（机械电子工程专业论文）基于神经网络的油源系统温度控制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 油源系统是某综合试验台的重要组成部分，它为该综合试验台的某执行元件提供性 能可靠质量稳定的液压源，以满足其负载驱动实现相应运动特性。试验台为达到这一要 求对油源的油温等提出了较高的性能指标，因而必须控制好温度变化大小，保证其精度。 基于对液压系统的工作参数和特点分析，搭建了该油源控制系统。温控装置构建由 冷却元件选型和冷却水路设计两部分组成。计算了该系统在不同工况下的最大发热功率， 并以此为依据确定了可拆卸式板式换热器的各个参数。采用三通比例流量阀分水原理进 行冷却水量的连续调节，通过调节三通比例流量水阀的阀芯开度来调节通过板式换热器 的冷却水流量，进而改变板式换热器的换热能力，以此达到温控的目的。 通过分析可知该油源温度控制系统本质上是一种大时滞、非线性、时变，不确定系 统，很难用精确的数学模型描述它。这对温度控制提出了更高的要求。参照国内外对大 滞后温度控制系统的控制算法的研究与应用，首先采用了p i d 控制算法对该温控系统进 行研究，在一定条件下进行了实验，实验结果和仿真曲线基本上吻合，系统响应比较慢， 上升时间长，且温度变化大。 最后设计了一种单神经元p i d 温控算法，将神经网络和p i d 控制结合起来，利用神 经元自学习功能进行训练，根据对象参数发生变化时对系统输出性能的影响而不断修正 神经元之间的连接权值，从而使其稳定状态对应于某种最优化控制规律下的p i d 控制器 参数。通过仿真分析，可以看出单神经元p i d 控制具有较强的自适应性和较高的控制精 度。 为了更好的表述该温控系统的非线性动态变化过程，对系统的变化趋势进行预测或 估计，采用了神经网络预测控制算法。利用s i m u l i n k 动态仿真工具和相关模块设计了温 控对象神经网络预测控制系统，通过对神经网络的训练，得到满意的训练结果。动态可 视化仿真发现该系统不但跟踪性能好，而且对模型失配有较强的鲁棒性。 关键词：油源；温控装置；构建；单神经元p i d 控制；预测控制；仿真 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t o i ls y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fat e s t - b e dm e c h a n i s m i tp r o v i d er e l i a b l eq u a l i t ya n d s t a b l eh y d r a u l i cs o u r c ef o rs i m u l a t o ro ft h et e s t b e dm e c h a n i s m , t om e e tt h el o a d d r i v e n s i m u l a t o rt oa c h i e v et h ec o r r e s p o n d i n gm o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s s ot h et e s t b e dr e q u e s tf o r h i g hp e r f o r m a n c ea b o u to i lt e m p e r a t u r e s om u s tc o n t r o lt h es c a l eo ft e m p e r a t u r et oe n s u r ei t s a c c u r a c y b a s e do na n a l y z i n gw o r k i n g p a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，b u i l d c o n t r o ls y s t e mf o rh y d r a u l i cs o u r c e t h ec o n s t r u c t i o no ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi s c o m p o s e do fs e l e c t i o no fc o o l i n gd e v i c ea n dd e s i g no fc o o l i n gc i r c u i t i td e t e r m i n ea l l p a r a m e t e r so far e m o v a b l ep l a t eh e a te x c h a n g e ro nt h eb a s i so fc a l c u l a t i o no ft h es y s t e m s l a r g e s th e a t i n gp o w e ri nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s i tc h o o s et h r e e p e