（机械制造及其自动化专业论文）智能电液执行机构控制系统的研究.pdf

，r t 70 p s t u d yo nc o n t r o ls y s t e mo f i n t e l l i g e n te l e c t r o h y d r a u l i ca c t u a t o r b y z h a n g r o n g b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ib i n g c a i m a y ，2 0 11 9川8删658删8ii叶ili帅y 一 t ，卜j- j i i h 7 伟 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导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引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 献策日期：1 q ) 年g 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：如年 日期：汕f 年 月 日 6 弱0 4 、 r 硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引一i i i 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 电液伺服控制系统的组成和特点2 1 2 1 电液伺服控制系统的组成2 1 2 2 电液伺服控制系统的缺点2 1 2 3 电液伺服控制系统的优点2 1 3 国内外智能电液执行机构的应用与发展现状3 1 3 1 智能电液执行机构的应用3 1 3 2 国外智能电液执行机构发展现状4 1 3 3 国内智能电液执行机构发展现状4 1 4 电液伺服系统控制策略简介5 1 5 课题的研究目标，研究内容和拟解决的关键性问题6 1 5 1 课题的研究目标6 1 5 2 课题的研究内容7 1 5 3 拟解决的关键性问题8 1 6 课题的研究工具一9 第二章智能电液执行机构综述1 0 2 1 执行器10 2 2 控制器1 1 2 2 1 单片机控制系统的设计方法1 1 2 2 2 控制器实现的功能1 4 2 2 3 控制器的结构14 2 2 4 控制器硬件电路的结构1 5 2 2 5 a t 8 9 c 5 1 单片机的简介16 2 2 6 模数( a d ) 转换l8 2 2 7 数字通讯接口2 0 2 2 8 键盘显示器接口芯片选择2 3 2 2 9 控制系统软件设计2 3 2 3 本章小结2 5 第三章电液位置伺服系统的数学模型2 6 一 t r 午t 能| 乜液执行机构控制系统的研究 3 1 四通阀控制非对称液压缸原理图2 6 3 2 伺服阀的压力流量特性2 6 3 3 非对称液压缸建模2 8 3 3 1 非对称液压缸的负载流量方程2 9 3 3 2 非对称液压缸的力方程2 9 3 4 电液伺服阀的传递函数3l 3 5 伺服放大器的传递函数3 l 3 6 位移传感器的传递函数3 2 3 7 系统的开环传递函数3 2 3 8 本章小结3 2 第四章电液位置伺服系统的p i d 控制3 3 4 1 标准数字p i d 算法3 3 4 1 1 位置式p i d 控制算法3 3 4 1 2 增量式p i d 控制算法：3 3 4 2p i d 控制原理3 4 4 3p i d 参数的整定3 5 4 3 1 采样周期选取的原则3 5 4 3 2p i d 控制器参数整定的方法3 5 4 4p i d 控制仿真3 8 4 5p i d 控制的适应性3 9 4 6 数字p i d 控制算法的改进3 9 4 6 1 积分分离p i d 控制算法3 9 4 6 2 带死区的p i d 控制算法4l 4 7 本章小结4l 第五章模糊控制理论4 2 5 1 模糊控制的特点4 2 5 2 模糊控制的基本理论4 3 5 2 1 模糊集合与模糊数学的概念4 3 5 2 2 模糊集合4 3 5 2 3 模糊集合的基本运算4 4 5 2 4 模糊集合运算的基本性质4 5 5 2 5 模糊关系的定义及表示4 6 5 2 6 模糊矩阵4 6 5 2 7 模糊蕴含关系4 6 5 2 8 合成运算方法4 7 7 硕十学何论文 5 3 模糊控制器4 7 5 3 1 模糊控制器的基本结构4 7 5 3 2 模糊条件句与模糊控制规则4 