常接近60KN。最大的超調(diào)僅僅為0.03KN。Fb=/60KN是明顯的數(shù)字問題和計(jì)算誤差。F(b)顯示Fb能很好的跟蹤Fpd。圖(c)和(d)顯示了很小的跟蹤誤差和聯(lián)系跟蹤誤差。</p><p><b>　　3.2抗擾剔除</b></p><p>　　Fd在圖7設(shè)定為2

27、0KN。機(jī)械設(shè)備和模型過程的方框圖的數(shù)學(xué)關(guān)系在圖7說明了。圖9顯示了仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果</p><p><b>　　圖9抗干擾的表現(xiàn)</b></p><p>　?。╝）計(jì)算Fb（i.e.,dFb） 測(cè)量Fb9（i.e.,Fb）和干擾（i.e.,Fd），(b)設(shè)計(jì)Fp（i.e.,Fpd）和測(cè)量Fp（i.e.,Fp），(c)跟蹤誤差 和（d）參考跟蹤誤差。</p>

28、<p>　　圖(a)顯示了控制器輸出（例如Fbo+dFb）可以調(diào)整并且補(bǔ)償干擾；因此，F(xiàn)b的數(shù)字最后接近60KN。圖(b)顯示了Fb可以跟蹤Fpb 即使有干擾，F(xiàn)d.跟蹤誤差，ε在圖(c)漸漸的衰減 它的最大值達(dá)到0.9KN。關(guān)系誤差γ在5周期后在圖(d)也衰減,關(guān)系誤差少于10-3</p><p>　　3.3模型不確定時(shí)的魯棒性</p><p>　　Fd在圖表7中被設(shè)置為0

29、KN這種不確定的模型在”plant”中是不同：</p><p>　　圖10示顯示仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 δα=0.1和 δτ=0.1圖(a)中顯示了Fb測(cè)量的值，這個(gè)值事實(shí)上和控制器輸出一致（例如Fbo+dFb）。Fb的測(cè)量值或是控制器輸出可以調(diào)整為不確定模型的集中點(diǎn)。圖(b)顯示Fb可以跟蹤Fpb即使模型不確定。圖(b)還可以跟蹤Fpd即使有干擾,Fd.跟蹤的誤差，在圖(c) 漸近衰減和它的最大值達(dá)到0.2KN。聯(lián)系的

30、誤差，γ ，在圖(d)也漸近衰減。甚至小于0.01。</p><p><b>　　4.討論</b></p><p>　　在圖5中，>0.01的允許范圍Fb不是0然而當(dāng)<0.01 假設(shè)為0。這種假設(shè)事實(shí)上限制了上面的范圍 。根據(jù)這個(gè)假設(shè)，近似的逆動(dòng)力學(xué)可以成功的產(chǎn)生一個(gè)沖壓力（例如Fbo）軌跡在壓邊力接觸點(diǎn)處。</p><p>　　圖

31、10高魯棒性模型不確定時(shí)</p><p>　?。é摩?0.1和δτ=0.1）：（a）測(cè)量Fb（b）涉及Fp（i.e.,Fpd）和測(cè)量Fb（i.e.,Fp）(c)跟蹤誤差 。和（d）關(guān)系跟蹤誤差 ?？梢员环譃閮刹糠郑篹由于逆動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生，而 ε 由于干擾產(chǎn)生。當(dāng)沒有干擾和沒有模型不確定時(shí)，事實(shí)上ε和e一樣。當(dāng)有干擾和模型不確定時(shí)，ε 將要比e大。如圖9 (c)和 圖10 (c)所示比圖8(c)有更大的跟蹤誤差。因此逆

32、動(dòng)力學(xué)將會(huì)決定跟蹤特性。</p><p>　　正如圖4中表示。逆動(dòng)力學(xué)事實(shí)上是前饋控制；因此，當(dāng)干擾和模型不確定時(shí)它不能保證特性。不管是否存在干擾和模型不確定，后反饋控制主要是為跟蹤特性設(shè)計(jì)的。雖然在圖9(c)中和圖10(c)中的跟蹤誤差比圖8(c)大，它們漸漸衰減了。因此，跟蹤特性可以通過常數(shù)比例積分控制器保持。即使有干擾和模型不確定。</p><p><b>　　5.總結(jié)和結(jié)

33、論</b></p><p>　　基于一次非線性動(dòng)力學(xué)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)帶近似逆動(dòng)力學(xué)的常數(shù)增益比例積分控制器。所提出控制器有一個(gè)前饋環(huán)（如近似逆動(dòng)力學(xué)）和后饋環(huán)（如恒增益比例積分控制）。當(dāng)反饋量涉及到和強(qiáng)的不確定模型時(shí)，前饋環(huán)決定了跟蹤特性，而后饋環(huán)與抗干擾性和模型不確定魯棒性有關(guān)。模擬實(shí)驗(yàn)顯示不管干擾和模型不確定，所提出控制器可以跟蹤參考量。下一步工作將包括實(shí)驗(yàn)開發(fā)和所提出控制器的有效性驗(yàn)證。<