r c e n t a g e f l o wv a l v et oa d j u s t c o o l i n gw a t e rc o n t i n u o u s l y , b yr e g u l a t i n gt h er a t i oo ft h r e es p o o lv a l v e st or e g u l a t et h ec o o l i n g w a t e rf l o w i n gt h r o u g ho p e n i n go fp l a t eh e a te x c h a n g e ra n dc h a n g i n gi t s h e a t e x c h a n g i n g a b i l i t yt oa c h i e v et h ep u r p o s eo ft e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 b ya n a l y z i n g ，i tk n o wt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lf o rh y d r a u l i cs y s t e mi sab i g - d e l a y , n o n l i n e a r , t i m e v a r y i n ga n du n c e r t a i ns y s t e mi ne s s e n c e ，a n di ti sd i f f i c u l tt ou s ep r e c i s e m a t h e m a t i c a lm o d e lt od e s c r i b ei t ，w h i c hb r i n gh i g h e rd e m a n do nt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 r e f e ra t r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o la b o u tl a r g e - d e l a ys y s t e mh o m ea n da b r o a d ， f i r s t ，i tu s ep i da l g o r i t h mt os t u d yt h es y s t e ma n dc a r r yo u tt h ee x p e r i m e n tu n d e rc e r t a i n c o n d i t i o n s t h er e s u l t sb a s i c a l l ym a t c hw i t hs i m u l a t i o nt h a ts y s t e mr e s p o n s ev e r ys l o w l yf o ra l o n gt i m ea n dt e m p e r a t u r ec h a n g e sl a r g e l y i tf i n a l l yd e s i g nas i n g l en e u r o np i dc o n t r o la l g o r i t h m s ，w h i c hc o m b i n en e u r a ln e t w o r k s a n dp i dc o n t r 0 1 t r a i n i n go nt h en e u r o n ss e l f - l e a r n i n g ，i tc h a n g et h e c o n n e c t i o n w e i g h t b e t w e e nn e u r o n sa c c o r d i n gt ot h ei m p a c to no u t p u tp e r f o r m a n c eo fs y s t e mw h e nt h eo b j e c t c h a n g e sp a r a m e t e r s t h u si t ss t e a d ys t a t ec o r r e s p o n dt ot h ep i dc o n t r o l l e rp a r a m e t e r su n d e rt h e c o n t r o lo fo p t i m i z a t i o n u n t e rt h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，i ts h o w s t h a ts i n g l en e u r o n sp i dc o n t r o lh a s s t r o n g e ra d a p t i n ga b i l i t ya n dh i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o n i no r d e rt oi n