（控制理论与控制工程专业论文）扭转疲劳试验微机控制电液伺服系统的研究.pdf

接要 本论文按照与重庆长安公霉溪签订食蘑中注明鹣按术要求，深久研究了援 转疲劳试验微机控制电液伺服系统。对系统的分析表明：被控对象参数的大范 围变纯、多余力、试俸掇转变形辩受载流量的干旎瑷及瘁擦力觚干扰是澎响控 制精度的四个主鼷因素。本着科学的态度和认真负责的蹶则，键者对多神控制 方案进行了详尽地讨论、研究、仿真、眈较和验证，并结合工稔实际的特殊要 求和相关经验，确定了最合适的葶孛多费感器售息融合控制方案。凝据合 同中的规定，硬件组成方砸我方负责双通道电液伺服放大器的设计，具体设计 与实嚣燕递过p r o t e l 9 9 s e 逛路叛绘铡软黪寒完藏躲。敦穆编程在磁s 强lc + 6 ，0 编译环境下进行，该软件具有界面友好、操作方便的特点。考虑到工程项目实 辩往费蘩袋，缡籀了稻纛鹣动态链接瘁，澍软件绐椽遣避行了俊仡。 关键词： 邀滚伺服系统多余力 实时性 动态链按库 多传惑器售惠融台 a b s t r a c t t h eo b j e c t i v eo ft h i st h e s i si st od e v e l o p ，i m p l e m e n ta n da n a l y z et h ep e r f o f i n a n c eo f t h ef o r c ec o n t r o l a l g o r i t h m s a s a p p l i e d t ot h e c o m p u t e r - - c o n t r o l l e d d u a l - c h a n n e l e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e mu s e d t ot o r q u em a t e r i a lo nat e s tp l a t f o r m t h i sw o r k ， w h i c hc o m p r i s e sb o t h e x p e r i m e n t a l a n ds i m u l a t i o ns t u d i e s i sb u i l d u p o n t h e t e c h n i c a lc o n t r a c ts i g n e dw i t hc h o n g q i n gc h a n g a nc o m p a n yl t d t h e a n a l y s i s i n d i c a t e st h a tt h e l a r g e v a r i a t i o no ft h e o b j e c tp a r a m e t e r s ，r e d u n d a n tf o r c e ， d e f o r m a t i o no ft l l es p e c i m e na n dt h ed i s t u r b a l i c ec a u s e db yt h ef r i c t i o n a lm o m e n ta r e f o u rm a j o rf a c t o r sa f f e c t i n gt h ed e g r e eo fc o n t r o la c c u r a c y i nas p i r i to fs c i e n t i f i c a t t i t u d ea n ds e r i o u sp r i n c i p l e ，w ed e t e r m i n et h a tt h em u l t i - s e n s o rd a t af u s i o nc o n t r o l p r o g r a m m e i sm o s ta p p l i c a b l eo f m a n yp o s s i b l ec h o i c e sa f t e re x h a u s t i v ed i s c u s s i o n ， i n v e s t i g a t i o n ，s i m u l a t i o n ，c o m p a r i s o na n d v e r i f i c a t i o n a c c o r d i n g t oc o n t r a c t p r o v i s i o n sa n d r e l e v a n te x p e r t i s e i nt h ew o r ko f h a r d w a r ew ea r e r e s p o n s i b l ef o rt h e d e s i g n i n go f t h ed u a l c h a n n e ls e r v oa m p l i f i e rw h i c hi sr e a l i z e dt h r o u g hp r o t e l 9 9 s e as o f t w a r ea p p l i e dt o d r a w i n gp r