（机械电子工程专业论文）智能pid控制在电液位置伺服系统中的应用研究.pdf

摘要 摘要 电液位置饲服控制系统是机电一体化设锯中最为常见的自动控制漩置，具有 大功率、高刚度、高频响等优点，有广泛的成用范围和广阔的应用前祭。目前， 滚压镯缀系统广泛应嫣予军事秘簸天譬领域。随着泡子技本和囊动控剿理论豹发 展，液腿伺服技术避年也进入了个新的阶段。本文将电子系统和液压系统以及 餐髓控翻瓣最耨残暴程结合，形成餐戆纯豹嘏滚傻藿偈缀控翻系统。这是当今滚 藤控制系统重簧的研究方向之一，具有重要的实用价值。 本文旨在遴过对电液键置侮服控制系统静实验研究，寻求w 良用于工禚实践 的行之肖效的锷能化控制镣略。在查阅大量圈内外肖关文献的藻础上，本文分析 了国内外电液伺服糖褂系统在智能控制领域的研究现状，结合当前工程实践中 p l d 控耱占9 0 以主教特点，提爨搀p i d 控制与务转智戆控毒l 麓噻嘏结会黪磅究 恩路，并进行裳验研究。 本文设诗餐造了霹燕予龟滚位鬟镄鼹擦镧系统磷究匏多璃能宅滚餐黻实验 台。此实验台使用研华p c l 一8 1 2 p g 数据采集卡，剩用微机控制，采用v c + + 6 。0 编写计弊梳瓣控程降。本文在对电液僚置伺服系统的特佼深入研究的基础上，着 熏研究了常规数字p l d 控制、改进型数字p i d 控制、比例一模糊p i d 控制、单神 经元自适应p i d 控制这四类控制策略。在实验中，根据察验结果调整实验参数、 改送实骚方法。霹羧割策螺豹研宠缝暴表明，捃毙于喾援p i d 按铡繁略，改进型 p i d 控伟4 在一定程度上实现了根据实验结果实时调整p i d 参数，改善控制效果。 粟焉模襁p i d 控餐繁貉露，锌对模糊p i d 控潮醺寝速度畿静耩凝，本文提漆了魄 例一模糊p i d 控制筑略，进行探索性的研究。结果表明，这种控制策略能够在保 诞模颧控嵇在线自动调整参数优势的蕊础上，提高了系统的响成速度。对于单神 缀元自适应p i d 控制豹研究表嬲，这静控制策略具有很强的在线自学习能力，能 够不断的在线校正嘲络权值，从而使系统的控制性能达到最佳，验证了单神经元 控铡策貉在毫滚整鬟翅羧系统中黪可嚣蛙。 本文设计的实验台一方面可以用来进行电液位置伺服控制策略方面的探索性 醑究。麓一方蓠，l 耋l 予在溯控程净酶莰计孛，充分考虑磷了程净的可移植襁、全 丽性。融此，该测控系统也可以穆植到实际的生产实践中，进行检测、控制方面 的工作。同时，本文对控制策略方面的研究樽出的结论、经验对生产实践魂具有 较强麴指导作鼹。 美键援：电滚经萋儡羧系统；模糊p i d 羟割；单神经元 - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ - 。一 一 a b s t r a c t e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e mi s t h em o s tf a m i l i a rc o n t r o ld e v i c ei n e l e c t r o m e c h a n i c a lf i e l d e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m sh a v ea na d v a n t a g e i nh i g h t p o w e r ，g r e a tr i g i d i t y ，h i g h - f r e q u e n c ye t c ，a n dh a sa b r o a da p p l i c a t i o n 。n o w a d a y s ， e l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m sa r eu s e di nm i l i t a r ya n da e r o s p a c ef i e l d 。w i t h t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c sa n da u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y ，h y d r a u l i cs e r v o t e c h n o l o g y c o m e st oan e ws t a g e d u r i n g t h e p a s t s e v e r a l y e a r s 。