液压机,特别是大吨位的液压机,有必要具备多种工作模式,以满足不同类型产品的生产需求。电液控制系统作为液压机的核心组成部分,其工作性能不仅决定了液压机的工作特性,而且显著影响到被压制产品的质量;因此,希望液压机具备多种工作模式,首先必须要求液压机的电液控制系统具备多种工作模式并存的能力。然而,以往的研究中很少有学者针对液压机的电液控制系统,特别是大吨位液压机的多模式电液控制系统展开深入的研究。本论文将以某大型锻造液压机为研究背景,以大吨位液压机的多模式电液控制系统为具体的研究对象,从核心元件、外负载补偿策略、非线性控制策略等方面出发,对大吨位液压机多模式电液控制系统的关键技术进行系统的研究。本论文共六章,每一章的摘要如下:第一章,概述了液压机的特点及分类、国内外研究现状以及未来的发展趋势,并指出多模式并存是未来大吨位液压机设计中必然考虑的一个问题,继而详细介绍了与大吨位液压机多模式电液控制系统相关的四大关键技术,即电液比例插装阀技术、液压机的外负载建模技术、基于干扰观测器的外负载补偿技术以及电液控制系统的控制技术,并指出了现有技术应用于多模式电液控制系统所存在的问题;最后,阐述了本课题的来源及研究意义,介绍了本论文的研究内容。第二章,针对某一款单反馈比例插装阀(single-feedback proportional cartridge valve, SFPCV)展开系统的研究。首先介绍了 SFPCV的工作原理,然后根据相关的性能指标对SFPCV的主要零部件进行设计,并建立了 SFPCV的非线性数学模型;根据SFPCV的非线性数学模型,建立了 SFPCV的MATLAB/AMESim联合仿真模型,并通过仿真数据与样机实验的对比验证了所建联合仿真模型的正确性;依托所建联合仿真模型,进一步研究了相关结构参数对SFPCV工作性能的影响规律,从而为SFPCV的改进提供依据;根据仿真结果并结合实验,对SFPCV的主要结构参数及控制策略进行了改进。实验结果表明:所研发SFPCV的相关动静态性能达到了设计指标,可以替代进口,应用于大吨位液压机的多模式电液控制系统中去。第三章,首先介绍了某大型锻造液压机多模式电液控制系统的工作原理,针对其与其他类型液压机所共有的、用以完成一般产品压制成形的低速工进系统以及其所特有的蓄能器辅助快锻系统,搭建了相应的实验平台。为了便于后续基于数学模型的非线性控制器设计,建立了实验平台的数学模型,并通过开环仿真及实验的对比验证了所建数学模型的正确性。考虑到后续的研究中需要用到实验平台中的加载液压缸对驱动液压缸进行模拟加载,还进一步研究了加载液压缸的加载控制算法。实验结果表明:采用模糊PID控制算法能够在保证静态加载精度与传统PID控制算法相仿的前提下,显著改善加载的动态过程。第四章,针对未知载荷作用下的低速工进系统高性能运动控制展开系统的研究。首先提出了两种不同的干扰观测器对液压机在低速工进阶段所受到的外负载进行在线估计和补偿:第一种干扰观测器基于外负载可分段线性化这一特点而提出,它的参数自适应由观测器误差和运动跟踪误差同时驱动,本文中把它称为“扩展的分段干扰观测器 ”(extended piecewise disturbance observer, EPDO);第二种干扰观测器基于模糊系统可以以任意精度逼近未知非线性系统这一特点而提出,它的参数自适应同样由观测器误差和运动跟踪误差同时驱动,本文中把它称为“扩展的模糊干扰观测器 ”(extended fuzzy di sturbance observer, EFDO)。针对电液控制系统固有的强非线性特性以及各种模型不确定性,并且考虑到负载口独立控制的低速工进系统的多输入-单输出特性,提出了 一种非线性层叠控制器作为低速工进系统的运动控制器:该非线性层叠控制器的位移跟踪环基于滑模控制而设计,以期望的位移、速度、加速度以及加加速作为输入,以期望的驱动力作为输出;该非线性层叠控制器的压力跟踪环基于backstepping技术而设计,使系统的实际驱动力能够精确跟踪位移跟踪环得出的期望驱动力。针对负载口独立控制的低速工进系统的静态工作点选择问题,提出了一种适用于液压机的“最小等效负载准则” (minimum equivalent load criterion,MELC):该准则把驱动缸有杆腔(相当于液压机的回程缸)提供的力看作等效外负载的一部分,随着估计外负载的增大逐渐减小驱动缸有杆腔的期望压力,并保证最小的等效外负载大于滑块的重力;从而能够最大限度地挖掘出液压机的驱动能力,并且保证液压机在任何状态下都不会出现失稳现象。仿真和实验结果表明:采用本文所提出的非线性层叠控制器,并结合本文所提出的EPDO或EFDO,能够使得液压机在低速工进过程中精确跟踪给定的期望位移曲线;在EPDO或EFDO的作用下,估计的外负载能够在观测器误差和运动跟踪误差的驱动下精确跟踪低速工进过程中所受到的实际外负载;此外,在本文所提出MELC的作用下,控制器能够根据估计外负载的大小,自动改变驱动缸有杆腔的期望压力,从而可以尽可能地挖掘出液压机的驱动能力,提高其位移跟踪性能。第五章,针对蓄能器辅助快锻系统的高频次、高精度、平稳位移控制展开系统的研究。首先从蓄能器辅助快锻系统的基本结构出发,进行核心元件的参数匹配设计。继而在考虑蓄能器辅助快锻系统的多输入-单输出特性,以及蓄能器辅助快锻系统所受到的各种匹配或者不匹配模型不确定性的基础上,提出了 一种最优能量分配-自适应鲁棒控制(optimal energy distributed adaptive robust control,OED-ARC)策略作为蓄能器辅助快锻系统的运动控制器:在OED-ARC控制器的设计中首先把“集总流量”看作系统的等效输入,使得系统的输入输出自由度相等;然后根据期望的运动轨迹,利用backstepping技术推导出“集总流量”的期望值;最终再根据“最优能量分配准则”从“集总流量”推导出两个控制阀的实际控制量。此外,在OED-ARC控制器的设计中还采用了 一种基于蓄能器简化数学模型的“非线性阻尼调节器”来对蓄能器数学模型中存在的非线性参数不确定性进行补偿。仿真和实验结果表明:采用本文所提出的OED-ARC控制器可以使蓄能器辅助快锻系统获得确定的动态特性和静态跟踪精度,即使系统中存在各种匹配或者不匹配的模型不确定性;此外,采用本文所提出的“非线性阻尼调节器”不仅可以较好地补偿蓄能器的非线性参数不确定性,还可以起到微调运动控制效果的作用,增加了系统的调节自由度。第六章,总结了本论文的研究工作;阐述了本论文的主要创新点;并对后续的研究工作进行了展望。