9 5 3 3 模糊控制器的设计4 9 5 4 本章小结5 2 第六章电液位置伺服系统的模糊控制5 3 6 1 双入单出模糊控制器的设计5 3 6 1 1 语言变量隶属函数的确定5 3 6 1 2 模糊控制规则的设计5 4 6 1 3 制定总控制表5 5 6 2 常规模糊控制器的仿真5 6 6 2 1 系统的s i m u l i n k 模型5 6 6 2 2 系统仿真5 6 6 3 电液位置伺服系统的自适应模糊p i d 控制5 8 6 3 1 自适应模糊p i d 控制器5 8 6 3 2 自适应模糊p i d 算法分析5 9 6 3 3 系统的s i m u l i n k 模型及其阶跃响应曲线6 0 6 4 本章小结：6l 第七章结论6 2 参考文献6 3 致谢6 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 7 二 硕十9 伊论文 摘要 目前，电液执行机构被广泛应用于冶金，电力，石化等工业控制系统中，对 压力，流量，温度等参数进行调节。现有的相关产品控制手段落后，稳定性也较 差，严重制约了工业控制系统的生产效率和自动化水平。随着微处理器技术的迅 猛发展和智能控制理论的进步，以及现代工业自动化的要求，开发新一代智能化 的电液执行机构来取代现有产品已是众多科技工作者追求的目标。 本文所研究的智能电液执行机构是一种电液位置伺服系统。文中将a t 8 9 c 5 1 单片机用于该电液位置伺服控制系统中，设计了一种基于单片机的智能控制器， 具有控制精度高，速度快，稳定性好等特点。同时，对系统的硬件也进行合理配 置。 以流体力学和经典控制理论为基础，建立了阀控缸、伺服阀、伺服放大器和 位移传感器等关键元件的数学模型。采用p i d 控制策略进行系统的控制，运用试凑 法整定p i d 控制参数。仿真试验表明p i d 控制存在参数整定比较困难、适应性不好 等缺点。 由于电液位置伺服控制系统是非线性时变系统，因而难以建立精确的数学模 型。本文根据模糊控制原理，结合p i d 控制算法，提出自适应模糊p i d 控制策略， 很好的实现了控制要求。 本文通过m a t l a b 软件进行了系统的仿真分析。 关键词：智能电液执行机构；模糊参数自适应p id 控制：单片机；m a t l a b 一 ， 智能电液执行机构控制系统的研究 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ee l e c t r o h y d r a u l i ca c t u a t o ri sw i d e l yu s e di nm e t a l l u r g y ，p o w e r ， p e t r o c h e m i c a l ，a n do t h e ri n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s ，c o n t r o l l i n gp r e s s u r e ，f l o wr a t e ， t e m p e r a t u r ep a r a m e t e r s ，s u c ha sr e g u l a t i o n t h ee x i s t i n gr e l a t e dp r o d u c t sc o n t r o l m e a n sb a c k w a r d ，s t a b i l i t ya l s op o o r e r ，s e v e r e l yr e s t r i c t st h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m o fp r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o nl e v e l w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f m i c r o p r o c e s s o rt e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y ，a n dt h ep r o g r e s so fm o d e r n i n d u s t r i a la u t o m a t i o n r e q u i r e m e n t s ，d