t e r p r e t en o n l i n e a rd y n a m i cp r o c e s so ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb e t t e r a n dp r e d i c to re s t i m a t ec h a n g i n gt r e n d so ft h es y s t e m ，i tu s ean e u r a l - n e t w o r kp r e d i c t i v e c o n t r o la l g o r i t h m s i td e s i g nt h en e u r a ln e t w o r kp r e d i c t i v ec o n t r o ls y s t e mu s i n gs i m u l i n k d y n a m i cs i m u l a t i o nt o o l sa n dr e l a t e do b j e c t s ，t h r o u g ht r a i n i n go ft h en e u r a ln e t w o r k ，g e t i n g t h es a t i s f i e dr e s u l t so ft r a i n i n g d y n a m i cv i s u a ls i m u l a t i o nf i n dt h a tt h es y s t e mw i l ln o to n l y t r a c k i n gp e r f o r m a n c eb e t t e r , b u th a v eas t r o n g e rr o b u s tt ot h em o d e lm i s m a t c h k e yw o r d s ：o i ls o u r c e s ；t e m p e r a t u r ec o n t r o ld e v i c e s ；c o n s t r u c t i o n ；s i n g l en e u r o n si np i d c o n t r o l ；p r e d i c t i v ec o n t r o l ；s i m u l a t i o n 学号：2 q 鱼q 昼q 塑 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝堑太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者签名：7 尊蚂秒签字日期 砂夕年月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝迤太堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝堑太堂可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲芦、胡杪 签字日期：沙多年多月1 日 导师躲磐闯芳 签字日期：厶加莎年月，1 日 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 i 摘要l ：本章首先分析了液压系统中粘度和温度的关系，引出实现温度精确控制的必要性。然后总结 了国内外对人滞后温度系统的儿种控制算法的研究与应用，并介绍了几种应用中液压领域中的换热器 的特点。最后简要介绍了课题的研究意义和研究内容。 1 1 油源中油温和粘度的关系 油源是某综合实验台的重要组成部分，它为实验台的某分系统提供性能可靠质量稳 定的液压源，以满足其负载驱动实现相应运动特性。试验台为达到这一要求对油源的油 温，压力波动，弹性模量等提出了较高的性能指标。 油源系统为液压系统提供必须的压力与流量，并调节各油液参数使之满足系统性能 的要求。在液压源调节的参数中，温度参数是其中重要的控制参数之一，温度和另一个 关键性能参数粘度存在着很大的关联l lj 。两者之间的关系可用图1 1 表示。 - 1 00l 坪强拍5 ie l l7 0 篓塑! ! o 图1 i液压油粘度温度特性曲线 由图1 1 可知，各种类型的液压油的粘度与温度成反比关系，随温度的升高而降低。 而液压油粘度过小会引起磨损、泄漏、降低容积效率，并使液压系统温度上升；粘度过 大会造成流动过程能耗增加，吸油困难，并使系统发热，油温升高。正确选用具有合适 粘度的液压油是保证液压系统j 下常工作、延长设备使用寿命和节约能源的重要措施。 浙江大学硕士学位论文 1 2 油温控制精度 因此为保证该液压系统的性能，保证试验台的正常运转，有必要对其温度进行控制， 一般工业应用液压油温控标准见表1 1 。 表1 - 1 一般1 二业应用液压油温控标 o o c低温领域 启动有危险 l o o c常温领域启动没有危险，但效率降低( 粘度增加原因) 3 0o c理想温度领域 4 5o c安全温度领域 在此温度之间调节至适当温度 5 5o c注意温度领域 7 0o c极限温度领域 液压油寿命低，必须设置油冷却器 8 5o c危险温度范围绝对不可使用 从表1 1n - i 矢h ，液压系统工作温度常在3 0 _ - 4 5 。