（机械电子工程专业论文）基于神经网络的试验机控制技术研究.pdf

塑坚三些奎堂婴圭兰堡丝苎 一 摘要 本论文在对试验机行业作了充分调研的基础上，通过阅读、分析及综合大量 文献，进行了计算机控制技术应用于水泥压力试验机的研究。综合分析了环境因 素对试验机性能的影响，在此基础上对其控制策略进行了研究、仿真。就当前研 究的热门算法神经网络控制算法应用于试验机加载控制进行了探讨，并应用 b p 神经网络p i d 算法对试验机简化模型作了仿真研究，从理论上证明其应用于 实际系统的可行性。 第章，综合论述了发展全自动微机控制水泥试验机的意义，阐述直接电液 控制方法的优越性，并介绍了本文的主要研究方向和内容。 第二章，简要介绍试验机液压加载子系统的工作原理，建立液压系统开环数 学模型进行仿真研究，并根据仿真结果分析静态工作特性，得到静态工作点，为 动态模型的非线性仿真奠定基础。 第三章，在得出系统动态模型的状态方程后，对系统动态特性进行非线性仿 真，并就环境因素变化对试验机工作特性的影响作了详细分析。 第四章，对p i d 控制策略进行概述，得出试验机应用数字阀闭环后 的简化模型，并利用增量式p i d 算法进行仿真。 第五章，对水泥压力试验机工作过程进行简单介绍，利用控制软件对试验 机进行实际加载；观察p i d 参数改变对实验结果的影响，同时进行参数调整；最 后得出组调定好的较为合理的p i d 控制参数，令加载过程较为理想。 第六章，系统地综述了神经网络自适应控制的研究进展，讨论了神经网络自 适应的主要模型和算法，并就其存在的些f 遍题、应用与发展趋势进行了探讨。 第七章，详细描述了b p 神经网络的具体结构及b p 神经网络p i d 控制的具体 算法实现，得出控带4 算法规律，将其应用于试验机模型，得到此算法下的控制输 出，并与无p i d 控制及传统p i d 控制进行比较，证明此算法的可行性。 第八章，全文总结与后续展望。 关键词：试验机p i d 控制 仿真神经网络p i d 塑鋈三些查兰堡主兰竺笙兰 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，b yr e f b 讯n gt ot h ei n f o m l a t i o no fm es t a t e o f a r co fm ec e l t l e n t c o m p r e s s i o nt e s t i n gm a c h i n e ( c c t m ) b o t ha t h o m ea n da b r o a d ，an e wm e a n so f d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 i si n t r o d u c e df o rt h e1 0 a d i n gr a t ec o n t r o lo fc c t m o n e o fm e m o s ta d v a l l c e da l g o r i t ，n c u r a ln e n v o r k ( n n ) ， i sd i s c u s s e df o r m e 印p l y i n g f e a s i b i l i t yt om eh y d r a u l i cl o a d i n gc o n t r 0 1s y s t e m i nc h a p t c r1 ，t h en e c e s s i 移o f 印p 1 ) ，主n g 如1 1 ya u t 。m a t i cc o n 仃o l l e c h n 0 1 0 9 yi nt h e c c t mi ss y n m c t i c a l l ya n “y z e da n dd i s c u s s e d t 1 1 ea d v a m a g eo ft h ed i r e c td i g i t a l c o n t r o l i nc c t mi sd 锄o n s t r a t e d t h ec o n t e n ta i l dm et e c l l i l i c a im e t h o du s e di nt h i s s t u d y i sp r e s e n t e da tt h ee i l do f t h ec h 印t 既 i nc h a p t e r 2 ，t h eo p e r a t i n gp r i n c i p a lo f t h eh y d r a u l i cl o a d i n gs u b s y s t 锄so f m e t m i s 确e n y i n t r o d u c e da n dm e o p e n l o o pm a t h e m a t i c a lm o d e l i sb u i l tu pa n d 咖d y i sc a r r i e do u tb ym e a n so fs i m l l l a t i o nu n d e rt 1 1 ec i r c u m s