i n t e dc i r c u i tb o a r d t h ep r o g r a m m i n gw o r ki s a c c o m p l i s h e d i nt h ev i s u a lc + + 6 0 c o m p i l i n g e n v i r o n m e n t t h es o f t w a r eh a s f r i e n d l yi n t e r f a c ea n ds i m p l i f i e do p e r a t i o n i nv i e wo ft h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c r e q u i r e db y t h ep r o j e c t ，s o m ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s ，s u c ha sd y n a m i cl i n kl i b r a r y , i si na c t i o na n dt h es t r u c t u r eo f t h es o f t w a r ei sa l s oo p t i m i z e df o rt h es a m e r e a s o n k e vw o r d s ： e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m r e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c m u l t i s e n s o rd a t af u s i o n r e d u n d a n tf o r c e d y n a m i cl i n kl i b r a r y 西j 工业丈学碳十学位论文 辩。嘻发骚每现状 第一章绪论 穗转麓耱试验秘蹩耪瓣稀学试验粥磷究鹣关键设各之一，被广滋应弼予汽 车、航空、航天麓工、韭部门，电液俑a 陵系统其有离精度、快响应、精功察熏量 院酌特点，蕊戳疆裁澄蠹耱靛意憾鼹短转犍瓣试验梳丈多采精电液嘏照羧剜方 式。 徽电子技寒萋霪诗舞誊足技零蛉发骚缝凌了砖算凝数广泛寝鼹。七专年代束， 年代麓，黧努黎邑经蹬臻了诗箨樵灏控戆枣辛秘试骢裁，著黪袋产麓系戮，懿 茭国i n s t r o n 公司豹i n s 扛- o n s 0 0 0 黎麓，甍灏m t s 公霹的a l p h a 系翻，鞲本氇 薄公露游a g - a 蓦剽簿。麸黼实繇了褥褥试验瓣蠡翡纯、餐缝他，大大减轻了 试验久员的势动獭纛，掇赢了试验效率，扩充了试验范潮，并往试鼗精瘦大旗 度褥藤。 筏崮对扭转手才辨试验机的计算机潮控系统盼研究起步较晚，八十年戴中期 长春试验撬磺究鼷、濒、珏大攀滤体佼动与控制教辑塞等擎德才嚣鲶遮方藤敕磺 爨。当鲢其纛点燮娶着黢予对露丹产鼹豹分援穗瀵化，冀曩三澎藏产菇( 数零戏 熬戆诗雾撬羧铡鬈黢) 懿掇瀵还不多。嚣藤涎藿我黧经浚弼势静蓬麓发袋，工 敛( 戈荚憝鬟工照) 帮门慰该产晶豹箨袋毽蘸增太，蠢黧并产鑫熬价格一蠹藩 嵩不下，对魏鏊豹挠米封锈魄眈鞍严重，因娆尽快开最这方麓酌研究并快速澎 藤产熬鬟褥十分遮镯。 本研究谭题缡台蓬庚长安公镯的产黼开发计划，着熏对翘转疲劳试验机计 算瓤控制系缝进弦磷巍。 翘转材料试骢执豹试验对象经常变他，从蘑使熬个繁绫驹参数缀警爨他， 曼蒸嶷纯蕊阑缀犬。裁本磷究潆麓囊言，荚试验瓣象是一系蚓不同型号黪汽车 交凝，秘袋、应力嚣蠢爨不羧。艨改避遮耱系缓粒掩镬蠢一定懿装发；囊予系 统受凝基本上楚一令弹簧葳缝港掇蓉统，褥滚垂系统本身可瓷麓一个欠蔽恧系 西北工业人学硕士学位论文 统，再加上千摩擦的影响也比较严重，所以此类系统的稳定性比较差。由于本 课题要求的性能指标比较高，特别是对频宽和扭矩跟踪精度的要求，所以应该 慎重制定控制方案。 上述特点同时也决定了本文是一篇侧重于解决工程项目实际问题的工程性 论文。 1 2 研究内容及意义 本论文菇分下述几部分： 从第二章开始，介绍控制系统的组成，明确控制系统的性能指标，以相应 的国家标准和已制定的技术协议为准。 在第三章中建立被控对象的数学模型，在此基础上定性地分析了影响系统 性能指标的因素。对系统的分析表明：被控对象参数的大范围变化、多余力、 试件扭转变形对负载流量的干扰以及摩擦力矩干扰是影响控制精度的四个主要 因素。本章还着重讨论了多余力的问题，笔者认为：对于被动式加载系统，多 余力实质上是由于能量在施力系统和受力系统之间的耦合造成的；对于主动式 加载系统，则起因于施力机构和受力对象之间的祸合。适当的降低施力系统和 受力系统( 施力机构和受力对象) 之间的机械连接刚度，给能量传递介质适当 的泄放通路或引入速度补偿等方法是减小乃至消除多余力的有效方法。 第四章的主要任务是论证控制方案，确定控制律，这是本论文的核心。为 达到要求的性能指标必须设法克服被控对象参数的大范围变化，消除多余力， 补偿试件扭转变形对负载流量的干扰，并减小摩擦力矩的影购。