c 【2 】，温控范围相对较宽，控制起来 难度不是很高。但是在液压试验台的应用场合中，为了保证其它元件的性能指标在合适 的范围内，需要精确控制好温度。液压元件实验台中几大被测参量的允许变化范围可如 表1 2 所示。 表l - 2 液压元件试验台被测参量平均显示值的允许变化范围1 3 i 测量参量a 级b 级c 级 温度。c 1 o2 05 o 压力脱 0 51 52 5 流量 o 51 5 2 5 粘度 51 01 5 转速 o 51 o2 o 国家标准将液压元件测量时的温控要求分为三个等级：a 级1 o ，b 级2 ， c 级5 。c 。研究重点是使温控系统中油温达到a 级或b 级标准。 1 3国内外对大时滞温控系统的控制算法的研究与应用 油源温度控制系统本质上是一种大时滞、非线性、时变，不确定系统，很难用精确 的数学模型描述它。目前，国内外比较有效的控制方法有以下几种： ( 1 ) 继电器控制 传统的继电器调温电路简单实用i 甜，通过继电器的通断来控制加热状态，但由于继 电器动作频繁，可能会因触点不良而影响j 下常工作。文献1 4 1 提出改进的电路，采用主回 2 浙江大学硕士学位论文 路无触点控制，克服继电器接触不良的缺点，且维修方便，其共同的缺点是继电器只有 “0 ”、”1 两种状态，所以超调较大，精度不高，温度控制范围较小。 ( 2 ) p i d 控制 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高， 被广泛应用于过程控制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系 统。如p i d 温控系统将实时采集的温度值与设定值比较，差值。作为p i d 调节器的输 入，p i d 算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制量，实现闭环控制，使 控制过程连续，是很普通的调节方法。p i d 控制算法中，三个组成部分控制作用特点如 下： ( 1 ) l g 例环节p ，系统一有误差e ，控制器立即就有控制作用，使被控对象朝着误差减小的 方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数k 。，k 。增大可减小控制系统的稳态误差， 但k 。过大，会使系统的相对稳定性降低，甚至造成系统不稳定。 ( 2 ) 积分环节i ，只要存在误差e ，就对误差进行积分，其作用是提高系统的无差度，使系 统稳态性能提高。但积分控制作用具有滞后特性，积分系数k ；太大会使系统动态品质变 差，以至于导致闭环系统不稳定。 ( 3 ) 微分环节d ，通过对误差e 进行微分，增加控制系统的阻尼比，便于对误差的变化趋 势及早判断，增大微分系数k d 可以加快系统响应速度，使超调量减小屯缺点是对系统干 扰同样敏感，降低了系统对干扰的抑制能力。 然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型， 应用常规p i d 控制器不能达到理想的控制效果，而且在实际生产现场，由于受到参数整 定方法繁杂的困扰，常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应 性很差，外界干扰和参数时变会使控制漂离最佳状态1 5 制。 ( 3 ) 神经网络控制 神经网络控制是模拟人类神经中枢系统智能活动的一种控制方式。由于它具有自适 应能力和自学习能力，因此适合用于复杂系统智能控制的研究工具。神经元网络通过神 经元以及相互连接的阀值，初步实现了生物神经系统的部分功能。神经网络具有的非线 性映射能力、并行计算能力、自学习能力以及强鲁棒性等优点已广泛地应用于控制领域， 尤其是非线性系统领域。可对复杂的非线性时变系统建模，通过训练方法实现神经网络 的自学习过程，即根据事先定义好的学习规则，按照提供的学习实例，调节网络系统各 节点之间相互连接的权值大小，从而达到记忆，联想，归纳等目的。神经网络的缺点是 算法较复杂，执行的是一个非线性梯度寻优过程，故收敛较慢，且容易陷入局部极小点1 7 j 。 ( 4 ) 大林算法 大林算法是由美国i b m 公司的d a h l i n 于1 9 6 8 年针对工业过程控制中的纯滞后特性 提出的一种控制算法。该算法设计了一个数字调节器，整个系统的闭环传递函数相当于 带有纯滞后的一阶惯性环节，而且要求闭环系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时 3 浙江大学硕士学位论文 间。d a h l i n 算法比较简单，只要能设计出合适的且可以物理实现的数字调节器，就能够 有效地克服纯滞后的不利影响，因而在工业生产中得到广泛应用。但是采用d a h l i n 算法 设计的系统，其快速性受到限制，当期望闭环传递函数的时间常数比较小时，调节器输 出产生严重的振铃现象，当消除振铃极点后，其调节时间增加。 实际存在的问题是：该控制方法需要被控对象的精确模型。