t a n c eo fm a r l a b t h es t a t i c w o r k i n gp o i n t s a r eo b t a i n c da n d l a y f b l 】1 1 d a t i o nf o rt h e p r o c e e d i n gd y n 砌i c s i m u l a t i o n i n c h 印t e r3 ，b a s eo n 血en o i l 重i n e a rm o d e l ，t h ed y l l a m i c c h a r a c t e r i s t i c si s s i m u l a t e d ，b yc o n s i d 甜n g i nd e t a i lm ei n n u e n c eo f m ee n v i r o l l i i l e n t a lf a c t o r s ，s u c ha s o i lm o d u l u s 1 0 a ds t i m l e s se t c i n c h a p t e r4 ，m ec o n 仃o ls t r a t e g y o ft h ep i di ss u m m a z e d a f c e rt h e i n t r o d u c t i o no ft h ed i g i t a lv a l v e ，m ec l o s e d 一1 0 0 pm o d e li s s i m p l i f i e db ym e a n so f 1 i n e a rt h e o r ) ，a n ds i m u l a t e dt l l m u 曲m e a l g o r i t h mo f i n c r e i t l e n t a lp i d c o n 垃0 1 i nc h a p t e r5 ，m es t u d yi sc o n c e n t r a t e do nt 1 1 ee x p e r i m e 毗a 1s t u d y ，t h es h mo f t h e c h a r a c t 鲥s t i c so f c c t mi so b s e n ，e dw 础et kc d e 壤c i 锄t so f p i di sa p p l i e d a 鲫u p o fi d e a lp i dc o e m c i e n t sa r ea c q u i r e df o r1 a t e rc o m p a r i s o nt h er e s u l t sp m d u c e d b yn n m e t l l o d i n c h 印t e r6 ，o v e j e w ss y s t 锄a t i c a l l yt h ea d v a l l c e r n e n t o fn e u r a ln e t w o r k a d 印t i v ec o n t r o l ，d i s c u s s e si t s m a i nm o d e la n da l g o r i t h m ，a 1 1 da l s o p r o b e si n t o i t s e x i s t i n gq u e s t i o n s ，a p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p j n gt r e n d 塑坚三些查兰堡主堂壁垒茎 i nc h a p t e r7 ，w ed e s c r i b et h e 疔锄eo f b pn n ( n e l 】r a ln e t w o r k ) a 1 1 dm ea l g o r i t h m o fb pn n ( n e u r a ln e t w o r k ) p i dc o n t r 0 1 a r c r 印p i y i n gt ot h ec c t m ，w e c a nt e s t i 母 恤ef e a s i b i l i t yb yc o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t m la n dn o m l a lc o n t m lw i m o u t p i d c h a p t c r8i st h es u m m 撕z a t i o n a i l dp r o s p e c t k e yw o r d s ：c c t m ，p i d ，s i m u l a t i o n ，n n ( n e l 】r a ln e t w o r k ) i i i 塑坚三些查兰堡主兰丝丝奎 第一章绪论 1 1 水泥压力试验机概述及选题的意义 水泥压力试验机是水泥厂试验室的重要的仪器设备，配置压力试验机的状况在 很大程度上体现着试验室的技术水平。目前，虽然国内有一部分的水泥厂使用的 是手动式水泥压力试验机，但是，依据最新国家对水泥试验机的最新要求，我国 国内大部分的水泥厂现在已开始使用微机控制的水泥压力试验机。 