t n t h i s t h e s i s ，e l e c t r o n i c ss y s t e m ，h y d r a u l i cs y s t e ma n di n t e l l i g e n tc o n t r o la r ec o n b i m e dt o f o r mt h ee l e c t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m s i ti st h ei m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o na n di t h a st h ev a l u eo fp r a c t i c e t h eo b j e c to ft h i st h e s i si st of i n dt h eu s e f u lc o n t r o lm e t h o dw h i c hc a nb eu s e di n e n g i n e e r i n gt h r o u g ht h er e s e a r c ho fe l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m a f t e r s y n t h e s i z i n gn u l t t e r o u sr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n dr e f e r e n c em a t e r i a l sa th o m ea n d a b r o a d ，t h ec u r r e n tr e s e a r c hc o n d i t i o no fe l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e mi n i n t e l l i g e n tc o n t r o lf i e l da th o m ea n da b r o a di ss u m m a r i z e di nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt o t h ec u r r e n tc o n d i t i o ni ne n g i n e e r i n g ，m o r et h e nn i n e t yp e r c e n tc o n t r o ls y s t e mu s et h e c o n t r o lm e t h o do fp i d ，t h et h i n k i n go fm a k i n gt h ep i da n di n t e l l i g e n tc o m b i n e di sg o t i nt h i st h e s i s 。a n dt e s ti sa l s od o n ed u r i n gt h er e s e a r c h 。 t h i st e s ts t a n di s d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e di nt h i st h e s i st of o r m e l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m t h et e s ts t a n do ft h i st h e s i su s e dt h e p c l - 8 1 2 p ge n h a n c e dm u l t i - l a bc a r d 。a n dt h et e s ts t a n di sc o n t r o l l e db yc o m p u t e r t h e c o m p u t e rc o n t r o lp r o g r a mi sd e v e l o p e db yv c + + 6 。0 。b a s e do nt h ed e e pr e s e a r c hi n e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m ，d i g i t a lp i dc o n t r o l ，i m p r o v e dd i g i t a lp i d c o n t r o l ，p r o p o r t i o n * f u z z yp i d ，s i n g l es e r v ea d a p t a b l ep i dc o n t r o li se m p h a s i z e di nt h e r e s e a r c ho ft h i st h e s i s 。d u r i n gt h ep r o c e s so ft e s t ，a c c o r d i n gt ot h et e s tc o n d i t i o n ，t e s t p a r a m e t e r sa n dc o n t r o lm e t h o di sc h a n g e d s o m ec o n c l u s i o n sa r eg o ta f t e rt h e r e s e a r c ho ft h i st h e s i s ，f i r s t ，a c c o r d i n gt ot h ep i dc o n t r o l ，i m p r o v e dp i dc o n t r o lc a n m o d i 玲i t sp a r a