如果在设计控制系统时， 依照某一对象的传递函数进行设计，一旦对象的参数在运行过程中发生变化或对象的传 递函数不精确，按原参数设计的预估器就不能完全补偿对象的纯滞后瞵j 。 ( 5 ) 专家控制 这是一种将人的感知经验，浅层知识与定理算法深层知识相结合的传统的智能控制 方法。主要优点是在层次结构上、控制方法上和知识表达上有灵活性、启发性和透明性， 既可以采用符号推理也允许数值计算；既可以精确推理也可以模糊决策。 专家系统的基本组成部分有：知识获取、知识库、推理机和解释器四个部分，其结 构如图所示。知识获取为修改知识库中原有的知识和扩充知识提供手段；知识库用于存储 领域内的原理性知识专家的经验知识以及有关的事实等，并为推理机提供求解问题所需知 识；推理机根据当前的输入数据或信息，再利用知识库中的知识，按一定的推理策略去处理、 解决当前的问题；解释器根据知识的语义，对找到的知识进行解释，向用户提供了一个认识 系统的窗口。 图1 - l 专家系统结构组成 由于专家系统控制不需要被控对象的数学模型，因此它是目前解决不确定性系统的一 种有效方法，应用较为广泛。但具有灵活性的同时也带来了设计上的随意性和不规范性， 而且知识的获取、表达和学习，以及推理的有效性和实时性也难以保证。 ( 6 )自适应神经网络模糊推理系统 温控系统由于被控过程常常伴有严重的非线性、时变性、大滞后以及大量现场干扰， 这使得基于精确数学模型的传统控制方案很难获得满意的动静态控制效果f 9 _ 0 1 。近些年来 模糊逻辑控制取得了巨大成功。但是模糊控制所基于的专家经验不易获得，并且模糊建 模的主观性对控制效果的影响相当大。因此模糊控制开始向自适应方向发展。自适应神 经网络模糊推理系统提供了一种非常有效的途径，利用神经网络的学习能力计算出隶属 度函数的参数以及相应的模糊规则，以得到所需模糊系统的核心模糊推理规则库， 从而可以达到更高的控制精度，具有极强的鲁棒性和自适应能力。通常采用三层前向模 糊b p 神经网络，选择温度采样误差值、误差积分以及变化率作为网络输入，用模糊控制 4 浙江大学硕士学位论文 理论赋予隐层含义，确定神经元个数；用高斯函数作为节点激励函数，忽略远离中心的神 经元输出，计算隐层输出；通过给定的教师学习，以调整网络权值，使目标函数最小，由 于模糊隶属度函数参数具有明确的物理意义，因此就更容易找到个较好的方法来选择 初始参数，从而大大加速了学习过程的收敛速度。此类控制算法鲁棒性强，适应性号， 但计算量大，程序复杂，对控制设备要求较高。 ( 7 ) 预测控制 预测控制采用预测模型替代实际对象模型，以其独到的优点，解决了系统难于建模 的问题，显示了其强大的生命力，成为当前自动控制领域中重要的研究课题。近年来，随 着人工智能、模糊控制、模式识别、神经网络等新技术的发展和应用，极大地促进了预测 控制的研究，并为其向更高层次的发展提供了空间，其应用也日趋广泛。 在大范围预测概念的基础上，c l a r k 等人提出了广义预测自校正器，该算法以 c a r i m a ( c o n t r o l l e d a u t o - r e g r e s s i v ei n t e g r a t e dm o v i n g a v e r a g e ) 模型为基础，采用了长 时段的优化性能指标，结合辨识和自校正机制，具有较强的鲁棒性和和不依赖于模型等 优点，还可克服广义最小方差，极点配置等自适应算法中存在的缺点，广泛应用于控制 变时延，变阶次和变参数的工业过程【1 3 m 】。 ( 8 ) 模糊p i d 复合控制 p i d 控制以其结构算法简单，稳态无静差等优点而广泛应用于实际工业过程。由于 工业过程都不同程度地存在非线性、纯滞后，同时有些过程很难建立或不能建立精确的 数学模型，甚至伴随参数时变，因而常规p i d 无法实现精确控制，其主要缺点在于系统 响应时间与超调之间存在不易解决的矛盾；而模糊控制最大的优点在于响应速度快，超调 量小，适应能力强，缺点是：由于模糊等级所限，稳态精度不够高。f u z z y - p i d 复合控制 将二者的优点统一起来，如在温度控制系统中，当温度偏差较大时采用f u z z y 控制，响 应速度快，动态性能好，当温度偏差较小时采用p i d 控制，使其得到较好的静态性能， 满足系统控制精度，从而f u z z y p i d 复合控制具有更好的控制性能。另外，模糊p i d 参 数自整定也是智能p i d 参数自整定的一个热点，该方法是以偏差( e ) 和偏差变化率( e c ) 为 依据，根据k p ，k i ，k d 整定规则及专家的经验知识，分别确定的调整规则，经模糊推 理和模糊运算判决出参数的数值，以达到在线智能自整定的作用，从而实现快速响应特 性与超调量最优的统一，相关参数整定思想如下l n 6 1 ： ( 1 ) 差值e 较大时，为加快跟踪性能，应取较大k p 和较小k d ，为了避免出现大的 超调，常取k i = 0 。 ( 2 ) 差值e 中等时，为减少超调k p 应减小些，此时k d 、k i 取值须适当。 ( 3 ) 差值e 较小时，为了较好的稳态性能，k p 和k i 应取大些，同时为避免系统在 设定值附近出现振荡，应适当选择k d 。 ( 9 ) 神经网络p i d 控制 在工业控制过程中，p i d 控制是一种最基本的控制方式其鲁棒性好、结构简单， 易于实现，但常规的p i d 控制也有其自身的缺点因为常规p i d 控制器的参数是根据被 5 浙江 学砸位论立 控对象数学模型确定的当被控对象的数学模型是变化的、非线性的时候。p i d 参数不 易根据其实际的情况做出调整影响了控制质量。使控制系统的控制品质下降。特别是 在具有纯滞后特性的工业过程中。常规p i d 控制史难满足控制精度的要求。r i 于神经网 络具有自组织，自学习自适虑的能力，使人工神经网络与传统p i d 控制相结台互相补 充。共同提高控制质量【j7 - l 9 。 液压源温控系统一般由加热器和冷却器组成。对于大功率大流量液压系统而言，由于 液压系统效率较低，仅依靠系统臼循环发热口可达到快速升温目的，崮此在设计人功率 液压源温控系统可以币用考虑加热器通过冷却器甲衡系统发热即町达到温度控制的目 的。在大功率液压温控系统中常采用换热器作为冷却器，来实现温度的调饥使之达 到设定的范围之内。 1 4 几种常用热交换器原理及优缺点 热交换器是一种将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设备，广泛 应用于工业生产中流体冷却余热回收，热能输送等场合。按照传递热量的方式来分， 热变换器可分为毗下三大类：间壁式、虚热式、直接接触式。 问壁式：即热流体和冷流体问有一层固体壁而，一种流体恒在壁的一侧流动，而月 种流体恒存壁的另- - n 流动，两种流体不直接接触，热量通过肇面进行传递交换。蓄 热式：其中也有固体壁面，、_ 两种流体并非同时而是轮流地和壁面接触。当热流体流过 时，把热量储蓄于壁内，壁的温度逐渐升高：而当冷流体流过时，壁问放出热量，壁的 温度逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的。直接接触式：这种热交换器内依 靠热流体与冷流体的直接接触而进行传热。 考虑液压实验台中温控系统的特点和结构，常采用刚壁式热交换器。下l a l 介绍儿种 常见的制壁式热交换器及其特点1 2 1 - 1 4 ： 1 管壳式换热器是目前化工生产上应用最为，泛的一种换热器。它的主要优点是单位体 积所具有的传热面积( 4 0 15 0 ，) 大且传热效果好。此外，结构简单( 如罔1 - 2 所示) ，制 造材料也较为广泛，适应性强，尤其是在高温、高压和大型装置r p 采用更为普遍。缺点 足：体秘大占地大，传热系数相对较低，榆漏困难。 一一 霹 a ) 管壳换热器结构示意幽( b ) 实物斟 目l 一2 管壳式挟热器 浙江大学硕士学位论文 2 板壳式换热器是集板式换热器和管壳式换热器优点于一身的新型换热设备，具有传热 效率高、承压耐热及耐腐蚀能力强、密封性能好、安全可靠、结构紧凑、成本较低等优 点。板壳式换热器在电力、石油、化工、冶金、制冷、暖通和环保等工业领域都有广泛 应用前景。 3 喷淋式热交换器，将冷却水直接喷淋到管的外表面上，使管内的热的流体冷却或冷凝， 其优点是：结构简单( 如图1 3 所示) ，易于制造和检修，便于除垢，传热效果较好，适 用于高压流体和腐蚀性流体。缺点是：冷却水较少时，下部管子不能被润湿，几乎不参 与换热，石油产品和有机体的冷却不宜采用这种换热方式；其金属消耗量也比较大。 图l 一3 喷淋式换热器 4 板式换热器是一种新型换热器，它的主要优点是结构紧凑，单位体积内的换热面积为 管壳式换热器的2 , - - , 5 倍，而且不用象管壳式换热器那样要预留出管束的检修场地。单位 容积所提供的传热面积大、材料耗量少、传热系数大，一般可达1 2 5 6 0 2 0 9 3 4 k d m 2 h o c 。板式换热器主要用金属板材，因而原材料的价格比同样金属的管材 要低廉。缺点是工作压力低( 2 5 m p a ) ，工作温度在2 5 0 以下，不宜进行易堵塞介质 的换热，一般应加装过滤器。板式换热器是新型高效紧凑的热交换器，在工业生产中得 到广泛应用。可以任意增减板数以调整传热面积，另外检修、清洗都很方便，其使用范 围日益扩大。 1 5 课题研究意义和研究内容 本课题的主要研究对象油源系统为某综合试验台提供性能可靠质量稳定的液压油。 该试验台要求其执行机构反应快速、定位准确，液压系统具有良好传动刚度和精度，保 证系统稳定性，对油源的油温等提出了较高的性能指标。而液压油的热稳定性较差，油温 升高时容易使油分子裂化成聚合，产生树脂状沥青、焦油等物质，所以必须严格控制好液压 油的温度以保证系统的正常运作。 试验台液压系统非常庞大，整个系统的工作油量达2 0 0 0 l 以上，配电功率高达 7 0 0 k w ，为大功率大流量液压源系统。而油温要控制在4 5 。c 上下，油温控制精度达到a 7 浙江大学硕士学位论文 级或b 级，保证系统正常运作。 本文主要是为该大功率大流量液压源系统研究设计成一套高精度的油源温度控制装 置及其控制算法，使该油源温度控制精度达到b 级标准。具体可分为以下几个方面： l介绍了大功率大流量油源的系统构造和组成特点。通过对被控系统的性能指标的分 析，构建了该温控装置，具体包括换热器各个参数的确定和冷却水路设计等，并阐述了 该温控系统的工作原理。 2p i d 温控算法的仿真分析与试验验证。