国内外大量试验早己经证明，加载速度对试体的表观强度具有颇大影响。当压 力试验机对试体施加压力时，试体内同时产生应力和应变两个变化，而加载速度 对这两个变化差别的影响极大。加载速度慢，应力增加也慢，而应变增加很快， 甚至应变达到极限时，破坏的发生在很大程度上与施加的应力无关，这样测得的 试体表观强度偏低。相反，加载速度快，应力增加也快，应变增加缓慢，这样测 得的试体表观强度偏高。为了准确测得水泥试体强度，各个国家标准明确规定试 体加载速度，如i s 0 6 7 9 8 9 规定每秒应力加荷速度为1 5 土0 1 2 5 m p a ，德国 d i n l l 6 4 7 8 规定每秒应力加荷速度为1 5 土0 5 m p a ，我国g b l 7 6 7 1 1 9 9 9 规定每 秒加荷速度为2 4 土0 2 k n s 1 ”。 因此，保证加载速度在给定的恒定值对于准确地、科学地测量试体的表观强 度非常重要。通过采用性能优越的控制元件和高效的控制算法，在没有大幅提高 试验机成本的情况下，将加载速度在设定值附近的浮动的范围尽量减小，这是当 前迫切需要解决的问题之一。 另外，具有优越性能的水泥压力试验机的一个必不可少的条件是具有一个良 好的人机操作界面、优越的数据处理能力、控制过程实时显示以及运行稳定的工 控软件。这一点对水泥压力试验机最终形成产品尤为重要。因此，这也是当前需 要探讨的阈题之一。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 水泥压力试验机研究背景卜7 1 目前，实现压力试验机全自动控制的方式主要有三种，一是调频控制，即根据 压力传感器信号，通过调频器控制电动机转速从而控制油泵输出的油压或加压丝 杠的加荷力；二是电液比例阀控制，即通过压力传感器给出的信号控制比例阀的 开度，从而控制进入油缸的油量；三是电液伺服阀系统控制。 由于调频器控制系统中机械传动的惯性对增量的稳定调节困难，加压丝杠系统 中受最大负荷的约束，所以，调频器控制的全自动压力试验机较少使用。而电液 伺服阀系统虽然在国外采用较多，但由于电液伺服阀是各类液压元件中最精密、 最贵重、也最娇气的元件，对系统的实施与运行环境，特别是对油液的清洁度要 求( 1 5 p m ) 很高。所以，目前在国内尤其在非金属材料试验机行业( 如水泥、混凝土 等方面) 暂无普遍应用的可能。 图1 1 国内典型压力试验机的j ：作原理 浙= i 工丁业大学硕士学位论文 图1 2 国外典型压力试验机的工作原理 图l 一1 和图1 2 是国外和国内二种典型压力试验机的工作原理图。虽然选 用的元器件有所不同，但不难看出其基本原理是相同的。都是将压力信号通过压 力传感器( 或变送器) 送至专用处理机( 或微机) 进行转换放大处理后控制旁路上的电 液比例阀阀口的开启程度，从而达到控制进入油缸的流量，最终使加载速度保持 在一定范围内。由于计算机技术的发展，完全可以用足够精度的采样速度来分析 和反馈压力变化信号。因此，系统加载速度的控制及其控制精度主要取决于电液 比例阀的工作性能。 图1 3 和图1 4 是国外和国内二种典型的电液比例溢流阀的工作特性曲线。 2 8 2 4 2 0 昌1 6 营1 2 8 4 0 汐 哆甲 ，乡 乒， 夕 二； 乒一， 2 8 2 4 2 0 重1 6 r 蝌1 2 8 一r 夕 图卜4 国外典型压力试验机 电液比例溢流阀工作特性曲线 圈l 一5 国内典型压力试验机 电液比例溢流阀丁作特性曲线 浙江工业大学硕士学位论文 由工作特性曲线可知，比例阀都有定的启动压力p 。，风一般为最大工作压 力p 的5 一8 ，而且在压力上升时，有一非线性区域为( 1 0 一1 5 ) p 。 虽然有资料表明( 德国v i c k e r 公司) ，在最大压力p 。较高的阀( 如2 5 m p a 、 3 1 5 m p a 等) 中，一些最新的精密比例阀的压力可控范围，其启动压力可下达到 2 p ，但其工作特性在1 0 p m 觚以下时仍为非线性的。 理论上讲，如果在加载过程中，保持了压力梯度的线性( 即恒加载速度) ，压力 传感器给出的信号也将是线性的，但比例阀接收线性电信号后，输出的压力却是 非线性的，由此可知在电液比例阀控制的全自动压力试验机的加载初始阶段，恒 加载速度的实现是因难的。有时在实验室中，通过反复测量比例阀的非线性区的 特性，采用软件补偿的方法，可以获得近似的线性，但由于加工工艺等原因，比 例阀特性难以完全相同，更由于整个液压系统因为管路、接头等元件不同和油缸、 阀门等的泄漏造成系统特性的一致性差，因而这种补偿没有普遍的、现实的意义。 国内的水泥压力试验机的控制方法一般都采用p i d 控制算法，这种算法不需 要建立控制对象的精确模型，原理简单，实现方便。但是在精度要求很高的场合， 必须有经验非常丰富的工程师来调整p i d 控制参数，以达到控制精度的要求。当 系统环境发生变化，如油液温度升高、干扰增强时，阀的泄漏量增加等因素的影 响会使原来己经优化的p i d 参数变得不符合高精度的要求。并且，手工调定p i d 参数有一个无法弥补的缺点即在一个完整的控制过程中只能够用一组给定的p i d 参数值，无法根据不同的控制特性采用最佳的参数值。