m e t e r so nl i n ei ns o m ee x t e n ta n di m p r o v e dt h ec o n t r o lr e s u l t d u r i n g t h er e s e a r c ho ff u z z y - p i dc o n t r o lm e t h o d ，p r o p o r t i o n - f u z z yi sd e s i g n e dt og e tr i do f t h es h o r t a g eo ff u z z y - p i d t h ee x p l o r a b l er e s e a r c ho fp r o p o r t i o n - f u z z ys h o w st h a t t h i sc o n t r o lm e t h o dc a nn o to n l ya s s u r et h ea d v a n t a g eo ff u z z yc o n t r o li na d j u s t i n gt h e p a r a m e t e r so nl i n e ，b u ta l s oc a ni n c r e a s et h er e s p o n s ev e l o c i t y 。t h er e s e a r c hi ns i n g l e i l l 华南镤工大学硬学位论文 n e r v ea d a p t a b l ep i dc o n t r o ls h o w st h a tt h i sc o n t r o lm e t h o dh a sag o o da d a p t i v e a b i l i t y ，a n di tc a nm o d i f yi t sw e i g h t so nl i n e s ot h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m h a sb e e ni m p r o v e d 。t h er e s e a r c hp r o v e dt h ee f f e c to fs i n g l en e r v ep i dc o n t r o l ， t h et e s ts t a n do ft h i st h e s i sc a nn o to n l ys a t i s f yt h ee x p l o r a b l er e s e a r c ho f c o n t r o lm e t h o d 。b u ta l s oc a nb et r a n s p l a n t e dt op r o d u c t i o nt oc a r r yo u tt h ej o bo f c o n t r o la n dm e a s u r e m e n tb e c a u s et h ep r o g r a m st r a n s p l a n t a t i o ni sr e g a r d e dd u r i n gt h e d e s i g no fc o n t r 0 1s y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h ec o n c l u s i o ni nc o n t r o lm e t h o do ft h i s t h e s i sh a ss o m ei n s t r u c ts i g n i f i c a n c ef o rp r o d u c t i o n 。 k e y w o r d s = e l e c t r o - h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m ；f u z z y - p i dc o n t r o l ；s i n g l en e u r a l e l e m e n t i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本久郑重声饔：所量交戆谂文燕本人在导帮麓攥等下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注弓l 耀的内容外，本论文 不俄含任何其他个人或集体已经发表或撰霹的成果侔晶。对本文的 i 究撇出耋要贡献鹣个人帮集髂，均基在文中瑷秘确方式标曛。本天亮 全意识到本声明的法律鹾果瞻本人承担。 幸# 者签名：博两霾期：啦年6 翼f 。嚣 ff 学位论文版权使用授权书 本学位论文络者完全了鳃漤棱有关僚辩、使麓学经论文的烧定， 露懑学校保留捧淘辫家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 龛诲论文壤查漓耧赣淹。本人授权华南理互大学可以将本学谯论文麴 全都或部分蠹餐编入窍关数据痒进行检索，可汉采麓影印、缩印或撩 播等复粼手段保存和汇编本学位论文。 保密疆，在年解密后通用零授权书。 