本章第一节对 可能的控制策略进行了概述，定性分析了不同控制策略的优缺点： 第五章对系统的部分硬件设计( 双通道伺服放大器) 和整体测控软件的设 计与编制进行了详尽的介绍，重点在于对第四章提出的控制方案的具体实现和 一些实际问题的现场解决方案。 现今在市场上可以见到某些已经成功国产化的扭转材料试验机，并初步形 成了产品的系列化。这些产品的技术功能相对来说比较成熟，基本上可以满足 西北工业大学硕士学位论文 一般工业企业的生产需求。而对于重工业或技术性、研发性较高的企业或部门 来说，在市面上所能见到的扭转材料试验机中，无论是从产品功能，还是从功 率特性上都很少有达到需求与供给的理想平衡点的，这在一定程度上制约了这 些企业的产品改造、新品研发，限制了企业刨新能力的发展。而在当今社会， 企业失去创新能力也就意味着失去了同竞争对手争夺市场的主动权，对企业的 持续发展自然是十分不利的。 本研究课题就是在此种背景态势下展开的。希望这不仅仅是一篇几十页纸 堆砌而成的学术论文，同时也希望由此课题而总结出的经验和结论能对国企的 技术创新与进步发展起到绵帛的积极作用。 3 西北丁业大学硕士学位论文 2 1 系统构成 第二章系统构成和技术要求 在控制方案的选用上，本系统采用电液伺服阎控制摆动式液压伺服马达， 其中马达轴和试件用联轴节直接相连。相应于用齿轮箱传动，这样做的优点是 大大减小了折合到伺服马达轴上的转动惯量，从而有利于提高系统频宽和传动 效率。 采用的电液伺服阀剖面图如图2 1 所示： 图2 l 电液伺服阉剂面图 这是一种喷嘴型电液伺服阀，其节流和增压的工作原理主要是：力矩马达 作为电液转换装置，将电信号转换为转子的角位移，再以喷嘴挡板作前置放大 把角位移转换为较弱的液压控制油流，最后再利用液压功率放大级转换较大的 液压功率输出油流。 系统具体构成如图2 2 所示。( 见下页) 本文对系统的机械部分和液压部分讨论较少，而将主要精力放在计算机控 制系统的分析和设计上。 两她工救大学硕士学位论文 瓣蜩“一1 一r 一臻i 图2 - 2系统构成 下嚣麓零奔绍诗棼辍控翻系统静工作瀑囊。 本系统采塌台湾研祥公司的p c l 一8 1 6 h 数据采集，输入输出扳卡，它兼舆 d a 和a d 的双重功能，将其安装于工控机的扩展槽中。指令波形由工控机软 转产奎。零系统可以瓣嚣今遗道同时掇供控割功能。 强一个通道的控制中，扭矩传感器输出和负载扭矩成正比的模拟电压信号， 由p c l - 8 1 6 h 板卡上的a d 转换器将冀转换成数字鬣；试件变形时产生的扭转 角童掇角黉感瀑耋接转换麓数字量，遴过p c l 一8 1 6 h 叛卡上茨i o 翻读a 工羧 机；通过软件实现的控制器根据扭矩偏差计薄出适獭的控制量，并将其送至 p c l 。8 1 6 1 4 税卡上的d a 转换器；再通过p c l 。8 1 6 h 板卡上的第一个模拟输出 通道输出稠应的电压，经由饲服放大器转换为标准电滚臻入麓令镧鼹阙，从 而使该伺服阀驱动摆动马达转动，进而在试件上施加相应的扭矩，达到控制的 目静。在勇一个通道瀚控制审，控露4 秣通过p c l 。8 1 6 h 板卡上的第二个模授输 出通道输出控制信号，经由伺服放大器使第二个伺服阀驱动摆动马达控制试l 牛 的摆动。具体实现方斌为：使置传感器在试件摆动到特定位鬻时输出固定的i 龟 西北工业大学硕士学位论文 压信号，由p c l - 8 1 6 h 板卡上的a d 转换器将其转换成数字量；工控机采集 到此信号后，通过软件实现的控制器输出相应的控制信号，由p c l 。8 1 6 h 板卡 上的一路数字输出通道输出+ 5 v 电压去触发外部继电器；通过继电器控制电路 改变通过第二个伺服阀的电流方向，实现伺服阀驱动摆动马达根据事先选定的 指令波形进行反向加载，从而来控制试件的摆动范围。两个通道可分别单独工 作，也可协同工作。当两个通道同时工作时，它们之间相互作用、互相配合， 模拟出汽车实际行进过程中汽车主轴所承受到的的冲击和应力，相当于对汽车 主轴进行疲劳测试。 由以上介绍可知，我们可以利用该试验装置，检测新研制产品( 系列汽车 主轴) 的质量品质。 在这个双通道的计算机控制系统中，相对来说，控制试件受力扭转的通道 占据着较为重要的地位，本论文所探讨的控制方案的设计和软硬件的设计也大 都围绕着该通道来进行。所以，本论文的重点也就放在了这方面，相应的讨论 也由此展开。 一个完整的控制过程中，工控机还要负责对整个系统的实时监控：当发生 试件损坏、试件断裂或出现其他各种意外的紧急情况时要立即报警，自动响应 备用控制方案。同时提醒在旁的试验人员采取相应措施，并提供必要的安全保 护功能。 2 2 技术要求 本系统能完成轴类试件的静扭转强度试验( 以下简称静扭试验) 和扭转疲 劳试验( 以下简称动扭试验) 。试验应符合中华人民共和国机械工业部部颁标 准j b 3 7 4 1 8 4 中“汽车传动轴总成一台架试验方法”之规定。 ( 一) 静扭试验 试验方法： l 将传动轴的基准面按标准状态安装在试验台上； 2 按一定方向对轴施加预加扭矩，预加扭矩加到额定负载为止，然后退回 6 西北工业大学硕十学位论文 到原始状态； 3 按一定方向对轴旌加扭矩进行试验，用检测装置自动记录扭矩及相应扭 角( 或逐级加载并记录扭矩和相应扭角) ，直到传动轴最薄弱的部位损坏为止。 