（机械电子工程专业论文）大型柱状构件耐火试验炉电液伺服加载系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 一直以来，火灾防控是人类的艰巨任务，建筑构件的耐火性能和承载能力 是结构工程领域里的一个重点难题。本文以大型柱状构件耐火试验炉的电液伺 服加载系统为研究对象，通过对系统存在的非线性性，复杂的干扰等特性的研 究，建立了系统的数学模型，并基于该模型进行了相关的仿真分析；随后结合 常规p i d 控制策略和智能控制技术，设计了一种适用于电液伺服控制系统的非 线性模期自适应p i d 控制器；通过仿真和实验研究，验证了该控制策略具有较 强的鲁棒性和良好的控制效果。论文主要内容： 第一章：介绍了进行建筑构件的耐火性能研究的重要性，探讨了电液伺服 加载技术的研究现状最后概括了论文的选题意义及研究内容。 第二章：详细阐述了电液伺服加载系统的总体结构，完成了液压系统与电 气控制系统的设计和关键元件选型，为进一步建立系统模型打下基础。 第三章：通过电液伺服加载系统理论分析与推导，建立了阀控柱塞缸电液 伺服加载系统的线性化和非线性数学模型，对两种模型进行了仿真分析，并对 负载特性进行了详尽的分析，表明了研究非线性及智能控制策略的必要性。 第四章：在理论分析的基础上，针对系统的非线性特性与复杂的干扰，设 计了一种非线性模糊自适应p i d 控制器，通过仿真分析表明该控制器较常规p i d 具有较强的鲁棒性和较好的控制效果。在p l c 在实现了该控制算法，并进行了 实验研究，实验结果进一步表明了所设计的模糊自适应p i d 控制器实际应用的 有效性。 第五章：完成加载系统的软件设计，包括上位机与p l c 的通信程序和上位 机监控界面的设计 第六章：对所做的工作进行了总结，并对下一步的研究工作作了展望。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a 1 1a l o n g f l r ep r e v e n t i o na n dc o n t r o li st h ea r d u o u st a s ko fh u m a nb e i n g s b u i l d i n gc o m p o n e n t s f i r e r e s i s t a n tp r o p e r t i e sa n dt h ec a r r y i n g c a p a c i t yi sak e y p r o b l e mi nt h ef i e l do fs t r u c t u r a le n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r , e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v o l o a d i n gs y s t e ms p p l i e do nl a r g ec o l u m n a rc o m p o n e n tf i r er e s i s t a n c et e s te q u i p m e n t i ss t u d i e d b yr e s e a r c h i n go nt h en o n l i n e a rn a t u r ea n dc o m p l i c a t e dd i s t u r bo ft h e s y s t e m t h es y s t e m sm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e d t h e n c o m b i n e dv v i t l lc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o ls t r a t e g i e sa n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y ， f u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d t 1 1 ea l g o r i t h mi sd i s c u s s e di nd e t a i l 1 1 1 e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d i e ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sr o b u s ta n dg o o d c o n t r 0 1 n l ep a p e r sm a i nc o n t e n t ： i nc h a p