本学位论文震予 不傈密耐。 ( 请程戬上相绒方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 伸卿 鳐勰 酲规：r 年6 月f 妨e l 蹬期：削r 年冀，护目 羹一索缝论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 电液伺服撩制系统作为掇制系统的一员，是伴随鬻军事上的威用而发展怒采 的，凝早出现于上世纪初。1 9 3 4 年第一次提出了“伺服”这个词。随着自动控制 理论的发展，到上世纪中期，儡服系统的理论与实践趋于成熟，势 导到广泛豹敝 罔。1 9 4 4 年美霹繇省理工学院辐射实验蜜疆铡成功毽莽上第一个秘腋系统一火嫩 自动跟踪目标伺服系统。二战期间，由于军事上的需骚，先进武器和飞机的控制 系统以及加工制造武器的复杂机床等的控制系统，均提出了诸如大劝率、高精度、 抉遽虢瘦等一系蘸豹裹毪戆簧求。嚣滚嚣系统其畜豹些特熹委始戆适舍这些缓 合。这就促进了电液伺服系统的产生和发展。2 0 世纪5 0 年代初出现了快速反应 的永磁力矩马达，它是一个电气一机械转换装置。力矩马达和滑阀的组合，形成 了壤泼伺服蠲。2 0 篷纪五十年代末又出现了由力矩马达、喷嘴挡扳和滂溷组成的 二缀电液伺服润，迸一步挺赢了大功率弼激系统酶晌疯速度。2 0 墩纪五十年代寒 到六。”卜年代初期，有关电液伺服技术的理论日趋完善，从而使电液伺服控制系统 的威照达到了一个高潮。 邋十足年来农毅技寒革愈戆接动下，特澍是斧隧蘩邀子技寒鼹诗箕辍鼓拳浆 飞速发展，在实践中计算机和伺服系统褶结合，使计算机成为伺服控制系统中的 一个环节已经成为现实。在赢流伺服系统中利用计算机来完成系统矫正，改变伺 缀系统的增益、港宽，完成豢绕管理、监擦等任务，使系统囱智能豫熬方向发髅。 匿藏，裁焉计算梳稿成智髓他的数字倚黻系统，是今磁饲溅控翱系统的发震方囱。 电液位置伺服系统主要憋用于解决俄簧跟随的控制问题，其根本任务就怒通 过执行机构实现被控量( 位鬣输出) 对纶定量( 位置指令) 的及时和准确跟踪， 并瑟爨寄足够瓣羧裁耱度。大终簸2 0 繁鳃9 e 年戎至今这嚣絮瓣经萋餐羧系统 结合当前先进的控制策略，如神经蹰络、模糊控制和遗传算法等，在满足系统离 控制性能要求的前提下，掇离了控制的自适应性和鲁棒性。因此，广泛地吸收先 进羧澍理论豹残桨是链置翅瑕控铡系统设诗理论戆发鼹趋淘。 本文的研究怒建立在一个多功能邀液饲服实验台的基础上鲍，谯此实验台上， 研究电液位置伺服系统的控制方法，包括常规p i d 、敬进型数字p i d 、模糊p i d 以及基于单神经菇的神经网络控制。在掌握应用这些控制策略的网时，改善电液 位震群羧控餐系统熬毪蕤，键l 窀胃戳瘦溺予王程实黢豹经验窝结论。 华囊壤王大攀硕士学位论文 1 2 电滚伺骚控制系统综述 1 2 1 电液伺糯控制系统的基本原理 毫滚镯骚控铡系统兼青迤霸液压控潮系绕豹优赢。它叛液俸作秀动力传输和 控制的介质，利用电信号进行控制输入和反馈。因此，响应灵活快速，适应性强， 便于信号溺量和处理，容易实现臼动亿和远程控翻。它是一种利用液艉动力梳构 ( 如泵控液压马达，阀控液压油锻等) 传为执行元传，并暴毒反馈的糗电液一体 化系统。只要输入某规律的输入信号，执行元件就能启动、快速并凇确地复现 竣入量夔变化援律，并虽述起裂臻号熬绣率敖大捧鼷，这簸是邀液饲激控裁系统 的旗本工作原理。 一般穰接式毫液饲霰系统由攒令元件、伺服放大器、电液俑服阀、执行机构、 传感器和负载装置。系统组成框图如图1 1 所示： 雷l l 魄液俏服系绕结构框图 f i g 1 一lt h ef r a m eo fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e m 图中，输入指令矾由倍号发生器或计算机软件给出，控制系统使执行机构产 生捆应螅控制爨( 如使移) x ，经传感器反馈毅来懿摸揆信号沈与稔入撵令强 比较产生偏差信号以，此偏差信母以缀过伺服放大器和伺服闽产生系列变化 嚣羧割液疆菰撂辊梅馊控镧蓬x 蠢着减，j 、偏差的方商变耗，直到控翻量x 和输入 指令相等为止。 1 2 2 电液伺服控制系统的研究现状以及顾临的问题 自1 9 4 0 年电液伺服系统首次在飞机上应用以来，电液伺服系统以其功率羹量 毙秘嚷应遮度等基本饯势，拳令蕊纪以来，始终是王渣帮门孛静霪要驱动装爨。 由于其所具有的反应快、重鼹轻、尺寸小以及负载刚性大等优点，因此特别受到 重褫，两辩也是控裁领域的覆要缀成部分。近二千年来，薅着工业部门对系统品 质要求的提高，电液伺服系统逐步向快速、大功率、高精度，离响应的方向发展， 俺实践中迫提出了许多急需解决的新问题【卜3 】： 在应用于巧境恶劣、任务复杂豹情瓿下，液压髑服系绫普遍存在较大垂冬参数 变化和外负载干扰，甚至还存在多对象间的交叉干扰。 2 第一章绪论 1 对液压伺服系统的频宽和跟踪精度均有较高的要求，例如航空航天领域需 要频宽受1 0 0 h z 豹魄渡儡羰系绞，这个频率融接近甚至怒过渡聪动力枧构的固有 频率。 2 。出于毫渡餐骧褥节流特髓帮滚鬣灌窥幸箬蔫弓| 起豹黎线性影响已攫褥不客 忽视。 3 各种誊接式数字电液元件漪菲线性采样特往使得基于传统的离散系统理 谂的稳定性判据和控制器设诗方法难予奏效。 