e s i g n i n g an e w g e n e r a t i o ni n t e l l i g e n t e l e c t r o h y d r a u l i ca c t u a t o rt or e p l a c et h ee x i s t i n gp r o d u c th a sb e c a m em a n yt e c h n i c a l w o r k e r s g o a l t h i sp a p e rs t u d i e st h ei n t e l l i g e n te l e c t r o - h y d r a u l i ca c t u a t o rw h i c hi sak i n do f e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o n s e r v o s y s t e m t h i sp a p e r u s e sa t 8 9 c 51f o rt h e 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 oc o n t r o ls y s t e m d e s i g n i n ga ni n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r b a s e do ns i n g l ec h i p ，w h i c hh a sa d v a n t a g e so fh i g hc o n t r o la c c u r a c y ，h i g hs p e e d ，g o o d 弋 s t a b i l i t y ，e t c m e a n w h i l e ，t h es y s t e mh a r d w a r ea l s o c a r r i e so nt h er e a s o n a b l e c o n f i g u r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ef l u i dm e c h a n i c sa n dc l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y ，is e tu ps e r v o v a l v e ，s e r v oa m p l i f i e ra n dd i s p l a c e m e n ts e n s o r sm a t h e m a t i c a lm o d e l t h i sp a p e r u s e sp i dc o n t r o ls t r a t e g i e s ，a n du s e st r a i l a n d e r r o rs t r a t e g i e st os e tp idc o n t r o l p a r a m e t e r s s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h ep i dc o n t r o lp a r a m e t e r s e t t i n g e x i s t e n c ei sd i f f i c u l t ，a n di t sa d a p t a b i l i t yi sn o tp e r f e c t b e c a u s ee l e c t r o - h y d r a u l i c p o s i t i o n s e r v oc o n t r o ls y s t e mi st h en o n l i n e a ra n d t i m e - v a r y i n gs y s t e m ，i ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s ha c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e d o nf u z z yc o n t r o lt h e o r y ，c o m b i n e dw i t hp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，ip