静扭试验技术指标： 指令信号：梯形波信号或斜坡信号，当指令信号为梯形波时信号周期为1 5 分钟： 最大输出扭矩：5 0 0 0 牛米 扭矩误差：i f s ( 二) 动扭试验： 试验方法： 1 用传动轴的基准面按标准状态安装在试验台上； 2 试验采用非对称循环。交变扭矩的最大试验扭矩( m 。) 取规定的额 定负载，最小试验扭矩( m 。i 。) 取额定负载的3 0 ，交变负荷的幅值为： m a ：m m a _ x _ - m m i n 二 式中：m 。交变扭矩的幅值，n * m m 。最大试验扭矩，n * m m i n i 。最小试验扭矩，n * m 按上式施加交变扭矩进行试验，直到传动轴中某个最薄弱部位疲劳损坏为 止。 动扭试验技术指标： 指令信号：梯形波，正弦波，三角波； 加载信号频率范围：0 0 1 h z 1 5 h z 扭矩要求： ，s 1 h zt 1m a x = 5 0 0 0 n m ，s 25 h zt i m a x = 3 5 0 0 n m 。= i o h zt tm a x = 2 7 5 0 n m ，s = 1 5 h zt im a x = 2 0 0 0 n m 扭角要求： _ 厂：= i h z 0 m a x = 1 0 d e g 西北工业大学硕士学位论文 ，s 一5 h z 0 m a x 2 4 d e g | s = 1 5 h z0 m a x = 2 d e g 对于动扭试验，输出波形的主要要求是波形失真小，输出扭矩值能跟踪指 令扭矩值，允许有一定的相角滞后；对于静扭试验，要求输出扭矩准确跟踪指 令扭矩，无超调。 本系统的技术指标在同类产品中是比较高的，技术指标中主要突出以下几 点： 1 大扭矩加载 最大加载扭矩为5 0 0 0 牛米，在由饲服马达直接驱动的同类产品中，这样 大扭矩加载的情况是不多见的； 2 高动态要求 本系统的加载频率范围为o 0 1 h z - - 1 5 h z ，这样的动态要求在液压伺服系统 中也是比较高的： 3 自动化程度高 要求计算机系统应具有较完善的自诊断，故障报警和处理功能：具有试验 起始点设置和停止点保护及保存功能：当加载至最大额定负载的1 2 0 或被试件 断裂时，应提供相应的保护措施，包括自动先卸去液压系统压力，再关闭液压 泵电机，保护断口等；当实测的加载力和给定的加载力误差大于5 时，控制界 面上将给予提示。当实测的加载力大于规定的最大加载力时，扬声器和指示灯 报警：在计算机屏幕上实时显示给定的和实测的加载力数据和曲线及其他相关 数据，能够实时自动存储给定的和实测的加载力数据，自动存储设定的控制器 参数及其他参数： 对于扭矩试验机类的液压伺服系统来说，大扭矩输出和高动态响应是有矛 盾的，所以上述性能指标不仅要求液压系统本身有高的可靠性，而且对控制系 统也提出了较高的要求。 丙北工业大学硕士学位论文 第三章系统建模及分析 为了论证技术指标的合理性，需要首先建立系统的数学模型，然后分析影 响系统性能指标的因素，再借助分析结果来指导数字仿真，并最终指导控制方 案的选取和控制律的设计。 在建立系统模型前，为了将可能影响系统模型参数的各种外界及偶然因素 降至最低，我们做以下假设： 1 液压系统的工作介质参数在整个工作过程中变化很小，其影响可以忽略 不计； 2 伺服阀的节流边是理想的锐边； 3 伺服阀和伺服加载器之间的管道动态可以忽略不计： 4 伺服加载器的有效工作容腔的变化在工作行程内是连续的、均匀的。 虽然在此我们建立系统的数学模型时可以这样假设，但一旦涉及到系统的 实际运行和现场调试时，就必须考虑到某些上述假设条件的变化。 3 1系统建模 3 ，1 1 动力元件的选择 动力元件在液压伺服系统中起决定性的作用，所选择的动力元件应该在整 个工作循环中都能够拖动负载，使其按照预期的速度运动；另外，动力元件也 是伺服系统动态响应的基本限制因素。动力元件选择好之后，当被控对象参数 不发生变化时，液压固有频率0 3 h 和阻尼比磊也就确定了，而系统的稳定性、快 速性以及稳态误差都受魄和毛的限制。因此，动力元件的选择不仅要满足负载 拖动的要求，还要考虑到它对动态性能的影响。 一、动力部件的计算 动力部件应能满足所有应用条件，所以我们按照最大功率要求校验动力部 件： q 西北工业大学硕士学位论文 液压系统的工作压力： 只。2 1 m p a 。2 1 0 b a r 伺服加载器的单位转角排量见 见：芝：；。1 8 2 - 1 1 8 2 ) 1 叫。：耐，删 按负载压差为：乌2 ；= 1 4 m p 。，伺服加载器所能拖动的负载： 一d d 乙= 亘( # 三，) 毋= 曰上叵砌 2 2 2 圭异三，2f ；2 丢鼻( 三三( 。一d ) ) ( 。+ d ) = 三异s ( d + d ) = 三2 1 1 0 6 x 6 2 1 0 一4 ( o 1 8 + o 1 1 8 ) 9 7 0 0 n + m 伺服阀的流量按照下面公式演算： g o 4 3 2 7 r 工& 。z = 0 0 1 h z 一一1 5 h z q v 。伺服阀的空载流量 工试验指令信号频率 二、动力部件的选择 1 伺服阀 伺服阀对加载系统的性能至关重要。