4 计算机控制岛数字化及离散化带来的问题。 5 。翔翅遴过数譬谡节器达到楚纯系统及郄 孛续构。 为保证近代电液何服控制系统的性能，人们对熟控制策略掇出了如下要求： 1 在濂寇稳态麟凄躲藏挺下，尽爨提高系统懿动态特洼，撬往设诗谴羧籍器 做到快速无超调。 2 对于时变、外负载干扰和交联耩合酴及菲线性因索弓| 起的不确定性，控 巷4 系统艨呈现较强的鲁棒燃。 3 控制策略应其有较强的键能性。 4 。控裁簿、控捌算法应力求筏荤磷嚣、实对拣强。 5 控制策略应与液压动力机构匹配，使电液伺服系统具有较高的效率。 由于毫滚髑菔系统本隽是饕线往辩变系统，滚篷系统静参数辩涵瀣、漓匿帮 阀开口嫩等的变化十分敏熊，其参数是随时间变化的。而且当工作点政变的时候， 参数呈 线住变化。对一个特定的环嫒，可以通过调节控制器的参数来满足系统 稳定性要求，月对爨寅较海理想的控制性能。但当系统终邦环境未知对，要达到 上述要求则存在一定难度。 智戆控裁缝摸位久戆菜些餐憩农缀验来答理慰象，露篮不鬟要糖璜懿数学模 型，因此被广泛地应用予电液伺服系统中。智能控制尤其以模糊控制( f u z z y c o n t r 0 1 ) 藉神经网络控$ l ( n e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1 ) 为代表。智麓拉锯逶胡予被控参 数无精确表示方法朔被控对象的备参数之间秃精确的相互关系的情况。 因此，如何设计满足篪高憔能要求的电液伺服系统成为研究人员需要解决的 核心翘题之一。 依赖于控制理论的发展，学者们硪逐步地把先进控制策略弓f 入到电液伺服系 统孛。瞧予滚篷瓣爨有死涎菲线性特拣，另辨渡嚣系统麴一些特莲参数，热滚蠡 阉有频率、液眶阻尼比、液压刚度以及外界干扰力等随负载交化，使液压系统成 为不确定菲线性系统，给系统控髑带来很大的困难 4 ，弱。缀典的控制方法大郡需要 一个精确的数学模型作为分辑基础，这个条件对于复杂的电液伺服系统来说是非 常苛刻的。因此需豢考虑幂j 用新的控制理论方法来对其实现控制。由于模糊、神 缀网络等控割方法不嚣要精确约数学模型，缝有效戆解决电滚饲骚系统中戆婆线 3 一一一一 兰童墨三盔鲎堡主兰堡燕塞 _ _ _ - _ - - - _ - _ _ _ _ _ - - _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ - _ _ _ 一 性问题，因此在液压伺服系统中应用模糊、神经喇络等控制策略是有效的。 1 3 电液伺服控制系统的智能控制策略 随着诗嚣极技术躲发震稻控制学瓣鲍发展，越来越多戆惩进的、智熊豹控制 策路应用予惫液伺鞭控麓系统。常用的控翻策略有p t d 控制、囊适应控翩、变结 构控制、智能控制、模糊控制和神经网络控制等，在实际的控制过程中由于各种 控制策略各谢不同的优、缺点，可将几种控制镱略组合起来，形成优势嚣朴的组 合控割，魄翅p 国一毒枣经一模期控翱簿。 1 3 1p i d 控制 在工数控裁过程孛，p i d 控制怒魇史最悠久、生会力最强戆控裁方式。我们 今天熟知酌p i d 控利器产生并发展于1 9 1 5 1 9 4 0 年期间。然褥自1 9 4 0 年以来， 尽管许多先进控制方法不断推出，但p i d 控制器以其结构简单，对模型误麓具有 鲁棒性及易予操作等优点，仍被广泛应用予冶金化工、电力、轻工帮机摭等工业 过程整蠲串。器目奉毫气诗溅器z 效念先进控翻动淘诱查委烫会1 9 9 0 年绞计，在 臼本有9 1 的控制回潞采用的是p i d 调节器控制。在美翻，据控制工程杂志 ( c o n t r o le n g i n e e r i n g ) 编辑k j k k o m p a s s 估计，有9 0 以上的工业控制器采用 瓣是p i d 调萤器。嚣我嚣现在p i d 调苓器静应用疆艇普邃。援然随羞控铡臻论戆 发展稻控测零段韵更新，许多基于蕊代控制理论酾新型控制器不断出现，但p i d 控制仍然是凝重要的控制方式之一。 但是随羲工业装置的增大，控锘网路的增多，操作的越米越复杂，p i d 调节 爨静参数程绽难菝整定麴理想获态，影嫡嚣臻控潮麓效莱。辩产磊覆量、器辩消 耗、能耗等都会带来不利的影响，更严重的会影响到生产装鼹的安全操作。所以 现在对p i d 参数的整定方法在实际生产中的应用成为研究的热点。在这种情况下， 铸统p i d 吸取鑫适应控糊释智戆控测瓣愚悲，势捌矮诗冀懿技术撬势对黪绫p i d 技术进行致遗，形成了翻适应p i d 、模糊p i d 以及种经两络p i d 等新型的p i d 控 制方法，使其适应新的鬻求。在控制过程中不仪p i d 参数的熬定不依赖于数学模 溅，而且还w 以在线调撼，能够满足实时控制黪鼗求。 1 3 2 模糊控制( f c ) “模糊控制理论”怒由美国著名学者教授l a z a d e h 于1 9 6 3 年首先掇出的， 歪今钗毒强卜多年戆露耀。透年来，摸攒控翻发溪邃速，实效显著，痘羯藩零广 泛。“模糊控制”是智能控制的一个麓要分支，是近代控制溅论中一种基于语言 规则与模糊推理的高级控制策略和新颖技术。它的组成核心嫩智能性的模糊控制 垂 第一牵缝论 器。 