u tf o r w a r dt h e a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yt or e a l i z ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e ru s e sm a t l a bs o f t w a r et or e a l i z es y s t e ms i m u l a t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n te l e c t r o - h y d r a u l i ca c t u a t o r ；f u z z yp a r a m e t e ra d a p t i v ep i d c o n t r o l ；m i c r o c o n t r o l l e r ；m a t l a b i i 硕+ 学伊论文 ! , i - - , i i i i i|i。 i i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 目! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 蔓 插图索引 1 1l b d f 型电液执行机构的系统控制框图7 2 1 系统控制结构1 0 2 2 控制器硬件组成结构框图1 5 2 3a t 8 9 c 5 l 的引脚图17 2 4a d c 0 8 0 9 与a t 8 9 c 5l 连接电路图2 0 2 5a d 转换流程图2 0 2 6s n 7 5 l b c18 4 电路图2 2 3 1 四通阀控非对称液压缸原理图2 6 4 1p i d 控制系统原理框图3 4 4 2 阶跃响应曲线3 7 4 3p i d 控制的阶跃响应仿真3 8 4 4 试凑法整定p i d 控制系统的阶跃响应曲线3 8 4 5 系统参数变化的p i d 控制系统的单位阶跃响应曲线3 9 4 6 积分分离p i d 程序框图4 0 5 1 模糊控制器的结构图4 7 6 1 常规模糊控制系统的s i m u l i n k 模型5 6 6 2 常规模糊控制系统量化因子变化的阶跃曲线5 7 6 3 常规模糊控制系统比例因子变化的阶跃曲线5 7 6 4 自适应模糊p i d 控制器5 8 6 5 自适应模糊p i d 控制系统的s i m u l i n k 模型6 1 6 6 自适应模糊p i d 控制系统阶跃响应曲线6 l图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 、 硕卜学何论文 1 1 引言 第一章绪论 经过不断的技术积累，液压传动及控制技术成为现代机械装备技术进步的重 要基础，广泛应用于各工业部门。液压传动及控制技术能够迅速发展，是因为它 有不可比拟的技术优越性。 液压传动单位功率重量比大，能以较轻的设备重量获得很大的力和转矩；体 积小、重量轻、惯性小，故液压控制系统可以安全、可靠并快速地实现频繁地带 负载启动和制动，易于实现过载保护，工作安全可靠；可轻易地实现正、反向直 线或回转运动和动力控制，这对机械传动相当困难，而对电力传动则更困难；在 运动过程中能方便地进行无级调速，调速范围大，调速比可达1o o ：l 到2 0 0 0 ：l ； 低速性能好，例如：多作用内曲线马达可在o 5 l r m i n 下平稳运转；液体工作 介质具有弹性、吸振和润滑能力，使液压系统运转平稳，可靠，易于散热；液压 传动的控制调节简单，操作方便，易于实现自动化；液压控制系统的负载刚性大， 受负载变化的影响小，精度高【l 】。采用液压技术的程度已成为一个国家工业水平 的重要标志。 伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统。 液压伺服系统是由液压动力机构和反馈机构组成的闭环控制系统，它可以分为机 械液压伺服系统和电气液压伺服系统( 即电液伺服系统) 两类。其中，机械液压伺 服系统应用较早，主要用於飞机的舵面控制和机床仿型装置上。随著电液伺服阀 的出现，电液伺服系统在自动化领域占有重要位置。很多大功率快速响应的位置 控制和力控制都应用电液伺服系统，如飞机、导弹的舵机控制系统，船舶的舵机 系统，雷达和大炮的随动系统，轧钢机械的液压压下系统，机械手控制和各种科 学试验装置( 飞行模拟转台，振动试验台) 等。 