t e r1 f i r s t l yi n t r o d u c et h ei m p o r t a n c eo ft h er e s e a r c ho nt h ef i r e r e s i s t a n t p r o p e r t i e s o fb u i l d i n gc o m p o n e n t s ，d i s c u s st h et e c h n o l o g yo fe l e c t r o h y d r a u l i c s e r v ol o a d i n gs y s t e m f i n a l l yb r i n gf o r w a r dt h es i g n i f i c a n c eo ft h ep r o j e c ta n dt h e r e s e a r c hc o n t e n t i nc h a p t e r2 ，d e t a i lt h es t r u c t u r eo ft h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ol o a d i n gs y r s t e m s p p l i e do nl a r g ec o l a n m a rc o m p o n e n tf i r er e s i s t a n c et e s te q u i p m e n t , i n c l u d i n gt h e h y d r a u l i cs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m ，c o m p l e t ed e s i g no ft h es y s t e ma n ds e l e c t i o no f k e yc o m p o n e n t s 1 a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ee s t a b l i s h m e n to fm o d e lt of u r t h e r i nc h a p t e r3 b vt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e r i v a t i o no ft h ee l e c t r o h y d r a u l i c s e r v ol o a d i n gs y s t e m e s t a b l i s ht h el i n e a ra n dn o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e p l u n g e r - c y l i n d e rv a l v e - c o n t r o l l e de l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ol o a d i n gs y s t e m , t h r o u g h s i m u l a t i o na n a l y s i s s h o wt h a tt h es t u d yo fn o n l i n e a ra n di n t e l l i g e n tc o n t r o l s t r a t e g yi sn e c e s s a r y , a n a l y s et h el o a dc h a r a c t e r i s t i c so f t h el o a d i n gs y s t e mi nd e t a i l i nc h a p t e r4 ，o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a i m e da tn o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p l i c a t e dd i s t u r bo ft h es y s t e m , d e s i g nan o n l i n e a rf u z z y a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ra p p l i c a b l et oe l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ol o a d i n gs y s t e m ，a n d a c h i e v et h ec o n t r 0 1a l g o r i t h m