本系统采用流量伺服阀，其有关参数 如下： 型号 额定流量 额定电流 y f w 2 6 1 0 0 l m i n 1 0 m a l0 y f w l 8 2 0 0 l m i i 1 2 0 m a 西北工业大学硕士学位论文 零位泄漏 幅频频宽 相频频宽 3 l m i n 5 0 h z 5 0 h z 5 l m i l 3 5 0 h z 5 0 h z 2 伺服摆动马达( 伺服加载器) 形式双叶片摆动马达 摆角 士8 0 d e g 加载器内腔直径d = d p l 8 0 m m 加载器输出轴直径d = 击1 1 8 m m 加载器输出轴长度l = l o o m m 有效作用面积s = 6 2 c m 2 动力元件的泄漏流量6 l m i n ( 同时考虑了伺服加载器和 伺服阀的泄漏) 按照性能指标中的氏。，并考虑伺服阀和伺服加载器的泄漏，经验算可知 所选伺服阀满足加载流量的要求。 经验算，所选伺服阀和伺服加载器组成的动力元件满足试验的扭矩和扭角 要求。 3 1 2 建立数学模型 一、伺服阀 y f w 2 6 伺服阀样本规定了该阀的9 0 。相角滞后时的伺服阀频宽，同时参考同 类系统中伺服阀的模型，可以将伺服阀当作二阶振荡环节其传递函数为： 式中： b 伺服阀流量一电流增益， g 。伺服阀额定流量 矿一绋o “”一f ( 3 1 ) 掰扰工韭大学硕土学披论文 伺服阀额定电流 嘶伺服阀频宽，嘶= 2 硝工 二、掏l 受摆动马达 本系统所用的加载器为叶片式摆动码达。按照前面所做假设，和普通伺服 警达一榉，箕攘麓按照下蟊两个方程建立： 流孱连续性方程： g = 露吒+ 叼s + 玩瓢( 3 2 ) 式孛： 只 q g 髑鼹瓣徐密滚爨 负载愿力 气 动力部件总的泄漏系数c 0 = e + 伺服加载器泄漏系数 伺服阔压力流量系数 动力部件压缩系数c ：生 4 最 ， 饲服加载器及连接管道的压力咎腔容积 液压油有效体积弹性模量 伺服加载器单位摆角排量 秽 试件产生的扭角 加载器轴上挝矩平鬓方程： 巧d 二日= 以j 2 1 9 + 辟j 1 9 + 瓯1 9 + 乃 式中： 霉负载拇矩 n - 辨 ( 3 3 ) 彳 哎 c 巧 遘- 见 西北丁业大学硕士学位论文 厶 折合到加载器轴上的总转动惯量棚2 b粘性负载系数 瓯扭转弹簧刚度 乃干扰力矩 由以上两个方程，画出动力部件的方框图， ， r a a n ， r n d n ，竹 如图3 - 1 所示。 图3 - 1动力元件方框图 由方框图经化简得动力部件的传递函数为： 巧一 q ( 3 4 ) 对用于材料试验机的液压伺服系统来说，粘性负载项相对惯性负载和弹性 负载是比较小的，所以忽略粘性负载后动力部件的传递函数为： 巧 g 毒阻+ 若生g m 毒s 2 + 芒( ，+ 岳) s + - 吒瓯吒i瓯j 。 式中： g 液压扭转弹簧刚度 g = 等 ( 3 5 ) 翅北工业大学硕i + 学挝论义 三、援矩糖感嚣 一般援翘传感嚣黝动卷瓣盛魄骏枣，可戳将其辫捧毙锻环节，设其逆铡系 数为足，。 强、伺服般大器 一般伺服放大器的动态晌皮缀裔，可以将荬著捧比例环萄，其姥例羝数为 墨，爨棼数篷嚣调t 禳撵各令环节传递蕊数，戮蹬豢统肇遴遴方框灏，魏謦3 - 2 所示。 鹳。2 系统分析 翻3 - ：2系统方撬翔 本系统为数学控制系统，为简单起见，系统分枣厅是拔擞连续控制系统进行 的。这襻徽会带来一鍪褰鼹浆谡差，毽考虑裂按铡蒸绞本身鹣袋撑频率禳嵩， 产生驰谈差可以您磅不诗。 霾l 系统方撵鬻3 - 2 霹羧骂密系统攀瀵遒嚣环转遴涵数。 两北工业大学硕上学位论文 ( s ) = g o ( s ) h ( s ) ( 3 6 ) 3 2 1 被控对象参数变化对系统性能的影响 为研究被控对象参数变化对系统性能指标的影响，我们暂且不考虑伺服阀 的动态性能，而将系统作如下简化： = ( 3 7 ) 上式中足为系统开环增益， k = k o x c k 。l d 。 将上式分母进行多项式近似分解： 当瓯g ，即机械扭转刚度远大于液压扭转刚度时，上式近似分解为 = k f 立 1 l 嚷j 晤翮 其开环伯德图如图3 - 3 所示。( 见下页) 。 ( 3 8 ) 西北工业大学硕士学位论文 一 一 一 图3 - 3机预丑蒋刚发较大町糸甄升卦伯德图 具体参数取值为：厶= 0 1 3 4 9 ：瓯= 1 0 8 9 9 e + 0 0 6 ； g h = 4 2 6 8 9 e + 0 0 5 图3 - 3 中的第一个转折频率由动力部件的泄漏量( 由泄漏系数c 乙表征) 和动力部件的油液压缩系数c 决定，q = 告，增大c 二，即增大泄漏量可以使q 提高，但开环增益下降第二个转折频率吐由机械i 冁频率决定，q2 导； 第三个转折频率q 由机械扭转刚度、液压扭转刚度和负载转动惯量共同决定， q j 半。 当g 珊g 。，即机械扭转刚度远小于液压扭转刚度时： 两北工业大学硕士学位论文 其开环伯德图如图3 - 4 所示。 ( 3 9 ) _ - _- 一 一 厂 一 l i 图3 - 4机械扭转刚度较小时系统开环伯德图 具体参数取值为：厶= 0 0 8 2 7 ；瓯= 1 6 6 5 6 e + 0 0 4 ；g = 4 2 6 8 9 e + 0 0 5 图3 - 4 中的第二个转折频率：和第一种情况相同：第三个转折频率鸭取值 为一庄压脚机械转动惯一伊嘞和机 械扭转刚度成正比。