电液伺服系统通过使用电液伺服阀，将小功率的电信号转换为大功率的液压 动力，从而实现了一些重型机械设备的伺服控制，如本文所研究的电液执行机构 控制系统就是一种典型的电液伺服控制。 近些年来，在新技术革命的推动下，微电子技术和计算机技术得到了快速的 发展。人们已经成功地将计算机与电液伺服控制系统结合在一起，充分地发挥了 计算机的高效运算和数据处理优势，为伺服系统向智能化的方向发展奠定了坚实 的基础。 ( 2 ) 比较元件。它是将反馈信号与输入信号进行比较，得出偏差信号。输入信 号与反馈信号应该是形式相同的物理量，以便进行比较。比较元件有时并不单独 地存在，而是与输入元件，检测反馈元件或放大元件一起由同一结构元件完成。 ( 3 ) 放大转换元件。它是将偏差信号放大并进行能量形式转换的元件，如放大 器，电液伺服阀等。放大转换元件的输出级是液压的，其前置级可以是电的，机 械的，液压的，气动的，或它们的组合。 ( 4 ) 执行元件。它产生调节动作加于控制对象上，以完成控制任务，如液压缸 和液压马达。 ( 5 ) 检测反馈元件。它通过测量系统的输出量，并将其转换为反馈信号。 ( 6 ) 控制对象。控制对象即被控制的机器设备，也就是负载。 1 2 2 电液伺服控制系统的缺点： ( 1 ) 液压控制用元件的制造精度要求高； ( 2 ) 液体的体积弹性模数会随温度和混入油中的空气含量而发生变化，以至于 明显影响系统的动态控制性能； ( 3 ) 液压元件密封设计，制造或使用不当时，容易引起油液外漏，造成环境的 污染： ( 4 ) 液压能源的获得不像电能那样方便，也不像气源那样容易储存。 1 2 3 电液伺服控制系统的优点： ( 1 ) 液压元件的功率一重量比和力一质量比( 或力矩一陨量比) 大，由此可组成体 积小，重量轻的伺服系统； ( 2 ) 液压控制系统响应速度快。常见负载情况下，液压执行元件动特性基本上 坝十学何论文 是一个固有频率很高的二阶振荡环节。因为油的压缩性很小，所以液压弹簧负载 质量耦合而成的固有频率很高，由此构成的系统回路增益得以调高，频带加宽， 系统响应速度加快； ( 3 ) 电液伺服系统的控制精度高，这一点是电动和气动控制系统所不能比拟 的。因为液压弹簧刚度大，泄漏小，开环速度刚度大，构成位置闭环时的位置刚 度也大，所以受外负载影响小，位置精度高； ( 4 ) 液压油能同时起到润滑剂的作用，从而使元件的寿命延长，远比气动系统 优越； ( 5 ) 电液伺服控制系统是一个随动系统。 ( 6 ) 电液伺服控制系统是一个力的放大系统。执行元件输出的力或功率远大于 输入信号的力或功率，可达几百甚至几千倍。 1 3 国内外智能电液执行机构的应用与发展现状 1 3 1 智能电液执行机构的应用 1 3 1 1 电厂方面的应用 ( 1 ) 送引风机调节门。原执行器由于速度和精度低及无智能化造成对风量的调 节迟缓及线性不均，最终使得风煤比例不当，而使得燃烧效率低，环境污染加剧。 ( 2 ) 给水阀、过热器减温水调节阀等。这些工作在室温、高压区的盘根磨擦力 大，因此要求执行器力量大且精度高，只有电液执行器满足要求。 ( 3 ) 四角燃烧锅炉的摆动式燃烧器。摆动式燃烧器的重量大，燃烧后易变形，要 求执行器体积小、输出力量大，智能电液执行器正适合于此 7 , s l 。 ( 4 ) 鼓风机喘振控制。鼓风机的喘振控制是通过快速开启空气排放阀来实现 的。智能电液执行器能快速准确开启。 ( 5 ) 超临界直流锅炉的启动系统。 ( 6 ) 超临界锅炉的汽轮机启动系统。 1 3 1 2 造纸行业的应用 造纸行业定量水分自动控制装置必须采用精密执行器，而智能电液执行器的 性能完全优于目前各种执行器，因此可广泛应用于造纸行业。 1 3 1 3 过程控制 用于化工、石化、模具、食品、医药、包装等行业的生产过程控制，按照既 定的逻辑指令或电脑程序对阀门、刀具、管道、挡板、滑槽、平台等进行精确的 定位、起停、开合、回转，利用系统检测出的温度、压力、流量、尺寸、辐射、 亮度、色度、粗糙度、密度等实时参数对系统进行调整，从而实现间歇、连续和 户的特殊需求或者其它国际标准；电动或气动模拟输入信号进行位置控制调节； 用电脉冲二进制信号进行步进控制或打开一关闭功能；电源故障时的安全设计；通 过使用液压蓄能器或弹簧力来移动到限定位置打开或关闭；防爆型设计。 美国k o s o 公司生产的r e a xx p a c 执行器是一种专用于调节、由微处理器 控制的成套式电液执行器和驱动器】。它的调节性能与目前我们常见的电液伺服 执行机构可以媲美。