si nt h ep l c ，s 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 l s t u d i e ss h o w e dt h a tt h ef u z z ya d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri sb e t t e rr o b u s ta n dh a v e b e t t e rc o n t r o lr e s u l tt h a nc o n v e n t i o n a lp i d i nc h a p t e r5 ，c o m p l e t eo ft h e s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h ep ca n d p l cc o m m u n i c a t i o n sp r o c e d u r e sa n dh o s tc o m p u t e ri n t e r f a c ed e s i g n i nc h a p t e r6 ，s u mu pt h ew h o l ep a p e r , a n de x p l a i ns o m eo b j e c t sn e e dt ob e f u r t h e rr e s e a r c h e di no r d e rt og u i d et h en e x ts t e pw o r k k e y w o r d s ：b u i l d i n gc o m p o n e n t s ，e l e c t r o - h y d r a u l i cs e l n o ，n o n l i n e a rc o n t r o l ，f u z z y a d a p t i v ep i d i i i 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 ! 导的研究成果。 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，也不包含为获得堂鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书两使用过的材料。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。 学位论文作者签名：周互髟签字日期：丑，刃年6 月1 2 - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘姿态茎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。本人授权逝姿盘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) 学位论文作者签名：周互髟 导师签名： 签字日期：少d 乃年6 月肛日 签字日期： 少驴万年6 月1 2 一日 浙r l ：大学硕士学位论文 致谢 本论文是在我的导师李世伦副教授的亲切关怀和悉心指导之下完成的，在 设计过程中，自始自终凝聚着导师的心血。恩师治学严谨，学识渊博，思想深 邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。使我不仅接受了全新的思想 观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方 法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理在此，再一次向两年多来 一直关心我、指导我的李老师致以深深的感谢。在课题研究过程中得到了顾临 怡老师的大力指导和帮助，他在很多方面给了我许多创造性的建议，没有他的 帮助和支持，课题不可能如此快的进展，在此向他表示我由衷的感谢。 在此我还要感谢王峰、侯继伟、罗高生、李峰、王天字、葛朝平、阳兵兵、 周博、魏光超、叶欣、李华凤、吴阳博等同门的大力支持，他们在课题的研究 过程中，给了我很大的启发，开阔了本人的思路，并帮助本人做了许多工作， 在此表示衷心的感谢。 最后，我要感谢我的父母，他们一直默默的支持、鼓励我，使我能安心完 成学业，树立正确的人生目标。没有他们含辛茹苦的培养就没有今天的我，在 这里我要祝他们身体永远健康。 周立民 2 0 0 8 年6 月于求是园 浙 学螂i 学n 呛文 绪论 l 绪论 1 1 论文研究背景 火灾是失去控制的灾害性的燃烧现象，是发生最频繁且极具毁灭性灾害之 一。火灾伴随火的发明和利用而产生，与人类文明的发展有着密切的关系。火 灾造成的直接损失约为地震的5 倍，仅次于干旱和洪涝，而发生的频度却居干 各种灾害之首。 