为此，本文探讨了一种新 型的p i d 控制算法神经网络p i d 算法应用于试验机控制的可行性，试图实现p i d 参数的在线整定”。 1 3 直接数字控制技术的介绍卜一。 随着计算机技术在流体控制系统中的大量应用，流体控制元件的数字化成了 一种必然的趋势。图1 5 是直接数字控制技术应用于水泥压力试验机的控制系统 图 4 塑坚三些查兰堡主兰篁丝茎 1 一微机2 一打印机3 一控制器4 一步进电机 瞎b 嚣，一放大器 6 一压力信感器 7 一= 位三遇数字稠( 莆安全丽，8 一试块9 一油缸1 0 一视架 1 l 一手动卸荷嗣 1 2 一手动加燃融氚节流闲1 3 一泵1 4 一油葙 p 一进油口 一工作油口t 一回油口 圈卜一53 0 吨水泥压力试验机电液直接控制系统 采用传统的比例润或伺服阀等模拟信号控制元件构成的系统一般通过d ，a 接 口实现数字控制，这是国内外液压数字控制流行的办法。这是一种间接数字控制 的方法，这种方法存在如下的缺点： 由于控制器中存在着模拟电路，易于产生温漂和零漂，这不仅使得系统易 受温度变化的影响炯时，也使得控制器对阀本身的非线性因素如死区、滞环等难 以实现彻底补偿。 增加了d a 接口电路。 用于驱动比例阀和伺服阀的比例电磁铁和力矩马达存在着固有的磁滞现 象，导致阀的外控特性表现出2 一8 的滞环。采用阀芯位置检测和反馈等闭环控 制的方法可以基本消除比例阀的滞环但却使阀的成本大大增加。 由于结构特点所决定，比例电磁铁的磁路一般只能由整体式磁性材料构 成，在高频信号作用下，由铁损而引起的温升较为严重。 与间接方法相比，有两种直接数字控制方法各受人们关注。其一是对高速开 关阀的p w m ( 脉宽调制) 控制。通过控制开关元件的通断的时间比，以获得在某一 段时间内流量的平均值，进而实现对下一级执行机构的控制。在流体动力系统中， 浙江1 = 业丈学硕士学位论文 这种控制方式的控制信号是开关量，因而本质上是直接数字控制。该思想源于电 机的p w m 控制，流体动力的p w m 控制最早开始于5 0 年代末电液伺服阀的开关 特性的研究。从那时起特别是自8 0 年代以后，人们对电液控制系统p w m 控制性 能提高及工程实际应用做了大量的工作。该控制方式具有不堵塞、抗污染能力强 及结构简单的优点。但是存在以下的缺点： 由于高速开关阀的p w m 控制最终表现为一种机械信号的调制，噪声大， 易于诱发管路中的压力脉冲和冲击，从而影响元件自身和系统的寿命及工作可靠 性。 元件的输入与输出之间没有严格的比例关系，一般不能用于开环控制。 控制特性受机械调制频率不易提高的限制。 其二是利用数字执行元件步进电机加适当的旋转一直线运动转换机构驱动阀 芯实现直接数字控制。由于这类数字控制元件一般按步迸的方式工作，因而常称 为步进式数字阀或离散式比例阀。通过合理的设计，这类阀具有重复精度高及无 滞环的优点。但是，步迸式数字阀是通过阀芯的步进运动将输入的信号量化为相 应的步数( 脉冲数) ，因而存在着量化误差，通过增加阀的工作步数可以减少量化误 差，但却使阀的响应速度大大降低。为此可以通过对步进电机进行细分的方法， 来解决这个矛盾。图1 6 是应用了分级比例控制前后阀的输入输出特性曲线，其 主要思想便是将控制阀的整个工作区间分作数段，在每一段内执行独立的比例控 制，这样，比例控制的多种非线性缺陷将会随着所取分级数的增加而减小。这样 做很好地削弱了比例阀所固有的滞环、饱和及分辨率等非线性特征，使控制精度 有了极大提高。 1 0 0 8 0 s 6 0 丑 辞4 0 2 0 。 2 。 ”输入( 绚6 0 8 01 0 0 a 伺服，比例( 单级) 控制 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 0 0 8 0 s 6 。 丑 辑4 0 2 0 o 第三级 一 第一级 二级 一j 4 06 08 01 0 0 输入( ) b 分级比例控制 图l 一6 分级比例控制的特性 水泥材料试验机典型加载曲线如图1 7 ，在此曲线中，规定标准水泥试块加载 速率为2 4 s ，从图可看出，除了开始一段区域外，整个加载过程显示出线性特 征。由于加载范围较大，曲线脉动不明显。图1 8 给出了加载速率分析图，加载速 率可理解为每秒钟载荷的增加值。从图可明显看到，加载曲线速率值在2 4 f 1 o 0 2 ) 区域内振荡，开始4 秒钟后加载速率趋于稳定。根据水泥材料试验机i s o 标准， 电液加载子系统的加载速率在2 4 k n s 市时，应保证误差小于7 ，保载误差保 持在o 2 之内。应用分级控制后，此两项值分别被限制在2 和0 0 5 以内，其他 性能指标也均有提升3 一t “。 幽1 7 载荷曲线 享l8 邑 * 嘲l2 铺 异 ，2 4 ( 1 _ + o0 2 ) k n 如 、24 ( 1 0 0 2 ) k n 如 4 87 2 9 6 】2 0 时阃( 蝴 加载速率 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 论文的主要研究内容 研究证明试验机测试得到的机械强度参数与加载速率有很大的关系，因此， 保证加载速度在给定的恒定值对于准确地、科学地测量试体的强度非常重要。