而其突出特点是使用专利的流量匹配系统( f l o wm a t c h s y s t e m ) ，用泵驱动液压缸，一旦到达指定位置，泵电机停止工作且不需能量来维 持该位置( 就地锁位) 。这种执行机构因流量匹配系统( f m s ) 突破了传统电液伺 服执行机构的控制原理和结构，成为一种结构小巧、功能齐全、性能优越、成本 较低的新型电液执行器。r e x a 电液执行器自2 0 世纪9 0 年代初于美国问世以来， 就以其先进的设计思想、卓越的调节性能、可靠的工作品质而倍受关注。目前， r e x a 执行器已被广泛应用于电力、冶金、造纸、管道、石化、水处理等各个行 业，成为改善过程控制品质、提高系统运行效率的又一切实有效的手段。 1 3 3 国内智能电液执行机构发展现状 我国液压行业已形成了门类齐全、有一定生产能力和技术水平、较具规模的 生产科研体系。我国液压工业已可为工程机械、机床、塑机、冶金、矿山、石油 化工、铁路、船舶、轻工机械等提供比较齐全的产品。近年来，通过科技攻关和 技术引进，使液压产品的水平得到提高，生产出一些具备世界水平的产品。另外， 在c a d 和c a t 技术、污染控制、故障诊断、机电一体化、海水及高水基溶液的 应用、现代控制技术的应用等方面也取得可喜成果，不少已应用于生产。在先进 的智能型电液执行机构的研制上，尽管面临着一系列问题，诸如资金短缺，研发 4 硕十学伊论文 量曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼n !_i i 舅曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼皇量曼曼皇量曼 机构间的协作欠缺，相关研发项目起步晚等，但在科技攻关部门和人员的辛勤工 作下，也陆续开发出了一些具有相当水准的智能电液执行机构。 九江环球科技开发有限公司开发的b l f i i i 型智能型比例阀控制电液执行机 构运用比例阀p l c 控制技术开发全数字化电液执行机构。该产品已通过江西省科 技厅组织的技术鉴定，并获得国家专利证书。该产品选用德国生产的比例阀，输出 流量正比于比例阀控制线圈的电流，属线性比例控制系统。由p l c 和数字功率放大 器构成电液比例控制器，其主要工作原理是采用c p u ，a d ，d a 控制电路，按输入 信号呈线性比例来控制比例阀线圈电流。即通过对电的比例控制达到对液压的比 例控制，以实现电液比例控制。油站选用智能型压力变送控制器进行间断加压循环 控制，系统控制在额定压力下静压运行，适合长期稳定工作并节能降耗。整个系统 由油站、防爆电控箱、防爆电源箱、防爆接线箱等组成。所有部件在控制柜内， 便于集中控制与维修保养。 1 4 电液伺服系统控制策略简介 控制策略是电液伺服系统的灵魂。随着控制理论的不断发展，电液伺服系统 的控制策略大致经历了古典控制、近代控制、现代控制三个阶段，主要包括p i d 控制、自适应控制、鲁棒控制、非连续系统控制和智能控制等【1 2 】。下面作一简要 的介绍。 ( 1 ) p i d 控制 p i d 控制具有结构简单、易于实现等特点，在电液伺服控制系统中有广泛应 用。但传统p i d 难于协调快速性和稳定性之间矛盾，在具有参数变化和外干扰的 情况下其鲁棒性也不够好。在这种情况下吸取自适应控制和智能控制的基本思想 并利用计算机技术的优势对其进行改造，以适应要求。 ( 2 ) 自适应控制( a c ) 设计控制系统时，在不完全知道系统的参数或结构的情况下，要求一边估计 未知参数，一边修正控制作用，这就是自适应控制问题。自适应控制可分为两大 类，一类以自校正控制( s t c ) 为代表，另一类以模型参考自适应控带) j ( m r a c ) 为代 表。s t c 由于在线辨识系统参数需要实时计算，时间长，一般适用于控制慢时变 的对象。m r a c 对控制系统性能的要求是基于参考模型来体现的，模型的输出就 是理想的响应，当被控对象的参数发生变动时，m r a c 系统仍然确保被控对象的 输出为参考模型的输出。液压伺服采用的a c 大多为m r a c 或其变形。如今，恰当 吸取其它控制策略的长处，研究限制条件少、算法简便和替棒性强的a c 律是近年 来发展方向。 ( 3 ) 鲁棒控制 在实际问题中，系统的模型可能包含不确定因素，希望这时控制系统仍有良 其不同之处在于模糊控制在控制策略中采用了模糊量和模糊推理，模糊量与精确 量之间的转换以及模糊推理的规则是用专家的经脸予以确定的。