建筑火灾一般是指危害建筑物中生命、财产及建筑物本身的一种火灾，相 对与其他火灾形式，它的破坏程度“及人员及财产损害的密集程度都大大增大。 随着建筑物火灾发生的次数增多，每次火灾造成的生命和财产损失也加大。图 1 - l 是浙江某地发生火灾时，被烧毁的民房。 囤l _ 1 火灾中被烧毁的民房 建筑火灾除了直接危害人类的生命财产以外，对建筑结构也产生明显不利 影响，建筑结构在火灾中严重破坏甚至倒塌的情况屡有发生。经济社会发展带 来的巨大消防安全需求和科学技术的不断进步，推动了火灾科学和消防技术的 长足发展。建筑结构耐火性能评价与抗火设计技术研究是我国消防科学技术发 展的重要方向之一。 建筑结构在火灾中严重破坏或倒塌产生的严重后果可以归纳为三点：首先是 浙￥【人学硕学”踺女 绪沦 直接威胁建筑内部居民或工作人员的生命，同时严重威胁消防队员的生命，其次 是给抢救建筑内部的人员和财产造成巨大困难：最后是延长结构恢复周期。为了 避免出现这些严重后果，必须对建筑结构火灾反应进行系统研究，搞清建筑结构 火灾反应规律，台理进行火灾安全设计，使建筑构件具有适当的安全水平 火灾对建筑结构造成危害的原因是火灾产生的高温。火场可燃物产生的热量 通过对流、辐射传到构件表面，再通过热传导，向构件内部传导，导致整个构件 内部温度不均匀升高，构件温度不均匀升高将产生三个方面的影响首先，高温 会使材料弹性模量降低，结构刚度下降；其次，高温使材料强度降低，甚至熔化， 导致结构承载能力下降；第三，构件内部不均匀温升，使构件内部及整个结构中 产生不均匀热膨胀，从而使构件内部及整个结构产生很大的附加应力。三个方面 共同作用的结果是建筑构件变形增大、开裂屈曲、破坏，甚至局部或整体的倒 塌。图12 是在高温作用下，由于弹性模量降低，发生了很大变形的钢粱。 图l - 2 变形的铜粱 目前国内和国际上对建筑构件性能方面的控制包括两个方面的研究一种 是采用基于计算的性能化设计方法，对构件内的温度场进行分析，目前对建筑 构件内部温度场分析的理论方法及计算机程序普遍采用差分法及有限元法。国 内外对大型建筑构件性能控制方面普遍采用的另外一种方法是，先对构件采用 规范化的处理方式，然后通过横仿一定的火灾条件，对建筑构件的耐火极限进 行判定m i i i 建筑构件耐火试验是研究结构耐火性能的重要手段，这类试验一般采用耐 火试验炉( 设备) 进行。耐火试验炉( 设备) 提供一个人造的室内火灾温度场， 浙江大学硕士学位论文 绪论 配合以对试验构件施加的荷载及边界约束，并且在试验构件中布置测温热电偶， 可用于研究构件内部温度场的发展过程以及构件在高温下的承载能力，从而为 建筑构件抗火灾设计及火灾后结构的损伤评估与修复加固提供科学依据。建筑 构件耐火试验炉( 设备) 的研制内容主要由以下几点组成：炉型的确定，温度 和压力的控制，加载系统和数据采集系统。 1 2 国内外建筑构件耐火试验设备现状5 在国外，早期耐火试验始于1 8 世纪9 0 年代的英国伦敦，这些试验用以确 定由铁板和灰泥构成的耐火系统的相关性能。美国最早的耐火试验始于1 8 9 0 年 的丹佛市，主要用于多层建筑的楼板系统试验，随后开展了建筑构件的系统试 验目前各国均对建筑耐火试验设备进行了标准化。如美国的a s t me 1 1 9 建 筑构件和材料的标准耐火试验方法；英国标准b s 4 7 6 1 0 2 1 ：1 9 8 7 建筑材料 和构件的燃烧试验。 国内公安部下属四个消防科学研究所均具有建筑构件进行耐火试验的能力， 建成有可以进行各种承重构件耐火极限试验的设备。公安部四川消防科学研究所 编制了我国第一套建筑构件耐火试验装置；编制了我国第一本建筑构件耐火试验 方法标准。中国建筑科学研究院建筑防火研究所也建成专门进行水平分隔构件耐 火试验的4 5 m x 3 m x l 5 m 的水平燃烧炉；专门进行垂直分隔构件耐火试验的 3 m x 3 m x l m 的垂直燃烧炉；以及专门进行产品中试的兼有水平与垂直功能的 1 5 m x l 5 m 的模型试验炉这些试验装置均满足国家及国际标准的各项技术要 求，适用于科研及检测的双重需要，已完成几百项建筑构件受火性能的研究、咨 询及检测工作公安部天津消防科学研究所是国际标准化组织i s o t c 2 1 、 i s o t c 9 2 s c 2 的技术归口单位；“国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验 测试中心”目前建成了一整套承重构件耐火试验设备台湾省台南防火实验 室耐火构件试验室也建成了建筑构建耐火试验装置( 图卜3 ) 。 一3 一 * z 1 人，硕l 学忸论女 绪论 圈i 3 台湾省台南防火宴验室耐火构件试验室全景 目前国内建筑构件耐火试验炉加载系统存在的局限性： ( 1 j 耐火试验构件尺寸的局限性目前国内外耐火试验设备燃烧炉尺寸不 能满足大开问大尺寸构件的耐火试验要求。 ( 2 ) 加载载荷万面的局限性：目前国内外对试验构件的加载压力方面，水 平耐火炉能：提供0 1 2 0 0 c 温度，能提供1 2 0 0 k n 集中力；垂直耐火炉：提供 0 1 2 0 0 c 温度，能提供5 0 0 k n 集中力。 ( 3 ) 加载压力精度的局限性目前国内的建筑酎火试验设备压力已经宴现 计算机控制，但存在着压力控制精度不高，对过载保护方面要求不高等缺点。 1 3 电液伺服加载控制技术 1 3 1 寝压伺服控制系统概述”i ” 液压伺服控制系统是一种以液压动力机构( 液压马达、液压缸) 作为执行 机构并具有反馈控制的控制系统。它不仅能够自动井准确而快速地复现输入量 的变化规律，而且还能对输入信号实行放大与变换。通过输入小功率的机械或 电的控制信号，可以控制由油泵输出的大功率的液压动力，并经动力执行机构 重新把液压动力转换为机械动力而驱动负载对于机液伺服机构的输入信号， 常是飞行员给定的杆位移或通过其他的小功率的伺服机构给定的机械位移信 号反馈装置可采用电位器、同步器差动变压器等。由于它具有体积小、重 量轻、惯性小、抗干扰能力强、可靠性高而产生力矩大且控制精度高等优点， 因此被广泛应用在航空航天工业中。 浙江大学硕士学位论文绪论 按照被控的物理量来划分，液压伺服控制可分为位置伺服控制，即每给定 一个输入量对应一个确定的输出位移或转角；速度伺服控制，即每给定一个输 入信号对应一个确定的输出速度或角速度；力伺服控制，其输出量是力、力矩 或压力此外还有加速度伺服控制系统等，最主要的是前三种 本篇文章研究的加载系统是属于电液伺服控制系统。电液伺服控制系统的 信息以电信号传递，因此电液伺服具有更大的灵活性。特别是能和计算机结合， 使反应快、刚度大的液压系统有了更加复杂的功能和更加广泛的适应性，更易 于实现自动化控制。 液压伺服控制作为一门新兴的科学技术，它的历史并不长，较早出现的是 机械液压伺服控制，将它用在飞机上就是助力器，它的出现带动了飞机操纵系 统的发展；4 0 年代后，研制成功了电液转换并快速反应的伺服阀，使电液伺服 系统显示出其优越性，因此它被广泛应用于飞机的操纵系统，弹道导弹上摇摆 发动机控制系统及有翼导弹的自动驾驶仪系统中；现代飞机与导弹的飞行控制， 正是由于采用电液伺服控制，提高了飞行控制系统的灵活性与适应性，保证了 飞行器在所有飞行状态下所需的稳定性与操纵性，改善了飞行器的气动性能与 布局，为主动控制技术的实现创造了条件。液压伺服系统的研究与发展对于国 防工业与民用工业的发展，有着重要的意义 1 3 2 电液伺服加载系统的优点 电液伺服加载控制系统具有以下优点： ( 1 ) 通用性好，准确、能复现各种快速变化的函数曲线，使用方便。一般 的加载装置只能实现一种固定的函数曲线，而电液伺服加载控制系统只要将函 数发生器重新调整一下即可改变载荷力 ( 2 ) 结构紧凑，体积小，重量轻而用其它加力装置却常因体积大、笨重， 使实验室无法安装 ( 3 ) 电液伺服加载控制系统较电的加载系统有很大优越性电信号传递速 度快，便于综合校正但作为元件如电动机等却有体积大、重量重、不安全和 易干扰等缺点尤其严重的是惯量大，因此实现快速调节有不少困难。而液压 式的执行机构，如液压缸、液压马达却有体积小重量轻、传动平稳，功率重 量比大、抗干扰力强、输出扭矩惯量比小等优点 一气一 浙江大学硕士学位论文绪论 电液伺服加载控制系统的执行部分、控制部分采用液压元件，而其它部分 均用电子、电气元件，因而它具备了电、液两类系统的优点，克服了两者各自 的缺点，近代各种加载装置许多都采用了电液伺服加载控制系统【9 1 【l 们 1 3 3 电液伺服加载系统面临的问题 在电液伺服控制系统研究中，多少年来，伺服加载控制系统的研究远不如位 置控制系统的研究那么深入并富有成果，究其原因，在于该系统除了具有液压伺 服系统的常见的一类非线性因素影响外( 如液体的体积弹性模量、内摩擦、泄漏 等) 还具有其特有的复杂特性： ( 1 ) 不确定性 电液伺服加载控制系统的对象千差万别，且它对系统的品质及稳定有很大影 响，一方面要经常更换受力对象；另一方面，即使对同一类对象，受力对象也常 常为各向异性的复合材料的壳体，它的应变关系是非线性、未知的，并且试件的 尺寸也经常变动，甚至有些试验是一次性的( 即直到试件被破坏为止) c 2 ) 抑制和消除多余力 多余力是系统中油缸的活塞运动引起的，有时多余力比力函数的最大值还 大。抑制和消除多余力是伺服加载控制系统研制的一个难点。 c3 ) 耦合影响 在进行飞行器或大型受力部件的疲劳试验时，通常需要很多个通道的加载 点，这是一个多输入、多输出系统，并且各个通道间存在着严重的时变非线性交 叉耦合f 9 】f l o 】主要表现为：输入输出闻的耦合，印一个通道的输入会影响另一个 通道的输出；输入间的耦合，由于所有通道共用一个油源，一个通道的负载压力 变化会影响另一个通道的供油压力；试件的变形耦合，即试件受压变形时，将同 时影响每个通道的输出力，试件变形的位置不同，对每个通道输出力的影响程度 也各不相同而试件在什么时候，什么部位，发生什么程度的变形，一般来说， 这在试验前是无法确切知道的。 ( 4 ) 要求点点跟踪力函数 电液伺服加载控制系统的给定值大多是任意函数，如舵面的偏转、起落架和 减速板的收放以及疲劳试验中的随机力函数等。电液伺服加载控制系统要求能够 一6 一 浙江大学硕士学位论文绪论 以很高的精度点点复现随机力函数，所以系统应具有很高的快速性，而且必须是 高阶无静差系统【l i j 。 综上所述，电液伺服加载系统在大多数情况下是一未知不确定非线性系统。 这类系统扰动大、工作范围宽、时变参数多，因而难以建立精确的数学模型。这 些特点对系统的稳定性、动态特性和精度将产生严重的影响，特别是控制精度因 受力对象特性的影响而难以预测 除了上述控制理论方面的问题外，在传统的电液伺服加载控制系统里，核心 元件是伺服阀。但是，伺服阀严格的介质清洁度要求，专门的闭环电路设计要求， 复杂的液路系统，加上昂贵的价格等因素，使其缺点日益突出，随着用户对设备 自动化的要求越来越高，以及电子、计算机技术的普及应用，伺服阀甚至成为电 液控制技术推广的障碍近几年推出的一种新型的伺服比例阀 1 2 1 1 3 】，结构上与 传统的比例阀相同，而性能方面达到了伺服阀各项指标如今，作为连接现代微 电子技术，计算机控制技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，比例技术己在工 业领域获得广泛的应用，正如一些权威人士所指出的那样，它代表着流体控制技 术的方向 1 4 1 1 5 】 1 3 4 电液伺服加载系统的控制策略 电液伺服加载系统中控制理论的应用及发展是随着控制理论的发展而向前 发展的。控制理论的发展过程可以分为三个阶段： ( 1 ) 古典控制理论 古典控制理论主要面向单输入单输出系统，采用传递函数、频率特性，根轨 迹为基础的频域设计方法，古典控制理论至今仍然广泛应用。p i d 控制是随古典 控制理论发展起来具有代表性的控制策略。p i d 控制不需要精确的数学模型，简 单可靠，鲁棒性好，易于实现但对于液压系统来说，因其参数交化较大，p i d 不能取得令人满意的效果。随着智能控制理论和计算机技术的发展，将传统的 p i d 控制与智能控制相互融合出现了诸如模糊自适应p i d 、神经元自适应p i d 、 神经网络p i d 预测p i d 等新型p i d ，它们融合了常规p i d 控制和智能控制的优 点，取得了比较好的控制效果【1 6 1 7 1 1 1 8 】 ( 2 ) 现代控制理论 一7 一 浙江大学硕士学位论文 绪论 现代控制理论基于状态空间法求得精确解，是应用矩阵理论、线性系统理论 的一种时域分析与设计方法。这种方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以 是线性、定常系统，也可以是非线性、时变系统随现代控制理论发展起来的控 制策略主要有最优控制、自适应控制( a c ) 、鲁棒控制( r o b u s t ) 、变结构控制 ( v s c ) 等。因为液压伺服系统本身独有的一些特点，比如难以建立完整的数学 模型、频率响应快等，所以现在在实际工程中采用现代控制理论的不多 1 9 1 1 2 们。 ( 3 ) 智能控制理论 智能控制是自动控制、运筹学和人工智能三个主要学科相互渗透、相互结合 的产物智能控制通过对系统特征的描述和提取、符号和环境的识别、知识库和 推理机的开发以及控制规律的在线学习和修正，使系统对实际环境或过程有一定 的组织、决策和规划的能力，能模拟人的某些智能和经验来控制对象。由于智能 控制在处理液压系统非线性。时交以及摩擦干扰方面具有独特的优势，对于复杂 的液压系统，采用智能控制是很用发展前景的，目前这方面的研究比较多，主要 集中在神经控制和模糊控制以及各种组合，取得了比较好的效果1 2 1 j 1 2 2 l 2 3 】。 对于电液伺服加载控制策略，传统的方法是采用p i d 控制。但随着科学技术 的飞速发展、计算机的广泛应用以及生产自动化水平提高，对力控制的动、静态 精度、使用功能等性能指标提出越来越高的要求，相应也出现了许多新型控制算 法。但p i d 控制在电液伺服加载控制实际应用中，仍占据着重要位置，但普通 p i d 控制器在工况和系统参数变化时，适应性较差，而控制性能指标要求的提高 和计算机的普及又迫切需要应用更高效、实用、简捷的控制策略将p i d 控制和 自适应控制、智能控制等新型控制方法相结合，以适应具有工况复杂，非线性和 参数不确定的电液伺服加载系统，是一条有效的途径。预测控制作为一个新型计 算机控制算法，显示了其强大的生命力，但大多数还是针对线性系统。现有的研 究是将电液伺服加载系统这种非线性系统进行线性化处理而根据液压伺服系统 本身非线性的特点进行控制机理的研究，并提出有效的算法，还需要进一步的工 作。