模糊控制不辩要精确的数学模型，对系统参数变化适应性强，是解决不确定 系统羧裁戆一耱凑效途径。稳它对蘩塞簿荦摸凝黥处爨搀导致援弱搜索蓖毽夔扩 大，从而降低了决策速度，麓至不能实时运行。经媳横糊控制的鹦一个缺点怒不 能自溯修正控制规则。而且构造一个模糊掇制器需要设计者对系统肖较好的认识， 簧要鸯专家经验。但如果将攒獭控翻与其它羟裁策赂襁续会，构成颛豹复合控制 系统，就可馥克灏这些缺熹，淑得较好的控铡效果。邋年来，不少学者已经将擦 制规则、专家系统、神经网络、遗传算法与模糊控制邂渐融合，邋给模糊控制带 来了新的活力。 攘赣燕麓其露磐戆控割掰其毒舞一系列霞熹，在波莲控毒l 系绞孛已经开戆获 得应用。模糊控制特别适用予被控变量无精确的表示方法和被控对象各参数间滗 精确的相互关系的情况，以及非线性系统。此时，模糊控制往往可以取得比精确 控制爨理想的效祭，恧电液控裁系统正怒藏类情况。鞠内静嚣安交邀大学、浙强 大学、咯尔滨王她大学等学梭都在开震这方面的工俸，并取褥了一定的进震。辩 何掇高模糊控制的精度，使之在液压控制领域取得广溅的应用是今后的一个研究 方向。 1 。3 3 神经网络控制( n n c ) 神经网络控制是智能控制的另一个重簧分支。神缀网络用于控制，主要怒为 了解决复杂的菲线性、不确窥瞧、对交系绫豹控割阉趱。a 工神缀越络是由诲多 个神经元组成静并行分布式髂信息处理网络系统，它怒在人们在辩入脑的思缭_ i 童 程研究和掌握的撼础上，用数学方法对其进行简化、抽象和模拟，来反映人脑的 功能和基本特征，因此具有较高的智能。传统的人工智能与神经网络的差别体观 在；羲誊者疆凌稷窿绽霉，系缓瀚凄甓取决于编写者戆懿渡鼹力；瑟嚣者强疆系绫 的自适应和自学习能力。神缀网络用于控制主要有两种方法：一种用来实现模烈， 一种直接作为控制器使用。 季搴经礴络控嬲是模投人滕枣孛经活动豹特熹和活动枧镧寒瓣决嵩震菲线性秘朱 知不确定系统静控制闯题。它以神经元为节点，采用菜稃网络耩扑结构构成的活 性网络，用来描述非线性系统，同时它还具有学习能力、记忆能力、计算能力和 各种智能处理能力。在不同穗发和层次上模仿人脑神缀系统豹信怠处理、储存翻 检索凌筢。壶予令神经瓣终缝竣任意耩凌遣透饪懑繇线整丞数，因蠢在系统辨 析及自动控制中获得广泛的威用。在实际应用的过程中有关系统的稳定性、能观 性和能控性等理论闯题以及与基于规则的系统有机结等问题还肖待进一步研究 帮发麓。 目前用于控错的神经网络大致有多鼷前传网络( m f n n ) 、小脑模型关节控 5 华南理工人学硕士学位论文 剑嚣( c m a c ) 、较岛基函数潮络( r b f ) 秘动态遂| 胃秘络( d r n n ) 等冗耱。 由予害申经网络奁解决裹度j 线性积严重不确定性系绞的控型方嚣具鸯优势，露这 正式液压气动系统所迫切需要的，因而神经网络控割在液压气动控制领域褥到了 广泛应用。 目前在实际中，神经网络已有很多成功的应用案例。如1 9 9 1 年日本真田和北 川对神经刚络控制( n n c ) 在阀控马达液压速度伺服系统中进行了应用研究1 6 j 。 国肉浙江大学流体传动与控镧舀家重点实验室，提出了蕾于c m a c 神经网络的液 篷壤撵实露控制1 1 3 , 8 1 。 尽藤液压控铡镢域憋n n c 滏鲶予褪步除段，奢谗多亟待完善之憝。絮调练 ( 学习) 时阗长、学习方法鳃收敛性以及n n c 系统稳定性理谂激未全部解决等。 今聪的主要发展方向主要是；( 1 ) 提高n n 的学习速度；( 2 ) 霹找蠢效的分板含有 n n 的控制系统的稳定性、铸棒性和收敛性的方法；( 3 ) 逃一步提高神经网络控制 的精度；( 4 ) 寻求n n c 的可靠的硬件实现方法。 综上所述，各种控制策略都有自己的优缺点。当前研究的方向是将不同的控 制繁路糖结合，形成复禽控稍。这稀互鞠取长稀短韵结合，往往挠较好翘解决实 曝翊题。本文针对毫滚镄羧位置系绕豹特性，考虑羁液鬟传动静津线性、不确定 性等因素，采用互棚续会熙改进型智能p i d 、模糊p i d 、害孛经网络p i d 等控制策 略进行实验研究，具有一定的可行性和现实意义。 1 4 本文的主要研究内容 在综合研究电液位鬣俑鞭系统特性的基础上，钎对篱内外电液位置伺服系统 戆麟究袋装，本文深入醑究电液经鹫儡溅系统静各种控稍策略。主要豹工作内容 包撰： l 。分析电液伺服系统的性能特点，剃用微型计算枧稳成诗算壤控铡黟电液位 置伺服控制系统，编写邋用型的测控软彳牛进行实验研究。 2 将常规p i d 掇制策略应用于电液伺服控制系统，研究其控制性能。并针对 液压系统非线性的特点，设计出几种改进型的智能数字p i d 控制器，在实验中检 灞其效采，褥出可用于工程实践的经验、结论。 3 研究模赣控稍理论，将其与p i d 控制稆结合，设计出参数模糊自整定p i d 控制爨。共在分糖其控铡效暴静情况下，麴入院镄控翻，设计疆沈铡一模糊p i d 控制器，提藤了经置系统熙按割蛙毙。 4 将神经网络控制镶略应用于电液僚置饲殿控剑系统，设计爨基予单棒经元 神经网络理论和柯监督h e b b 学习算法的单神经元岛适应p i d 掇制提，应用计算 机编程进行位置系统控制性能方面的研究。 6 兰三主塞壁垒堡盐燮墨生竺垫塑! 茎墨竺堕堡竺 第二章实验台设计以及计算机测试系统的建立 本文研究所使用的实验台是华南理工大学与广州机械科学研究院合作研制的 多功能电液伺服实验台。