模糊控制适用于 被控参量无精确的表示方法或被控对象各种参数之间无精确的相互关系的情况， 在这种情况下，控制效果比精确控制优越。模糊控制无论从理论和应用方面均已 取得了很大的进展，但与常规的控制理论相比，还是显得很不成熟。当已知系统 的模型时，已有比较成熟的常规控制理论和控制方法来分析设计系统。然而，到 目前为止，尚未建立起有效地方法来分析和设计模糊系统，它主要还是依靠经验 和试凑的方法。 神经网络是模仿人类的感觉器官和脑细胞的工作原理，由一些简单的带有门 限逻辑的单元连接而成。它可以同时接受大量的信息，对他们进行处理，并平行 输出一批信息来控制系统的运行。在系统中硬件模仿神经细胞的网络，软件模仿 神经网络的工作方式，即每个神经元接受信号按“乘权值后相加”，输出信号按 “阐值”大小确定。神经网络控制虽然可以快速地处理复杂的事物，但要求在处 理某一事物之前对系统进行教学，以便使系统通过“学习 求出“权值”和“阐 值”。它适用于重复控制及工作过程中给定的参数经常变化的对象的控制。 1 5 课题的研究目标，研究内容和拟解决的关键性问题 1 5 1 课题的研究目标 微型计算机控制技术的迅速发展以及工业过程对智能控制精度要求的不断提 高，迫切需要开发出结构合理、智能化程度高的电液执行机构的控制系统，以满 足当今工业自动化的发展要求。 6 硕1 ：学何论文 以目前国内外已有的研究为基础，对电液执行机构控制过程进行研究，并提 出一套新的控制方法，解决目前国内电液执行机构控制系统的p i d 控制策略难以 处理的问题。 1 5 2 课题的研究内容 本课题是在对兰州炼油化工机械厂l b h f 和l b d f 型电液执行机构的控制过 程详细分析基础上，依据智能控制理论等知识，并结合计算机控制技术，进行控 制方法的研究，设计出可用于工业生产各部门中的新型的智能电液执行机构控制 系统。本课题主要包括以下几个方面的研究内容： 1 5 2 1 对l b h f 和l b d f 型电液执行机构控制过程的分析 此电液执行机构所实现控制过程关键在于：将输入信号与反馈信号比较所得 的偏差信号经放大和运算，输出一个与偏差信号成一定函数关系的控制电流，驱 动电液转换、液压放大的流量控制元件电液伺服阀，以控制执行元件伺服油缸按 指定的方向运动，从而通过传动机构控制阀门的开度。直到输入信号与反馈信号 偏差为零，伺服阀控制电流接近于零，无液压油输出，使阀位停止在与输入信号相 对应位置上，达到位移与信号平衡。其系统控制框图如图1 1 所示。 图1 1 电液执行机构的系统控制框图 1 5 2 2 控制策略的研究与选定 为了实现高精度的阀位控制的目标，必须得建立相应的数学模型，提出一套 可行的控制方法。 国内外传统的控制方式大多采用p i d 控制策略，具有简单、可靠、参数整定 方便等优点。p i d 控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为 工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全的掌握，或者不能 得到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和 参数必须依靠经验和现场的调试来确定，这时应用p i d 控制技术最为方便。 由于传统的p i d 控制采用线性定常组合方案，难于协调快速性和稳态性之间 的矛盾；在具有参数变化和外干扰的情况下，其鲁棒性也不够好。随着对系统性 能要求的不断提高，它往往不能满足要求。在这种情况下，可吸取自适应控制和 智能控制的基本思想并利用计算机技术的优势，对传统的p i d 控制进行改造形成 帮能电液执行机构控制系统的 j j f 充 自适应p i d 、模糊p i d 、智能积分p i d 和非线性p i d 等，使其适应新的要求。本 文设计了一种新型的自适应模糊p i d 控制策略，很好的满足了控制要求。 1 5 2 3 计算机技术的应用 将计算机技术运用到系统的控制中来，用数字单片机代替模拟调节器，而数 字控制器则是一种数字控制算法。 采用单片机取代传统的运算放大器实现信号的处理，具有很强的数据采集、 处理、记忆、存储及通讯等能力，并具有很高的精度和故障诊断能力。 单片机控制系统的设计大致有如下几个步骤【1 3 a 4 1 ： ( 1 ) 系统分析。在设计控制系统时，首先要对被控过程进行深入的调研和分析， 根据系统的控制要求和国内外同类产品的性能，确定系统开发的总体目标。