通 过采用性能优越的控制元件和高效的控制算法，在没有大幅提高试验机成本的情 况下，将加载速度在设定值附近的浮动的范围尽量减小，这是当前迫切需要解决 的问题之一。本课题在对试验机液压加载子系统进行开环仿真的基础上，分析了 环境因素对试验机综合性能的影响；通过实验将微小数字流量阀应用于闭环系统， 实现试验机加载的直接数字控制；并就传统p i d 算法的缺陷提出b p 神经网络p i d 参数的自整定算法，用此算法进行了仿真分析，研究其应用于试验机控制方案的 可行性。 根据实际情况，建立和分析试验机系统的理论模型； 对试验机系统的动静特性进行非线性仿真，分析环境因素对系统性能的影 响： 对闭环系统理论模型进行线性化，得出简化模型，利用数字阀作为反馈元 件，进行p i d 校正； 实验验证p i d 控制参数变化对试验机性能的影响，并就实验结果进行分析； 探讨了神经网络的研究现状及发展趋势； 应用b p 神经网络p i d 控制算法对p i d 参数进行整定，研究其应用于试验 机控制算法的可行性。 1 5 本章小结 本章首先阐明了将水泥压力试验控制系统作为研究对象的意义，然后在此基 础上回顾了国内外水泥压力试验机的应用和研究情况，归纳了水泥压力试验机的 基本控制原理，由此得出论文选题的重要意义。在上述基础上，提出本论文的基 本思路和主要研究内容。 堑坚三些盔兰堡主堂焦笙茎一 第二章试验机静态数学建模与仿真 2 1 试验机工作原理 2 1 1 试验机工作原理图 试验机的液压系统工作原理图如下 1 定量柱塞泵2 溢流节流阀3 定差镒流阀 4 节流阀5 数字阀6 安全阀 图2 1 试验机的液压系统工作原理图 系统由定量柱塞泵供油，数字阀5 关闭时，回路由节流阀4 进行调速，压力 补偿由定差溢流阀( 稳压溢流阀) 3 实现，两者并联组成一个溢流节流型调速阀2 。 加定差溢流阀压力补偿的主要目的有两个方面：1 、减小系统的压力损失( 系统的 压力在加载过程中是变化的) ，以减小油温升高；2 、定差溢流阀通过合理的设计 对柱塞泵因流量脉动而引起的系统压力脉动具有滤波作用。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 溢流节流阀”7 。8 1 图2 2 是溢流节流阀的结构示意图 进泊口p l d 豳 o 9 山 、稳压豢流闽 一 、节流阀 安全阀 图2 2溢流节流型调速阀 溢流节流阀由一个起稳压作用的溢流阀和节流阀并联组成，其节流阀部分采 用偏心式结构，旋转调节手轮便能改变节流口的过流面积，从而实现对流量的控 制。一般在定差溢流阀中带有安全阀，以防止系统过载。 溢流节流阀一般安装在进油路上，进油腔a 与液压泵连接，出油腔p ：与执行 元件连接，回油腔“0 ”与油箱连接。 液压泵输出的压力油一部分经节流阀节流后流入执行机构，另一部分经溢流 阀由回油口流回油箱。出油腔的油夜压力通过阀体上的通油孔反馈至溢流阀芯大 段左端的承压面上，其作用面积为三芋。进油腔油液压力通过阀体上的通油孔， 反馈至溢流阀芯小段右端的承压面和大段右端环形承压面上，其总的作用面积亦 、，丌d 2 为o 4 当阀处在稳定工作状态时溢流阀芯的受力平衡方程式为( 忽略液流力和摩擦 阻力) ： p 。华诅孚+ f ( 2 _ 1 ) p t 丁2 p z 丁+ f ( 21 ) 浙江工业大学硕士学位论文 f 为弹簧力。则： 卸：阢一岛：圣。常数( 公斤力厘米z ) ( 2 2 ) 卸= n p 2 = = 矿吊致。公门。7 崖不 、 由于溢流阀弹簧力近乎于一个常数，溢流阀芯承压面积亦是一个常数。因此 卸= p 、一p ：也就近似于是一个常数，与外界负载无关。即当溢流节流阀的节流口 开度一定时，流经的流量不受出油腔油液压力( 即负载压力p ：) 的影响，能近似 地保持不变。 采用溢流节流阀作流量控制元件的节流调速系统，液压泵不是在恒压力下工 作，而是随外负载的变化而变化，当外负载减小时，泵的供油压力也随之降低。 这样可以减小泵的负荷，减少动力损耗和系统发热，并能改善溢流阀的调节性能。 因此系统功率的消耗较小，发热量也较少。 2 1 3 定差溢流阀阀口开度 定差溢流阀阀口的开度与其移动的距离z 为非线性关系，阀芯开口面积示意图 如图2 3 一= 二玎 图2 3 溢流阀阀芯开口面积 则当阀芯移动x ，溢流阀实际开口面积应为图中阴影部分在阀芯表面上的投 影，其面积表达式如下： 浙江工业大学硕士学位论文 式中 扣【r 2 腻军- ( ，叫厨】s i n 詈( 2 _ 3 ) ，通油孔半径 = 1 5 。 图2 4 即为阀芯开度与通流截面积的非线性关系曲线。 o 量。 寸 0 o 0 o0 2 o 4 0 608 j ( m m ) 图2 4 阀芯开度与通流截面积关系曲线 2 2 试验机静态数学模型 1 9 一， 假设回油压力恒为零，根据图2 1 进行分析，可得出描述试验机静态特性的 基本方程如下： ( 1 ) 流量连续方程 泵出n 流量部分流经节流阀补充油缸负载腔，其余流量经定差溢流阀流回 浙江工业大学硕士学位论文 油箱 q ，= q 。+ q ， ( 2 4 ) 静态时，流入液压缸流量全部从缸壁间隙泄漏回油箱，使油缸进出流量达到 平衡，活塞保持固定位置。