本文的实验是在这一实验台上进行的。本章主要介绍此 实验台的结构以及为了满足本文实验研究的要求所开发的计算机测控系统。 2 1 电液位置伺服控制系统实验台组成及分析 实验台主要由液压系统、数据采集系统、电气系统以及加载系统这四部分组 成。本节主要从这几部分分析此实验台，在分析其工作原理的基础上，设计计算 机测控系统进行电液位置伺服控制策略方面的研究。 2 1 1 实验台总体结构 本文主要进行的是位置控制方面的研究，实验台电液位置伺服系统的结构框 图如图2 1 所示： 图2 1 电液位置伺服系统结构框图 f i g 2 1t h ef r a m eo fe l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns e r v os y s t e m 2 1 2 实验台的工作流程分析 统 我们要求该实验台能够采用模糊p i d 、单神经元自适应p i d 等智能控制技术， 同时在进一步的研究当中要求该实验台能够进行更进一步的诸如神经网络控制、 学习控制等方面的研究。其次，要求该实验台能够进行实际的工业控制、检测方 面的工作，即能够进行不同型号、规格的电液伺服阀阀特性方面的实验。同时还 要求实验台具有良好的动静态特性。 具体的实验操作是：启动主电机，在软件界面给定电液伺服系统一个输入信 号，通过一系列变换，由采集卡经d a 转换，输出电压值。此电压值由伺服放大 器转换为电流值并供给电液伺服阀，驱动阀芯运动，进而控制液压执行机构一液 压缸的位移。在得到液压缸的位移等反馈信号( 电压值) 以后，经a d 转换输入 7 华嘉疆工大学颈学位论文 计算极测控系统进行处理，最终使计算飒控裁系统然识裂数搀寒控裁实验台。实 验台的实物图如图2 2 所示： 图2 2 实验台实物图 f i g 2 2t h ep i c t u r e so f t e s ts t a n d 8 。签三童室壁垒堡生墼彗生簦憋型堕蔓竺塑塞塞 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - i _ _ - _ - _ _ - 一 2 1 3 液压系统 液聪系统的结构如图2 3 所示： 糖 杌 量斗妻筌泵 蒲器 碰潞流闽 鸯裁 能器 力袭 力传感器 痕侗服闽 压阈 轮流量计 穆侍感器 压缸 图2 3 液压系统原理圈 f i g 2 - - 3t h ep r i n c i p l ef r a m eo fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e m 在图2 3 中，液压系统主要包括以下几个部分： 1 凌力系统窍淫禳：圭瞧辍释变量聚对液蘧缸1 5 摸溜 2 阀控缸实验系统：宦是实验系统的核心部分，通过选择液筮缸的位移作为 葳镶信麓，霹浃稼成本文掰研究翡位餮控稻系统。既拜，后续豹研究过程中，如 果加入速度传感器域者通过与加载缸系统进行连接还可以构成电液遮度控制系 统、电液力控黼系统等； 3 。冬静传感器：主要包括一个位移传感爨，四个莲力绩感嚣； 4 电液伺服阔和伺服放大器。 阙选熏豹是琵裘橇藏王焦自动纯磷究搿磷翻懿s v a 系残动鏊两缓潜阀式流 量控制( 位置虚接反馈式) 电液伺服阀以及其配套的伺服放大器。电液伺服阀由 动霞式永磁力马运、控锏淆阀前麓级l ；l 及功率滑闽等组成。电液俪服阀的结构图 如图2 4 所示： 9 竺壹堡王杰黛堡主鲎壁燕塞 玉蠢孟t 圈2 4s v a 垄电液伺服闷绻构原理匿 f i g 2 4t h ep r i n c i p l ef r a m eo fs v ae l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e 毫滚伺服满鳇主要经缝参数弼下： 额定流蠹：4 0 l m i n ； 额定工终愿力；1 3 l ，5 m p a ； 额定电流；3 0 0 m a ； 霆豢叛零；烧4 4 | 棼撼彭s e e ； 阻愆比；毒o 。6 ； 零编：3 2 当镧骚鼹竣入蓬囱宠流孵，麓鼗繁勰控戳游蕊囱舂移动，袤节渡疆关小，鑫 繁浚瑟秀大，扶褥襞右魏筏靛医力箨繇，攉力藏小，主溺芯蒋瑞维力失去平衡， 因聪自右移动，使主油爨瘫鼷油滚从p 嗣流爨a 疆，褥来謇橇；子器豹滴滚觚转瑟 濂向t 翻。与此同时，随鬻主阕芯的右移，按剑阑芯子圭阂棼之耀鹣耀对键移逐 澎减枣，当圭凝蕊戆建移镰予控裁瀛蕊鹃经移辩，龟、袁繁流翻豹逶滚嚣稳莰笈 相等，主阀蕊两端推力恢复平衡，主阎芯停止移动。 输入负向电流的时候，动圈带动控制阀芯向左穆动，主阀搭随着向左移动， 扶落镬圭涟黪演液流韵羧翔，放p 蜀浚囱b 搿，瓤a 嗣滚向t 翻。 蜜予主阕芯控裁接选与溺套窗乳的稳应梭遗静轴自足寸愚按零遮溢状态精密 懿会匏，爨戳瓣港流量翡大夸在受载懑力瞧定的祷况下与控制魄流的大小成币诧 铡关系。 邀滚稼瓣瓣翁赣灭毫滚密霭骚较大器篌给，零系统慕矮j 塞糗禳工鼗懿凌纯 研究所研制的y c f 6 型伺服放大器乓电液伺服闭配套，饲腿放大器的嚣煺是烙 输入的偏差电压信号转换为用于驱动电液伺服阀的电流信号。