在此 基础上，综合考虑产品的功能、成本、可靠性、可操作性、可维护性等各方面的 因素，提出系统的功能要求和技术指标。 ( 2 ) 硬件设计。单片机系统的硬件设计应包括元器件的选择、逻辑电路设计、 人机接口面板设计以及印刷电路板的布线等方面的内容。最小应用系统的硬件结 构应包括存储器扩展、人一机联系设备、模拟量输入输出、并行数字接口等。 ( 3 ) 软件设计。软件的设计大体包括两部分： 系统软件设计。管理单片机自身正常运行的程序，即系统软件，也叫做监 控管理程序。主要是键盘、显示器的工作程序。 应用软件设计。这部分软件是根据系统控制提出的要求，而由用户编制的 程序，这部分软件的设计优劣关系到系统控制功能实现的成败。由于应用软件是 根据指令系统按控制功能的要求设计的，因而指令系统功能的强弱对应用系统软 件设计的影响很大。在设计系统软件时，首先要根据系统所要实现的功能要求， 确定控制系统的数学模型，将软件分成若干个相对独立的功能模块，如自检及初 始化模块、数据采集模块、键盘操作及显示的处理模块、参数调整模块、系统过 程监控模块等，并根据各模块间的相互关系确定软件的总体结构，在此基础上画 出程序流程图。根据程序流程图，采用编辑软件编写汇编语言源程序，然后用汇 编程序对源程序进行汇编，生成目标代码。 1 5 3 拟解决的关键性问题 在设计研究过程中需着重解决以下问题： ( 1 ) 基于单片机的电液执行机构控制系统及其硬件的合理配置进行研究。 ( 2 ) 电液位置伺服系统的数学模型的建立。 ( 3 ) 利用模糊控制思想，结合p i d 控制，进行自适应模糊p i d 控制算法的探求。 ( 4 ) 利用仿真软件，对系统性能进行分析。 8 硕十学位论文 1 6 课题的研究工具 在本文所进行的研究过程中，采用m a t l a b 数学软件来分析和处理数据。 m a t l a b 是矩阵实验室( m a t r i x l a b o r a t o r y ) 之意。除具备卓越的数值计 算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时 控制等功能。它具有结构化的控制语句和面向对象的编程特点，语言简洁，使用 非常方便。m a t l a b 拥有许多各种功能的工具箱，它丰富的库函数将科技工作者 从繁杂的计算机程序编制中解放出来，极大的提高了工作效率，节约了大量宝贵 的时间。 s i m u l i n k 是m a t l a b 中的一种可视化仿真工具，是一种基于m a t l a b 的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛 应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。 s i m u l i n k 可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建 模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。 s i m u l i n k 有良好的用户界面，模型由模块组成的框图表示，用户可以使用系 统模块直接进行仿真。在仿真过程中，可以很容易地修改仿真的开始和结束 时间，仿真的步长以及容许误差等系统的参数【l5 1 。 开放性使m a t l a b 广受用户欢迎。除内部函数外，所有m a t l a b 主包文件 和各种工具包都是可读可修改的文件，用户可通过对源程序的修改或加入自己编 写的程序来构造新的专用工具包。 9 智能r u 液执行机构控制系统的研究 第二章智能电液执行机构综述 本文所研究的智能电液执行机构控制系统是一种典型的电液位置伺服系统。 本章主要从硬件方面对智能电液执行机构作一综述。 智能电液执行机构从整体上可以分成控制部分和执行部分两部分。控制部分 控制着执行部分的精确运行，从而能够很好地工作；执行部分则在控制器的控制 下，按照任务的要求精确地实现其对外做功。二者相辅相成，共同组成一个整体。 本文所研究的智能电液伺服控制系统主要由智能控制器、功率放大器、电液 伺服阀、液压缸、位置传感器等组成【l “2 训。系统控制结构如图2 1 所示。 图2 1 系统控制结构 下面仅对执行器部分作一概述，重点探讨控制器部分的设计。 2 1 执行器 所谓液压执行装置，就是把液压能转换成直线，旋转或摆动运动的机械能， 从而带动机械做功的装置。液压执行装置主要有一下几类：把液压能量变换成直 线运动的液压缸；把液压能转换成