因此有 式中 q 1 = g q ，泵的输出流量： q 定差溢流阀的溢流流量 q 1 通过节流口的流量； 绞液压缸的泄漏流量。 ( 2 ) 阀芯平衡方程 对定差溢流阀有力平衡方程 ( 0 一e ) 爿。= 髟o + ) + f 静态时有 由以上四式可知材料机的静态数学模型如下： l g = q - + g q l = 呸 【( p ，一p ) 爿。= 七( x o + z ) + f 峨a j 跖j q y ：cd a ? 涟p p vp g = 鼍”。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2l o ) 浙江工业大学硕士学位论文 其中 f = 蜴w 姐嘶矿= 暇c 吾驴s i 嘶扩 肾冀d j p 。泵输出压力； 见节流阀出口压力 c d 流量系数； p 油液密度； v 一一定差溢流阀控制口液流速度； q 油缸活塞直径； 弹簧预压缩量； z 定差溢流阀阀芯位移量； 占。油缸活塞与缸壁间隙； f 加在油缸上的静负载； 爿油缸活塞横截面积； 一一油液的动力粘度； 工。一一活塞与缸壁接触部分长度； s 一一活塞偏心量： 4 。定差溢流阀阀芯横截面积； 互定差溢流阀芯上的稳态液动力。 ( 2 一1 1 ) ( 2 一1 2 ) 将( 2 8 ) ( 2 一1 2 ) 式代入试验机静态数学模型中，得到方程组( 2 一1 3 ) 。用牛顿 迭代法解此方程组，其主要参数如表2 一l ： 4 塑坚三些奎堂曼! ：堂壁堡茎 一 肾讲j 鼯二岷a ? 鼯p 叫，乒鬲= 篆蹦& 2 ， 4 f 既2 砑 ( p 。一p l ) 彳。= 厅( x o + x ) + c 表2 1 柱塞泵排量2 5 l m i n油液密度 9 0 0 k m 3 油液动力粘度 0 4 1 n s m 。 油缸柱塞间隙 2 5 u m 油缸柱塞有效长度2 5 0 m m定差阀调定压差 8 b a r 油缸柱塞直径 1 4 0r 砌定差阀弹簧刚度1 1 5 0 0 n m 定差阀阀芯直径1 6 m m静负载1 0 0 k n 2 3 静态模型的仿真分析 拿 旦 爨 慧 负载压力( m p 曲 图2 5 静态时负载压力流量特性 塑垩三些查堂婴主堂堕笙苎 一 图2 5 是系统静态时压力流量特性的仿真曲线。由图可以看出，负载流量即 通过节流阀的流量仅与节流阀阀口面积爿，有关，与负载压力无关。当节流阀阀口 面积恒定时，不管负载压力p ，如何变化，流经节流阀阀口的流量近似为恒值， 这从图中曲线近似为直线可以看出。因此，试验机液压系统具有较好的抗负载特 性，系统刚度较高。 图2 6 节流阀开口与负载压力关系曲线 由图2 6 可以看出，当节流阀开口面积增大，系统的负载压力也随之增大， 理论上两者应为线性关系，可以通过增大节流阀开口面积来控制进入油缸的流量， 使负载压力增大，从而达到变量调速的目的。但由于油缸存在泄漏，泄漏流量与 负载压力耽成正比，故当负载压力加大时，节流阀实际开口要比理论值稍大，以 补充增大的泄漏量，两者呈非线性关系。 由于泵的全部流量一部分经节流阀流入油缸，其余油液经由定差溢流阀溢流回 油箱，故增大爿，使负载压力增大时，流经节流阀的流量q 1 增大，相应地溢流回油 浙江工业大学硕士学位论文 箱的流量q ，就要减小，故定差溢流阀阀口关小。阀芯位移x 与负载压力关系曲线 如图2 7 。可以看出，负载压力p 。增大，x 减小。 在p ，增大过程中，由于定差溢流阀的作用，阀两端压力差要保持恒定，故阀 芯向左移动，阀开口减小，液阻增大，泵出口压力随着增大，阀芯重新右移，方 程( p 。一既) 4 e = 庠( + x ) + c 重新平衡；但由于x 最终减小，( 稳态液动力e 变化 相比h 显得很小，可不予考虑) 所以卸= p 。一儿也将减小，即当负载压力增大时， 定差溢流阀两端压差会稍降。变化曲线如图2 8 。 图2 7 阀芯位移与负载压力关系曲线 图2 8 负载压力与定差阀压差关系曲线 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章首先对试验机液压系统作了简要介绍；接着根据系统工作原理图建立了 静态数学模型，确定各部分工作参数与结构参数，并用牛顿迭代法对系统静态模 型进行数字仿真；最后根据仿真结果分析了静态时试验机液压加载系统的工作特 性，得到静态工作点，为动态模型的仿真奠定基础。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章试验机的动态建模与分析 3 1 试验机动态方程建模 图3 1动态系统图 动态时，系统形成三个容腔，即油泵容腔、定差溢流阀容腔和液压 缸容腔。泵输出流量除经定差溢流阀阀口溢流回油箱及流经节流阀的流 量外，还在泵腔内形成压缩量；另外还需补充由于定差溢流阀阀芯位移 而引起的阀腔流量。故： 绯= q l + g + 去誓讹， ，) 式中 圪一一泵腔容积 浙江l t 业大学顽士学位论文 卢。一一油液的体积弹性模数 v ，一定差溢流阀阀运动速度 流经节流阀口的流量一部分经，余下的流入液压缸 成压缩容腔及经由活塞与缸壁间隙泄漏回油箱。