另外，还要对预测控制的滚动优化策略进行研究，使之能够导出鲁棒性更强、 控制效果更好的控制器 对于风鲁棒控制来说，在理论和算法实现上都已经基本成熟，其难点在于 指标的设定和权函数的选取。不同对象、不同设计指标需要不同的权函数，但相 互间并没有特定的规律可循，更多的是依赖于设计者的经验因此形成工程上实 一r 一 浙江大学硕士学位论文 绪论 用的确定加权函数的方法，是研究的一个方向。另外，鼠鲁棒控制的控制器阶 次较高，实现起来比较麻烦。神经网络在电液伺服加载控制中，显示其独特魅力 但目前应用神经网络主要是针对低频电液伺服加载系统进行控制，在高频情况下 如何实现实时控制，还须进一步研究同时对神经网络控制的稳定性，鲁棒性的 理论分析还不够深入1 。 1 4 选题意义与研究内容 1 1 i 课题选题意义 柱状构件是建筑结构的主要承重构件之一，其耐火性能对整个结构的火灾 安全影响巨大。耐火试验是研究柱状构件耐火性能的一种有效途径。本课题要 完成大型柱状构件耐火试验炉的电液伺服加载系统的设计 针对目前国内建筑构件耐火试验设备加载系统存在的局限性，本课题设计 的大型柱状构件耐火试验炉加载系统的加载载荷最高可达到1 5 0 0 0 k n 加载。大 载荷实验可以提高建筑构件试件的范围，且可以开展建筑高楼用构件的耐火性 能检测，弥补了国内空白。本课题采用电液伺服系统作为加载系统，控制精度 可达到3 测试构件尺寸可以达到2 6 m x 2 6 m x ( 3 4 2 ) m ，达到国际先进水 平 1 1 2 课题研究内容 本文的主要研究内容为以下几个方面： ( 1 ) 系统结构设计及建模仿真 完成系统结构设计及关键元件的选取，建立阀控柱塞缸电液伺服加载系统的 数学模型，对系统进行仿真分析，分析负载特性对系统动态响应的影响。 ( 2 ) 控制算法的研究，选择和优化 针对系统的非线性特性与复杂的干扰，根据建立的数学模型以及控制特性分 析，进行控制算法、控制策略的研究与仿真分析 ( 3 ) 实验研究 建立实验系统，进行实验研究，得出相应的结论 一9 一 浙江大学硕士学位论文电液伺服加载系统结构设计 2 电液伺服加载系统结构设计 2 1 引言 电液伺服加载系统用于对柱状建筑构件进行加载试验。静力试验系统是研究 构件性能的一种重要手段，它通过给定值与压力传感器反馈值的差值来动态调节 液压阎开度大小以达到控制参量的目的因此，系统的控制精度及其系统的控制 可靠性就成为考量一个系统性能优劣的两项关键指标我们这里所指的可靠性不 仅包括系统控制过程的可靠性，同时也包括了一旦系统出现失灵，系统所具有的 自保护功能和预警功能 用户按照试验要求设定试验压力，加载系统需快速加载到指定压力，并在这 个加载试验过程中保持足够的加载精度试验结束后，如果试件尚未破坏，应能 立即快速卸荷。系统具有过载保护控制：当试验压力超过最大试验力的2 5 时，系统卸荷；当试件被压垮或油缸运动到极限位置，行程保护，油泵电机停机。 2 2 系统总体结构 图2 - l 系统结构图 电液伺服加载系统由加载系统和试验构件组成，其执行元件采用的是液压 缸。试件是高3 m 的柱状建筑构件，加载试验时，需沿构件轴心方向进行轴心加 载。加载载荷最高可达1 5 0 0 0 k n ，可以进行建筑高楼用建筑构件的耐火性能试验。 电液伺服加载系统采用p l c 作为控制器来控制伺服比例阀的输出，系统的结构 图如图2 - 1 所示。p l c 经过a d 转换采集液压缸的压力和位移等状态形成压力 闭环控制，同时监控位移，判断试件是否被压垮或油缸运动到极限位置，从而实 一l o 浙江大学硕士学位论文电液伺服加载系统结构设计 现过载保护功能。上位机主要负责通过串口与p l c 进行通讯获取p l c 的运行状 态并进行监控。 2 3 液压系统设计与计算 液压系统是电液伺服加载系统重要组成部分，液压系统主要由动力元件、 控制元件和辅助元件组成图2 2 是液压系统的原理图 1 0 9 8 1 油箱2 空气滤清器3 比例溢流阀4 压力继电器5 过滤器6 液压泵7 单向阀 8 比例伺服阀9 电磁换向阀l o 柱塞缸1 1 电机1 3 压力表 图2 2 液压系统原理图 液压系统的主要设计要求： 1 最大加载载荷f = 1 5 0 0 0 k n ，最大工作压力2 5 m p a ； 2 液压缸行程0 3 0 0 r a m ； 3 速率要求0 0 7 2 m m i n ( 1 ) 液压缸设计与计算 本系统中选用柱塞缸作为加载液压缸柱塞缸缸筒内壁和柱塞不接触，有一 点间隙，因此缸筒内壁不用加工或只做粗加工，给制造带来了很大的方便。 柱塞缸承受的最大载荷： 浙江大学硕士学位论文 电液伺服加载系统结构设计 工作压力p l = 2 5 m p a ，根据 c = 1 5 0 0 0 k n e = 死孑1 7 d 2 d 丝：、瓮型等她8 7 4