介绍了p i d 控制器的原理和设计方法，设计了 一种p i d 控制器，并进行了动态仿真分析。然后介绍了油液温度控制程序实现的硬件平 台p l c 控制系统的结构与设计流程，在一定的条件下进行了实验调试，针对得出的实验 曲线作了简单分析，得出一些结论。 3 从介绍神经网络和神经元的一些基本理论入手，设计了一种单神经元p i d 控制算法， 对温控对象进行了仿真分析。为了更好的表述温控对象的非线性动态变化过程，采用了 近年来应用比较广泛的神经网络预测控制算法，建立了该油源温度神经预测控制模型并 进行了动态可视化仿真。针对得出的曲线作了初步分析。 1 6 本章小结 本章对液压系统中的粘度和温度关系做了简要分析，温度的大小直接影响着液压系 统中的一个关键参数一粘度，而且本油源系统是某综合试验台的重要组成部分，实验台 中的某机构要求有相当高的静动态特性和负载能力，这一要求必须对油源的油温等提出 了较高的性能指标。因而为了保证系统正常工作，必须控制好温度，而针对大流量大功 率的液压源的温度控制是一大难点。 同时主要介绍了国内外对大滞后温控系统的控制算法的研究与应用。介绍了液压系 统中常用的几种换热器的特点及结构。简要介绍了课题的研究意义和研究内容。 8 浙江大学硕士学位论文 第二章温控装置的构建 【摘要】：首先介绍了该大流量大功率液压源的系统构造和组成特点。然后对该油源系统的发热来源作 了分析并计算了发热功率的大小，并以此为依据使用专用板换选型软件确定了板换的参数。最后阐述 了该温控系统工作原理及组成和简单水路设计。 2 1 温控对象分析及装置构建 2 1 1 油源的工作参数 为了更好设计温控装置，先对该液压油源作了简单分析。该油源为某运动模拟器综 合实验台提供动力油源，整个液压系统是封闭的，因而必须采用闭式油箱，使得液压系 统完全与大气隔绝，从而保持系统油液抽真空后低含气量的状态。主油箱采用加压形式 的圆筒型油箱，在正常运行阶段整个系统保持在正压状态，以降低系统气密封的难度。 系统工作参数如表2 1 所示。 表2 1 液压源主要工作参数 参数设计要求设计设计值 动力供油压力4 _ - 2 1 m p a 可调4 ，1 0 ，2 1 m p a 三档 动力供油流量 1 6 0 0 1 m i nl8 0 2 1 m i n 动力供油压力波动工作压力的5 工作压力的5 动力供油过滤精度5 5 控制供油压力4 2 l m p a 可调4 ，1 0 ，2 1 m p a 三档 控制供油流量 3 0 0 1 m i n3 5 5 1 m i n 控制供油压力波动 工作压力的5 工作压力的5 动力供油过滤精度 3 3 温度控制精度 4 5 2 0 c4 5 2 0 c 冷却水量供给5 0m 3 h 4 5m 3 h 油箱压力范围 0 15 田3 m p a0 18 一0 2 5 m p a 油液弹性模量1 0 0 0 m p a1 0 0 0 m p a 油源总配电功率 7 0 0 k w7 0 0 k w 油源最大耗电 5 8 0 k w5 8 0 k w 从表1 1 可知：该液压油源动力供油流量1 8 0 21 m i n ，控制供油最大流量为3 5 5l m i n ， 则系统总回油流量高达2 1 5 71 m i n ，油温控制目标为4 5 。c ，控制精度2 ，配电功率高 达7 0 0 k w ，因而该液压源具有大功率、大流量的特点，而要对这样的温控系统实现精确 9 浙汀人学十学论文 控制，保障各个性能指标符合给定需求，难度相对很大。丰要有以下三大难点：( i ) 压 力波动指标( 5 ) ，( 2 ) 油液弹性模罱指标( 1 0 0 0m p a ，对闭式系统的防泄漏要求很 高) ( 3 ) 温控精度指标( 2 ) ，为了保障油源各个性能指标都符合要求，经过分析计 算分析，最终设计的油源液压系统原理图如图2 1 所示。 浚油源的现场放茕如图2 2 所示： 该油源系统参数，如表2 2 所示 幽2 - 2 油源现场放置削 表2 - 2 油源主要系统参数 o3 5 k w 交流异步电机3 台补亍世供油 5 5k w 交流异步电机5 台 动力供油 7 5k w 交流异步电机2 台控制供油 1 1 0 k w 交流异步电机2 台动力供油 p l c 可编科序控制器l 奁功能过程程序控制 3 u f 5i b 机保护控制器15 台 l b 机启停控制与故障保护 软启动裂置2 套 并电机分时启动 模拟挝输入】7 点脯测压力，温度，位移等 模拟址输出l 点 拄制比例删开度 数字蜡输入 4 2 点 监测行槲开关，发讯器等 数字龋输山2 4 点控制电磁恻 r s 4 2 2 点对点通讯l 路p l c 与远科监控计掉机通讯 p r o f i b u s - d p 现场总线通讯 】6 竹点网络p l c 与3 u f 5 通讯 钗 袋 剞 扑 书 匿 扑 二 ，目 楚 厂一一一；日；五i 一一一。一 一。_ 睡虱i 哥一苎j i i 船i 謦 一 i i 帮 i ” 尴t 、 ：姜； 旧 博醺 1 采冀l 、! ； l ：- j 舌 呸虱； 卜： 0 网 p 酋- o h 一 西 巷_ 宦 i l 三i ； 逻 剖翠j 耄 ：q 广二= 工= 二： ， i i 矿i 慝 i ： 亩? 