因此有 q 1 = q 3 + q 2 g = 4 老+ 妻警+ g 式中 又有： 式中 n 一7 四9 6 9 3 p 绞2 寄 易一一进入液压缸的流量 q 3 一一经液阻r 进入阀腔的流量 y 一一液压缸柱塞位移 k 一一液压缸容腔体积 q 2 = c 。( p 一p 。) q 吟妄一参等 级= c ，4 g 。c 一4 s i 印( 以一九) 一液阻r 的流量系数 凡一定差溢流闺右端压力 k 一一定差溢流阀阀腔容积 f 21 1 石旧，一n j 在液压缸内形 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 37 ) ( 3 8 ) 巨怕 浙江工业大学硕士学位论文 其中 驴c 4 莎均4 ，s i 础，讯，后矿州+ 象鲁。， 篡岍历嘞耱争 竺；：；c + l s e 2 ，+ qc p 。一p 。， 、 厶篆一舞，等吲旷玎) ( 3 _ 彭( 乃吼f ) _ m 窘州”卅坟妄+ f ( 3 _ 1 2 ) 州邓+ 肘碧+ 罢岷y 1 3 ) 曰。一阀芯粘性阻力系数； 曰。一油缸柱塞粘性阻力系数 一一负载弹簧剐度 州一定差溢流阀阀芯质量； m 一一液压缸活塞当量质量。 由( 3 _ 9 ) ( 3 - 1 3 ) ，又v ，= 妄，。= 鲁则可写出系统动态模 型的状态方程如下： 浙江工业大学硕士学位论文 鲁= 等价叫，居旷卿毗咄) 居吼m 警2 告 c 扣g 咖，吼) 居协啊h _ 一饥一c 妇c 吼f ) 警= 告协v ，+ c c ( 驴删 警= 击协( 矿h ( ”矿即。卅 盯v ，1 i 。亩 儿加卜占s ，川 出 面2 叱 幽 素， 3 2 试验机动态仿真与分析。z ( 3 1 4 ) 将系统在静态时的一个已知点作为初始值，此初始值由静态仿真算得，其值 如下： 泵出口压力： p 。o = 7 3 4 0 6 1 0 6 负载压力： 吼o = 6 4 9 6 】x 1 0 6 阀芯初始位移： 瓦= 4 7 2 0 8 1 0 _ 4 节流阀开口面积： 爿，o = 3 8 7 8 9 1 0 一7 n m 2 n m 2 m m 2 假设液压缸活塞完全偏心，即s = l ，此时液压缸泄漏量最大。用四 阶龙格一库塔法对上面的7 阶微分方程组( 3 一l 4 ) 进行数值积分。给系统 一个阶跃响应，即令节流阀丌口4 突然增大，则可得系统对阶跃信号的 动态仿真曲线。 浙江工业大学硕士学位论文 表3 1 油液体积弹性模数1 2 0 0 m p a柱塞粘性阻力系数 2 0 0 0n s m 定差阀腔容积 0 o l l阀芯粘性阻力系数1 0 0 0n ts 抽 泵腔容积 o 1l液阻r 的流量系数 4 8 9 1 0 一“m5 n s 液压缸容腔体积0 1l活塞当量质量 5 0 b 定差阀阀芯质量 0 1k g 负载弹簧刚度 5 1 0 9n m 图3 2负载压力的阶跃变化 由图3 2 可以看出，给节流阀开口一个阶跃信号后，由于节流阀开 口增大，则流入液压缸的流量增加，因此液压缸容腔内油液压缩量增大， 压力上升，即负载压力见上升。由式( 3 4 ) 知耽与液压缸泄漏流量q 。成 正比，因此液压缸泄漏量也相应增大，经过一段时间后，进入液压缸的 流量与泄漏回油箱的流量趋于相等，则系统重新达到平衡状态，负载压 力变为一个新的稳定值。 浙江工业大学硕学位论文 图3 3 泵出口压力的阶跃变化 图34 定差阀阀芯也侧压力 2 4 浙江工业大学硕士学位论文 由图3 3 可以看出，给节流阀开口一个阶跃信号后，泵出口压力并 非立即增大，而是先有一个较小的下降段，然后再上升，经过段时间 后趋于稳定。这是因为当节流阀阀口突然增大瞬间，节流阀两端压力来 不及变化，通过节流阀的流量突然增加，由于泵容腔的存在，容腔内的 油液将有一部分去补充这一突增量，致使泵容腔内流量释放，泵出口压 力随之下降。但随着增大部分流量进入油缸，液压缸容腔内的压力将会 上升，即负载压力仇上升，则儿也上升；由于定差溢流阀的作用，其进 出口压差p 。一p 。要保持不变，故当泵容腔内流量得到补充，其出口压力 p ，必然随着负载压力耽的增大而增大，最后达到个新的平衡点。 在此过程中，由于定差阀阀芯位置有微小变化，其两端压差p 。一p 。 并不是保持完全不变，但从图3 5 可看出，其变化量很小。 图3 5 压差p 。一p l 变化曲线 浙江工业大学硕士学位论文 o 4 8 o4 7 x ( m m ) o 4 6 0 4 5 o 4 4 o 。0 0o ，4 0 o 8 0 ，、 z 2 01 6 8 f ( s ) 圈3 6 定差阀阀芯位移曲线 0 0 0 o 4 0 o 8 0 f 矗1 】- 2 01 6 0 图3 7 液压缸活塞位移 浙江工业大学硕士学位论文 图3 6 和图3 7 分别是定差阀阀芯与液压缸活塞位移曲线，由图 可知压力阶跃上升过程中，定差阀芯在连续振荡中趋于开度减小，在此 过程中调节定差阀开口液阻，保持润芯两端压差恒定。而液压缸活塞位 移理论上应为阶跃变化的曲线，但由于负载刚度很大，故位移非常小， 所以图3 7 纵坐标刻度基本不变。 3 3 环境因素的影响 3 3 1 阶跃幅值不同时的响应情况 oo 0 4 08 1 2 f ( s ) 图3 8 不同幅值的阶跃响应 图3 8 是节流阀开口阶跃幅值不同时负载压力的阶跃响应。