当负载机械扭转剐度由第一种情况向第二种情况变化时， q 、：、q 均降低，而且：、毡之间的距离拉大，当g 。很小时系统近似为一 阶积分加二阶振荡环节。 西北工业人学硕士学位论文 由图3 - 3 和图3 4 知，负载对系统动态品质的影响主要表现在高频段。当g 。 由大逐渐变小时，穿越频率降低，系统开环频宽降低。增大伺服放大器的增益 可以提高穿越频率，但可能造成系统的不稳定。特别是当考虑到伺服阀的相角 滞后时系统的稳定性问题可能变得很严重。 系统开环传递函数的分子中有一对纯虚根( 由于实际系统总存在一定程度 的阻尼，所以实际上应为一对实部很小但虚部很大的共轭虚根) ，这一对虚根对 系统动态品质有很坏的影响。单靠改变系统开环增益是不能有效的改善系统动 态品质的。当系统开环增益较小时，系统主导极点为负实根，而且该极点靠近 虚轴，系统响应迟钝；增大系统开环增益，主导极点变成实部很小而虚部很大 的复根，系统振荡加剧，超调量增加，动态品质变坏。 由系统开环伯德图可以看出：系统的动态特性主要由负载机械扭转刚度和 机械转动惯量决定。由于本系统的控制对象是一系列的汽车主轴，其负载特性 变化范围很大，因此相应于某一组负载参数整定的控制器参数可能不适合于另 一组负载参数，甚至不能使系统稳定工作。所以设计控制方案时，必须设法克 服控制对象参数大范围变化的影响。 3 2 2 多余力问题 谈到多余力问题时，有必要对电液力控制系统进行分类。电液力控制系统 分类方法很多，按照受力对象和施力机构的关系可以将电液力控制系统分为主 动式加载系统和被动式加载系统。所谓主动式加载系统即受力对象的运动是由 施力机构推动产生的：所谓被动式加载系统即受力对象的运动是自主的，受力 系统和施力系统实际上都是功能独立的系统，施力系统的任务是根据受力对象 的运动组，产生定的输出力作用在受力对象上，但施力系统产生的力不能影 响受力对象的运动，更不能产生反操纵现象。主动式加载系统的最典型例子如 材料试验机的电液力控制系统、轧机压下液压系统等；被动式加载系统的典型 例子如电液负载模拟器。 电液力( 压力) 控制系统都存在多余力问题。多余力定义为当参考输入信 号( 力函数) 为零时，施力系统( 机构) 施加给受力对象的力。 多余力的产生机理很复杂，直到目前尚未形成比较统一的认识。般认为 18 西北工业大学硕士学位论文 对于被动式加载系统，由于受力系统的主动运动在前，施力系统产生作用力在 后，所以受力系统的运动在施力系统执行元件的某个负载腔造成强迫流量，这 个强迫流量是由施力系统的某个负载腔流向施力系统的高压力端；而由于信号 传输一般有一定的延时，同时施力系统也有一定的滞后，所以造成施力系统的 加载伺服阀的两个负载窗口瞬时同时关闭，强迫流量没有形成回流通路，使该 腔压力升高；而在施力系统执行元件的另一个负载腔，由于没有油液补充，又 会形成暂时的低压，从而使施力系统的动力元件输出一个瞬时的脉冲力。由于 此时施力系统的加载伺服阀的的输入电流为零( 符合多余力的定义) ，所以上述 脉冲力即为多余力。 主动式加载系统中的多余力产生机理与被动式加载系统不同。由于伺服阀 的动态响应一般比执行元件( 作动器或液压马达) 的动态响应高，所以当给伺 服阀输入交变参考信号时，伺服阀的功率级阀芯的运动和作动器的运动之间存 在一定的相位差，从而也会造成某个瞬时，伺服阀的两个负载腔同时关闭，由 于负载( 特别是弹簧质量负载) 一般都储存了一定的能量，所以执行元件的某 个负载腔的油液必然被压缩，而另一个负载腔由于没有补充油液，会产生瞬时 的低压，在这种情况下也产生了多余力。 电液施力控制系统的多余力对控制精度的影响是很大的。多余力可能比当 前的指令力大许多，不消除多余力的影响，很难达到要求的控制精度。对于被 动式加载系统，严重时可能出现施力系统瞬时反操纵受力系统。很多学者都对 多余力的产生和消除作了研究，并寻找到了一些解决途径。这方面的文献可以 找到很多，但对于多余力产生的根本物理实质，文献中涉及的不多。因为在工 程实践中肯定要面对多余力带来的实际问题，为了能够对此予以较好的解决， 在分析前人工作的基础上，这里简单谈一下本人对多余力产生的物理实质的粗 浅见解。 从电液力控制系统的工作特点来看，多余力实质上是由于能量在受力系统 和施力系统( 对于被动式加载系统) 或施力机构与受力对象( 对于主动式加载 系统) 之间的耦合作用产生的。对于被动式加载系统，由于受力系统和施力系 统在运动上的不一致，受力系统的主动运动将一定的能量传递给施力系统，从 19 鞭她工业夫掌硕士学缎论文 而使得戎施力系统中产生了能量的积聚，当这部分能量得不到适当的释放时， 羧馥露终骰葫懿方式释放，麸露彩或多余力：砖子主魂式鸯e 载系统，出于受力 对象( 特别是惯性负载和弹性负载) 一般储存了一定的能量，所以当出现伺服 阕的两个负载藏阊时关阏对，这部分能爨也会啦辩矫骰渤的形式释放密采，扶 而产生了多余力。 多余力的大小与受力系统( 受力对苏) 传递给的施力系统的能量的多少以 及毵量传递豹快慢有关。对于被动式加戳系统，当受力系绞的运动变化块对， 多余力也较大；对于主动式加载系统，当参考输入信号变化剧烈( 如周期性参 考辕入绥号熬糨毽较大嚣基售号凝率较巍) 露，多余力辘较大。