禽* j j 尝 j 。1 r i ” ；叫挺茸4 、| j 譬； d 刍弋 矛一一：i ：奠誓 窜 多 瞳： 喜 ，薹一醋 l 一一一一l 一一一一 圃 剐 隧 弑 谣 出 = 爨 螟 n 匝 赢 一a j 儿4 。o 一，羞p 日 = 掣 、蒋h 捧 二一 一一裴 厂i：le l网 口吲矧国 浙江大学硕： ：学位论文 2 1 2 油源控制系统的构建 本液压油源共有大小电机1 2 台；用于现场测量温度、压力、位移等模拟量的传感器 有1 7 个；需要直接进行控制的装置有接收4 2 0 m a 模拟量信号的电液比例阀1 个以及 数字量电磁阀2 4 个；各种监测手动阀门状态的行程开关以及油液污染发讯器等数字量输 入装置4 2 个。该控制系统需要对5 9 个信号输入点进行数据采集，对2 5 个信号输出点进 行准确控制，对1 2 台电动机进行必要的故障保护。此外，为实现液压源运行状态的远程 监控，便于进行操作，液压源控制系统需要与远程监控计算机进行实时通信。 在本油源系统中，采用1 2 台交流异步电机来拖动液压泵负载，并且在运行过程中 不需要调速。在此种应用场合下，为避免大功率电机启动对电网造成冲击，系统采用了 软启动器旁接接触器的方案实现对电机的软启动，其原理图如图2 3 所示。通过接触器 的通断组合在电动机启动时使软启动器接入电机回路，实现降压启动。软启动器与接触 器的实物图如图2 4 所示。软启动器在电机启动过程中发挥重要作用，电机启动时软启 动器将电压值降为正常值的5 0 ，在电机启动过程中，软启动器将电压逐渐提升至正常 值，这样电机启动对电网的冲击大大降低。此外，为减少电机启动对电网的冲击，电动 机往往采取单台顺序启动的方式，因此只要使用一部软启动器实现多台电机的启动。 图2 3 软启动系统原理图 软启动器与接触器的实物图如图2 4 所示。 1 2 学碳学位论文 a ) 拉触器( b ) 软启动器 图2 - 4 软启动器与接触器的实物图 2 2 冷却系统的设计分析 【】上面的分析可得，本油源温控装置的关键元件是热交换器，目前应用于液压系统 冷印领域的热交换器蕾要有两大类r 管壳式热交换器和板式热交换器。管壳式热交换结 构简单，制造材料也较为泛，能耐高温高压，但占地面积较大，传热效率较低。而板 式换热器结构紧凑，紧凑度：管壳式换热器为7 8 m 2 m 3 ，板式换热器为2 2 0 m 2 m 3 ， 因此实现同样的换热任务时，板式换热器的占地面积约为管壳式换热器的1 5 一l 1 0 。 传热效率也很高，一般可达1 25 6 0 一2 09 3 4k j 小2h o c ，是管壳式热交换器的35 倍 | 三【j 二， h 小能耐高温高眶，一般情况下最高计用压力为25m p a ，温度j , j2 5 0 c 。由控制 对象的分析知：该液f k 源的装机功率高达7 0 0 k w ，要求换热器的换热功率必然很大，且 其应用压力小( 3 0 0l m i n ，因而应开3 台5 5 k w 电机 泵( 供油流量7 7 4l m i n ) ，2 台7 5 k w 电机泵( 供油流量3 5 51 m i n ) 。由于该段时间的负 载很复杂，难以进行详细的发热和散热计算，常根据经验，取输入功率的8 0 作为热量 损失计算，泵的总效率取为0 9 。那么 1 4 浙江大学硕士学位论文 1 ) 系统输入功率： 2 ) 3 ) n ：生堕+ 垒垫： r hr h 1 0 1 0 6 2 5 7 9 x 3 x l o - 3 6 0 + 2 1 1 0 6 1 7 7 6 x 2 x l o - 3 6 0 0 90 9 = 1 4 3 3 + 1 3 8 1 = 2 8 1 4 ( k w ) 系统功率损失： h = n 8 0 = 2 8 1 4 x8 0 = 2 2 5 1 ( k w ) 泵的功率损失： ( i ) 动力供油泵功率损失 1 0 1 0 6 2 5 7 9 x 3 x 1 0 - 3 韭一( 1 0 9 ) ：1 4 3 ( k w ) 0 9 、 2 l l o s 塑：三兰坚 j l ( 1 0 9 ) ：1 3 8 ( k w ) 0 9 、 h 月，= h + h p i + h p 2 = 2 2 5 1 + 1 4 3 + 1 3 8 = 2 5 3 2 ( k w ) 2 测试工况发热功率 该工况即液压系统做正式调试的那段时间工况，流量要求：动力供油系统输出流 量1 6 0 0l m i n ，并且持续时间不得少于3 m i n ，控制供油系统输出流量 3 0 01 m i n ， 因而应开5 台5 5 k w 电机泵，2 台11 0 k w 电机( 供油流量7 7 41 m i n ) ，2 台7 5 k w 电 机泵( 供油流量3 5 51 m i n ) 。泵的总效率同样取0 9 。 1 ) 泵的功率损失： ( 1 ) 动力供油泵功率损失 1 0 1 0 6 1 8 0 2 x 1 0 - s j l ( 卜0 9 ) ：3 3 4 ( k w ) 0 9 、。 ：了p sx q p 堋1 ，：竺等3 5 5 2 正x 1 0 - s 堋以垆n 涨， 2 ) 溢流阀功率损失： 1 5 浙江大学硕士学位论文 h va p v 0 r = 1 0 x 1 0 6x