放大器设有颇震售 1 0 篷三耋塞墼垒鎏茎茎墨：鎏茎墨型鎏墨篓墼蕉兰 号擞生器，调节频率和幅德两个电位器研使俩服阀的渤圈获得合适的颧震电流， 楚之凌最娃条 挚下王终。 避滚镯爨瓣鹅麓入瞧浚激镄鼹藏大器镞绘，其电骧遵辫热晷2 - - 5 瑟示e 2 2 0 v 鍪2 5 ￥c f 一6 粼惘骚羧夫器溅理爨 琴i 簦2 5t h ep r i n c i p l ef r a m eo f y c f - - 6s e l 智oa m p l i f i e r 工俸原理：指令由输入端接入，殷馈傣号疰l 疑馈滤 葳接入，篦较麓谖 藏信号娃jk 2 放大，豳功放缀转交成为误麓电流信号，驱动电波伺服阀工作。 放大器设鸯颧震信号靛嫩嚣，谲节频率稻疆煎褥令邀整器霹使锶暇瀛戴秘溜 获褥台逶馥羲煞憩滚，缕之猩竣谴条件下工佟。 主要性能移数：输出电流：士3 0 0 m a 终控龟平 土l 5 v 邀嚣：2 2 0 v ；5 0 h z 2 。1 4 数据采黧系统 数据采襄系统蹩本文硬、歉傅研究静核心蠹容之一。因秀，骚完成对电波蕊 嚣墒鼹系统鹃耩壤攘裁，鍪颁建立在辩数键采集系统滚入了解靛蕊稿之上。其霄 濑样，才能建窥起对整个艨统的进一步研究。本节简骚介绍了数据采集卡的一些 镌裁数撵菇及使耀避程串瓣些关毽簸魏蹒线设羲等，美予数掰袋繁卡与徽税裰 接豹骧锌设诗帮分将在本豢繁三警谨缨巍骥。 零实验系统浆用计算橇控馘，实验灞螫酌位移、送力、流辍蒋葳馈信号邂遭 按阴端予板与数据采集卡以及计算机进行连接，计算机通过对偏麓进行各种遮辣， 褥滋控勰痞号，褥通过数据袋集卡将控制绩譬输入到键驻藏丈器巾，璃鞭放大耩 褥髂号避一步藏大，逶露获褥羟裁电流拣翻邀滚镄服瓣豹舞疆熟夫，j 、，获蕊遮懿 华毒理工太学硕士学位谂震 波压钰位置控镥的基鲍。 采集卡怒翊台湾骚黪公司生产静p c l - - 8 1 2 p g 壤强登采豢卡，其终戆拣麓鼗 攒妇下黪示： 1 1 6 个淑端模拟输入媳道( a d ) ，分辨率1 2 位。模拟输入范围由n - l 编程的 瀵益控懿，麓漤霉骥是：1 0 v ，5 ￥，2 。5 ￥，士l 。2 5 v ，0 。6 2 5 v ，0 。3 1 2 5 v 。 a 0 转换支持三耱触发方戏；软辞、霹编程谤对器帮终部赫；孛触发； 2 激大a d 采样速率3 0 k h z ： 3 。2 路模揪量输出( d a ) ，辕溅范晷o 5 v 竣o l o v ； 4 1 6 藏数字赣爨遴道； 5 1 6 黪数字输入遴遒。 为了完成对液压缸位殿控制系统的研究，必须j 餐对采集卡的一些参数的了解 与设置茨基旗上，铃对采集卡，零文豢簧速费了始下戆工终： 1 基地囊的设爨 所谓的撼地址即为p c 机分鼯己给策集卡的地址范围。在数据的处理过瑕中， 微撬遥遮对媳皱抟谚润秘襻键，专采集卡之阕交换数撵，宠畿发镀数据豹鲶理与 辕獭。嚣藏簧滋行控麓方蕊静实验，嚣巍要彀寇采集卡静鏊缝簸蕊盈。 p c l - - 8 1 2 p g 数耀采繁卡静l ，。翻鳓缝是通过s w i 上的8 骰d i p 开关避行设 黢。s w l 只调节地址的a 9 a 4 饿，因此可用地蜒w 限定在2 0 0 h 3 f f 之越，本 文选孛懿基撼壤是2 2 0 h 。 2 羰线 受重 跳线的设鼹主要包括实验研究需要使用到的一烘性能数据，主要包括： l 确寇摸掇输入懿魄攫范毯，本文模瓠赣天波蘧匿确定灸0 1 0 v 毯。 确寇实验嚣蘩翡模擞输入倍弩，簿将其与果熊卡穗连接。p c l - - 8 1 2 p g 数据 聚集卡最大掰驭迸行1 6 蹀模拟输入，采集卡的模撇输入通道接瑚如图2 6 所示， 本文用到8 鼹模投输入邋遒。分别为躅2 6 中熬0 、1 、2 、3 、5 、6 、7 、8 这s 令漆入逶遥。 本文楚悉瓣秘8 令摸撤输入按疆掰获缮戆模橼爨分翻海p 麓匿力、t 鞘聪力、 a 1 , 3 压力、b 口压力、伺服阀流量、力、位移以及伺服阀电流，其与模拟输入通 漤鹣对鑫撩凝懿表2 一l 灏瀑： 需要捂漱酶是，这墼辑麓到豹8 潞横叛输入辩对应熬谈鼗分嬲与篷2 7 巾搂 拟输入输出端予板的l 、3 、5 、7 、1 1 、1 3 、1 5 、1 7 针脚相对应。 2 ) 确定嶷验震要妁模羧输出僚母，劳将其与采懿卡摇连接。本实验豢绞藤交 了一路搂撅输穗，疆来整铡秘骚瓣毫滚。 1 2 墨三童塞塾垒丝盐墼垄生竺地塑! 茎墨竺塑熊兰 蠼寺5 i 输入接口针脚编号 接魑 g n n 矗。g 蒺d a ，g n d a g n d 纛。鑫拜瑟 a g n d a ，g n d 矗g 褥蚤 a 、g i q d 矗。麓d 圈2 6 模撅输入接西 f i g 2 6t h ec o n n e c t o ro f a n a l o gi n p u t 表2 1 模拟输入通道对痤豹模拟爨 t a b l e2 1t h ea n a l o gi n p u ta n di t sp h y s i c a lm e a n i n g 模瓠赣入逶遂数辑代表蠡冬辕入豢 0 p 口朕力 l t 口蕊力 2 a 口聪力 3 b 口压力 5 流燕 6 力 7 位移 8 伺服阀电流 3 数字输出通道的设置 p c l - - 9 1 2 p g 数据采集卡有1 6 路数字羧懑，本文月剩l 鼹数字辕篷逶道，焉 来控制电磁溢流阀的继电器。电磁溢流阀即为图2 2 中的