怼予参考输入 信号变化平缓的情况，不论是被动式加裁系统迸是主动式加载系统，多余力都 阮较，l 、。这稷蓊入繇终静实际黧载系统酶清况是劫合酶。这一点琵较容赫瑾解。 对于被动式加载系统，受力系统的运动变化越快，越容易造成施力系统的加载 倚服阀的两个负藏腔同蟊寸关闭：对于主动式加载系统，参考输入信号变化越快， 加载饲暇阀功率级阀芯釉受力对象豹运动的相挝差越大，越容易造成如藏伺服 阀的两个负载腔同时关闭。在这个意义，l 来说，多余力的大小和受力系统( 受 力对象) 传递绘戆蓬力鬈统( 旗力援魏) 豹功率城垂致。因姥，多余力与参考 输入信母的微分有关。 萋予上覆熬分糖，多余力瘟该箕畜强下一鸶特点： 】 多余力的大小和参考输入信号的形式有密切关系。当参考输入信号变化 眈较缓懂时( 鲡参考输入信号为恒定禳信号或斜坡信号，或频率较低的光滑的 周期信号，如正弦波信号) ，多余力的值比较小，或者没有多余力；但当参考输 入信号为变化剧烈的信譬时( 如周期性方波、周期性三角波或频率较高的正弦 波痿号) ，多余力熬值增大。很多久数王终已经骏涯了这点。 2 多余力的大小与施力系统的动态品质有密切关系。当施力系统的动态响 疲褰露，多余力戆数篷羧，l 、。霹激这梯疆簿：怼于被动式艇载系统，耄予受力 系统的趱动在前，施力系统的加载在后，所以施力系统的两个傲载腔在某个瞬 辩两时美闭，受控系统麓运麓邋过连攘装置传递翻施力系统。施力系统的动态 响应越慢，施力系统加裁伺服阀的两个负载腔同时关闭的时间越长，受力系统 2o 两北工业大学硕士学位论文 传递给施力系统的能量越多，从而多余力的值也就越大；对于主动式加载系统， 系统的动态响应受制于受力对象( 负载) 的动态特性，受力对象( 负载) 的动 态响应越低，加载伺服阀的功率级阀芯和受力对象的运动的相位差越大，受力 对象越容易将存储在负载中的能量传递给施力机构。 3由上面的分析可以看出，被动式加载系统中的多余力要比主动式加载系 统严重的多。主动式加载系统的多余力问题仅在参考输入信号为交变信号且信 号频率较高时才比较突出。 实际上不可能切断施力系统和受力系统的能量耦合通道，所以多余力是电 液力控制系统的固有特点。但采取合适的措施，多余力是可以消除的( 或削弱 到可以忽略不计的程度) 。基于上述关于多余力产生原因的分析，笔者提出了一 些消除多余力的可行性方法。 1 由于多余力和受力系统的运动信号的微分( 即受力系统的速度) 有关， 所以如果在受力系统( 受力对象) 和施力系统( 施力机构) 之间加一个“低通 滤波器”，则可以使多余力得到平滑，从而削弱多余力。对于被动式加载系统， 如果在受力系统( 受力对象) 和施力系统( 施力机构) 之间用弹性连接代替刚 性连接，则相当于在受力系统和施力系统之间加入了一个“低通滤波器”。实 际情况表明这一措施是可行的。 2 多余力的大小还与施力系统的刚度有关。当受力系统( 受力对象) 向施 力系统输入能量时，刚度大的系统的缓冲能力差一些，所以液压刚度大的系统 更容易产生多余力。如果适当降低施力系统的刚度，将可以减小多余力。施力 系统的液压刚度可以在设计液压系统时通过元件选择或其他措施适当降低。选 用正开口伺服阀的施力系统的液压刚度比选用零开口伺服阀的施力系统刚度 低，所以选用正开口伺服阀有利于减小多余力。 3 由于多余力是在受力系统传递给施力系统的能量对外做功时产生的，所 以如果给这些能量提供合适的释放途径，则可以有效的消除多余力。有文献报 道施力系统采用流量压力伺服阀( p q 阀) 时可以有效的消除多余力。其原因就 是流量压力伺服阀在功率级阀芯上采取了一定的措施，使得受力系统传递给施 力系统的能量及时释放到施力系统的外部，而不是用对外做功的形式释放掉。 ，1 西北工业大学硕士学位论文 前面提到的旌力系统选用正开口伺服阀而不选用零开口伺服阀能有效地减小多 余力，其原因除了正开口流量伺服阀降低了施力系统的液压刚度外，还有一个 原因就是正开口流量伺服阀给受力系统传递给施力系统的能量提供了一个比较 合适的释放通道。施力系统选用带有节流孔的流量伺服阀来消除( 减小) 多余 力也是出于同样的道理。 4 被动式加载系统的复合控制也可以消除多余力。前面已经指出，多余力 的大小还与参考输入信号的微分有关，所以用参考输入信号及其微分的线性组 合进行前馈控制，可望减小多余力。可以按如下方法来实现：将受力系统的参 考输入信号及其微分信号分别引到施力系统的输入端。这种做法的实质是利用 参考输入信号的微分的超前作用，使加载系统伺服阀的阀口提前打开，以免出 现强迫流量时，施力系统加载伺服阀的两个阀口同时关闭。 5 速度前馈消除多余力。出于和复合控制消除多余力同样的思路，利用受 力系统的运动速度信号进行前馈补偿，使加载系统伺服阀的两个阀口提前打开， 也能有效地消除多余力。速度前馈消除多余力和复合控制消除多余力的物理实 质是一致的，都是利用了速度信号的超前作用，只是补偿信号的来源不同。从 根本上说，多余力是由受力系统的运动引起的，所咀速度前馈消除多余力更为 有效。 6 对于被动式加载系统，提高旅力系统的快速性，减小施力系统对参考输 入的滞后可以消除多余力；对于主动式加载系统，执行元件和负载特性是限制 整个系统动态响应的瓶颈，一般动力元件要满足拖动负载的要求，而负载特性 又不能人为规定，所以仅靠提高伺服阀的频宽是不能有效消除多余力的。 