可以看 出，阶跃信号大小只改变稳态结果，对系统响应速度并无影响。 3 3 2 负载刚度的影晌 塑垩三些查堂堡主兰垡垒苎 图3 9负载刚度变化对阶跃响应的影响 如图3 9 ，负载刚度( 试体刚度) 足。的大小不仅影响系统的响应速 度，还影响系统的稳定性；k 。增大，响应速度变快，动态特性较好，k 。 减小，响应速度变慢，动态特性变差，甚至出现不稳定。 3 3 ，3 油液体积模数的影响”1 如图3 1 0 所示：低压时混入油中的空气对体积弹性模数卢。值影响特别严 重，提高工作压力对于提高卢。值有利。此外为了不致使卢。值过分降低，采用各种 措施减少空气的混入也是非常必要的。如果能够完全避免混入空气，体积弹性模 数便是常数，计算时可取卢。= 1 3 8 0 ( m p a ) 。但这是理想的情况，一般是难以做到的。 般工程计算时都取p 。= 6 9 0 ( m p a ) ，这样的取值与实际比较吻合。 塑垩三些查兰堡主兰焦堡奎 纯油 气_ 一一 厂 o 。 ( 2 ) 当p ( j ) i s 时，也即偏差值e ( 后) 比较大时，采用p d 控制，可避免过大的 超调，又使系统有较快的响应。 ( 3 ) 当le ( 七) 巨s 时，也即偏差值ib ( 女) 比较小时，采用p i d 控制，可保证系统 的控制精度。 4 4 2 遇限削弱积分p l d 控制算法 积分分离p i d 控制算法在开始时不积分，而遇限削弱积分p i d 控制算法则正 好与之相反，一开始就积分，进入限制范围后即停止积分。遇限削弱积分p i d 控 制算法的基本思想是：当控制进入饱和区以后，便不再进行积分项的累加，而只削 弱积分的运算。因而，在计算( ) 时，先判断“( 七一1 ) 是否己超出限制值。若 “( 一1 ) “。，则只累加负偏差：若“( 七一1 ) “。，则累加正偏差。这种算法可以 避免控制量长时间停留在饱和区。 4 4 3 不完全微分p i d 控制算法 微分环节的引入，改善了系统的动态特性，但对于干扰特别敏感。克服这个 缺点的方法之一是，在p i d 算法中加一个一阶惯性环节( 低通滤波 器) g ，( s ) 2 + 弓。) 。尽管不完全微分算法比普通p i d 控制算法要复杂些，但 由于其良好的控制特性，还是比较广泛地得到应用。 4 4 - 4 微分先行p i d 控制算法 微分先行p i d 控制的特点是只对输出量c ( f ) 进行微分，而对给定值r ( f ) 不作微 分。这样，在改变给定值时，输出不会改变，而被控量的变化，通常总是比较缓 和的。这种输出量先行微分控制适用于给定值，( f ) 频繁升降的场合，可以避免给定 浙江工业大学硕士学位论文 值升降时所引起的系统振荡，明显地政善了系统的动态特性。 4 4 5 带死区的pj d 控制算法 在计算机控制系统中，某些系统为了避免控制动作的过于频繁，消除由于频 繁动作所引起的振荡，可采用带死区的p i d 控制，其控制算式为 e c t ，= 未七，雪；：；：；未：； c a s ， 式中是一个可调的参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。若值 太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；若e n 值太大，则系统 将产生较大的滞后。此控制系统实际上是一个非线性系统。即当le ( 七) 蚓e 。l 时，数 字调节器输出为零：当 p ( 东) p l 时，数字调节器有p i d 输出。 4 4 6 分布参数数字p i d 控制算法 所谓”满意”的调节效果，是随不同的对象和控制要求而异的。此外，p i d 调节 器的参数对控制质量的影响不十分敏感，因而在整定中参数的选定并不是唯一的。 事实上，在比例、积分、微分三部分产生的控制作用中，某部分的减小往往可出 其它部分的增大来补偿。因此，用不同的整定参数完全有可能得到同样的控制效 果。从应用的角度看，只要被控过程主要指标已达到设计要求，那么即可选定相 应的调节器参数为有效的控制参数 4 5 试验机闭环系统的线性数学模型及其简化1 3 8 一 用数字阀闭环后试验机电液反馈系统框图简图如图4 5 浙江工业大学硕士学位论文 闺4 5试验机电液反馈系统框图 图中k 。、g 。、足。分别为系统的压力反馈环节、延时环节及转换系数环节 k ，形( s ) 为数字阀环节，k 。为数字阀流量增益。 将z 。一f 部分整理为： 式中 嚣2 万蒜舞静6 )以o 筹 c 等+ 筹矿+ c 等+ 竿等“” 疋数字阀流量增益； c ，液压缸漏损系数： 由于液压固有频率很大，故( 4 6 ) 可简化为一阶惯性环节，其近似传递函数为 ，( s ) z 。( j ) 系统线性化模型闭环后仿真曲线如图 “一7 ) 浙江工业大学硕士学位论文 图4 6闭环系统单位阶跃响应 应用增量式p i d 控制算法，取k ，= 1 0 ，k ，= 0 1 ，足。= 0 0 l ，系统闭环模型 对单位阶跃信号的响应如图4 7 ，为比较两者控制效果，将应用p i d 控制前的控制 曲线画在同一张图上。比较后可以看出，应用了p i d 控制算法后的系统响应速度 明显加快，控制性能较p i d 控制前为好。 浙江工业大学硕士学