本系统属于主动式加载系统，由于对力控制精度提出了比较高的要求，所 以必须考虑多余力的影响。按照前面的分析，当参考输入信号为方波和三角波 时，由于这两种信号的幅值变化比较剧烈，所以即使输入信号的频率比较低， 多余力的影响也是比较大的；对于参考输入信号为正弦波的情况，由于正弦波 信号充分光滑，所以当参考输入信号频率比较低时，多余力的影响比较小，可 以忽略。而当参考输入信号的频率比较高时j 多余力的影响就不能忽略。 嚣j e 工数大学颈 _ 学垃论文 3 2 3 影响加载精度的戴他因素 仔绥分辑系统熬鸯籍载疆矮，试箨靛疆转变移釜然溺耗了部分镯黻溺输滋 流量，可以认为这部分流量是对扭矩控制的干扰。由于这个干扰流量的影响， 使褥氯载流爨减小，黼雨不能在马达酌两个负载腔建立足够的压力藏，从雨减 小了马达输出扭矩的幅值。假设加载过程中试件不产生扭转变形，则伺服阀的 输出流量仅最动力部件的泄漏流量和趱缩流鬣之和，般泄漏流量嗣隘缩流鬣 媚对上述干扰流量寒说是比较小豹，翻此这个子挠滚擞对热载精度豹彩蹶攫丈。 为获彳罨较高的加载精度，必须对这部分流量损失进行补偿。幽于上述流量干扰 帮马逸辘魏热速度残菠魄，掰叛可浚零l 瘸马达熬毙逮渡基号逡行蘩竣 嫠，激 上分析可以由系统方椴图3 - 2 验证。 藏夕 ，摩擦力矩辩黧载稿度静鬈孵氇应该笳跌考纛。 联力伺服阀对负载的压力控制是闭环的，但对负溅流量怒开环控制。所以 当伺服阀的负载腔容襁不发生变化时，选用魇力伺服阀加载，可以得到很好的 控制效果。对本系统来说，由兹西的分辑可知，试 牛变形引起舱流量于找很强， 所以本系统不应采用愿力伺服阀，而腹采用流量伺服阀。同时为有效消除多余 力，疲选择正歼西滚爨镯羧蠲，恧不疲选择零嚣叠滚豢镯骚翊。 综上，为提高加裁精度，必须设法克服被控对象参数大范围变化的影响， 清豫多余力， 楼试佟羟转交澎对穗簸阕流鬃黪于撬并季乖割簿擦力矩。 因此，应该设计铸棒性强的控制器以克服被控对氖参数的大范围变化；多 余力酌旆制除了在液聪元件的选择时加以考虑乡 ，还成从控制方面怒办法消除： 为补偿试件扭转变形辫负载流量的干扰，应设计适当的补偿器。 接下来的章将详细讨论这些问题。 23 西北工业大学硕士学位论文 附录：本系统中所j h j 参数阳具体裂值 ( 由重庆长安公司和国营1 7 3 厂提供) k ：o 1 6 6 7 仫 。= 2 x 工= 2 3 1 4 1 6 5 0 z3 8 0 0 , ) 。 巩= 4 6 2 c m 么r a d = 4 6 2 1 0 。4 叱d 矿= 1 4 x l o 一3 m 3 吒= 譬“s 2 m 3 屈= 7 0 1 0 8 只 c = 5 0 1 0 - 1 3 m 3 s i r o g h = 4 2 6 8 9 1 0 5 o = 0 0 0 1 孙卅) 24 西北工业大学硕士学位论文 4 1 概述 第四章控制系统设计和仿真 人们对用于材料试验机的电液伺服系统已经作了很多研究，提出了许多控 制方案。 在实际的过程控制与运动控制系统中，p i d 控制是应用最多的控制方案。 据统计，工业控制的控制器中p i d 控制器占有9 0 以上。p i d 控制器是最早出 现的控制器类型，因为其结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调 整方便，易于实现，所以这类控制器深受工程技术人员的喜爱。但是一般的p i d 控制器在实际应用中存在以下缺点： 1 普通p i d 控制器的参数整定工作量大，周期长，常需要操作人员具有丰 富的经验，并对受控系统的物理本质有着深刻的理解； 2 当被控对象参数发生大范围变化时，常需要调整相应的p i d 参数，才能 达到规定的性能，这给系统的维护和现场操作带来诸多不便。而且由于线性p i d 采用线性定常组合的方式，所以当被控对象参数发生大范围变化时，比较难以 协调快速性和稳定性的矛盾，从而也限制了p i d 控制的适用范围。 实际工作中，材料试验机出厂时，p i d 控制器参数按照某一类型的试件整 定( 例如按大试件整定) ，或者按照用户要求整定后即交付用户。当试验对象比 较单一时，这样做当然是可取的；但对于用于材料试验机的控制系统，这种情 况很少见。当试件参数变化较大时，上述整定参数的方法明显是不合适的。 近年来，随着计算机技术和智能控制理论的发展，人们提出了很多改进的 p i d 控制算法，如自整定p i d 算法、模糊p i d 算法、非线性p i d 算法等，为复 杂动态不确定系统的控制提供了新的途径。本论文将对模糊自适应整定p i d 算 法进行一定的讨论。 自适应控制对于被控对象参数变化缓慢的系统是一种较好的控制方案，在 鞴北工业太举颓学挺论文 实际应用中也有成功的例子。它运用现代控制理论在线辨识对敷特征参数，依 撵对象穗锰参数鹣交化实鞋幸改变蒸控裁策潞，壤蕴裁系统品蒺撂耘保持在最往 范围内，但其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度。这就贾求对被控对象 瓣模型，特燕是矮结构参数有鞠确的了解：由予弓l 久了令参考系统，不僵增 加了系统的成本