（机械制造及其自动化专业论文）变转速节流复合调速系统模糊控制仿真与实验研究.pdf

摘要 摘要 变转速节流复合调速是在变频泵控马达液压动力传动基础上发展起来的新型 液压调速方式。它将变转速调速与节流调速相结合，不但具有良好的节能性和可 靠性，同时克服了变转速液压调速系统存在动态响应慢、低速特性差等缺点，因 此被广泛研究。针对复合调速较为复杂的系统结构必须探索和研究对应的控制策 略和算法，从而建立行之有效的控制系统。论文研究了液压系统的运行机理、控 制策略，并且采用模糊p i d 控制算法设计了一套变转速节流复合调速系统的控制 系统，建立了实验台测控平台，并且完成了控制系统的仿真和实验研究。 本文介绍了液压调速回路基本形式和特点，阐述了变转速液压技术、电液测 控技术和模糊控制技术的概况和发展趋势。针对本液压实验系统，分析和总结了 变转速节流复合调速系统的控制策略以及模糊p i d 控制算法。利用a m e s i m 搭建 了仿真系统，同时通过a m e s i m 和s i m u l i n k 联合建模与仿真对系统的控制部分 进行了研究，设计了遵循复合控制策略且包含模糊控制算法的控制器。进而基于 虚拟仪器技术和模块化设计方法完成了液压测控系统的开发，数据采集部分阐述 了数据采样还原和d a q m x 的测量架构，它采用测量单个脉冲幅宽的方法来测量 马达转速，并利用一系列的数据处理方法得到理想的结果。在控制器模块部分则 主要实现了在l a b v i e w 中数字p i d 控制程序和模糊控制器的设计；视频监视模 块和网络通信模块使系统的信息化水平更高。 运用以上建立的联合仿真系统和实验平台测控系统，论文进行了大量的仿真 与实验研究。结果表明：泵控马达变转速节流复合调速系统与传统液压调速系统 相比在控制和节能方面具有明显优越性，新的复合控制策略和模糊控制算法更进 一步提高了复合调速系统的控制特性。 图【6 7 】表【9 】参【6 4 】 关键词：变转速节流复合调速；控制策略；模糊p i d ；联合仿真；测控系统 分类号：t h l 3 7t p 2 7 3 + 4 。 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 舱v a r i a b l es p e e dt h r o t t l ec o m b i n e ds p e e dg o v e r n i n gi san e wt e c h n o l o g y d e v e l o p e do nt h eb a s i so fp u m p - c o n t r o l - m o t o rh y d r a u l i cp o w e rt r a n s m i s s i o n t l l i sn e w p o w e rs o u r c e ，w h i c hu s e sv a r i a b l ef r e q u e n c ye l e c t r o m o t o rt o d r i v eh y d r a u l i cp u m p ， m e e t sp e o p l e se n e r g y - 铋v i n gr e q u i r e m e n t c o m b i n e dv a r i a b l es p e e d 、) l ，i t ht h r o t t l e ，i t n o to n l yh a sg o o de n e r g ye f f i c i e n c ya n dg o o ds p e e dr e g u l a t i n gp e r f o r m a n c e ，a v o i d i n g t h ed e f e c t ss u c ha ss l o wd y n a m i cr e s p o n s e ，p o o rl o w - s p e e dc h a r a c t e r i s t i c ，p o o rs p e e d s t i f f n e s s ，g r e a tc h a n g e so f t h ee f f i c i e n c y , e t c ，t h e r e f o r eb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l y i ti s n e c e s s a r yt oe x p l o r ee f f e c t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e sa n da l g o r i t h m s f o ri t s c o m p l e x s t r u c t u r e f i r s to fa l l ，t h eo p e r a t i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h eh y d r a u l i c s y s t e mw e r er e s e a r c h e d m o r e o v e r , as e to fv a r i a b l es p e e dt h r o t t l ec o m b i n e ds p e e d g o v e r n i n gc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e db yt h ef u z z yp i d c o n t r o la l g o r i t h m b u i l tt h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lp l a t f o r mo ft h et e s tb e n c h , t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho f t h ec o n t r o ls y s t e mh a v eb e e nc o m p l e t e d ，n l eb a s i cf o r ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i cs p e e dg o v e m i n gc i r c u i t ，t h e o v e r v i e w sa n dt r e n d so fv a r i a b l es p e e dh y d r a u l i ct e c h n o l o g y , e l e c t r o - h y d r a u l i ca n d f u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g ya r ed e s c r i b e dh e r e t h e ns o m ec o n t r o ls t r a t e g ya n df u z z yp i d c o n t r o la l g o r i t h mo nv a r i a b l es p e e dt h r o t t l ec o m b i n e ds p e e dg o v e r n i n gf o r t h eh y d r a u l i c e x p e r i m e n t a ls y s t e m a l ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d b u i rs i m u l a t i o ns y s t e mi n a m e s i m ，t h e c o n t r o ls e c t i o no fs p e e d g o v e r n i n gs y s t e m i ss t u d i e d b y a m e s i m s i m u l i n kc o s i m u l a t i o n ，d e s i g n i n gt h ec o n t r o l l e r i n v o l v i n gc o m p o s i t e c o n t r o ls t r a t e g ya n df u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h m a n dt h e nt h ed e v e l o p m e n to ft h e h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e db a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a n d m o d u l a rd e s i g nm e t h o d i nd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a q m xm e 嬲u r e m e n tf r a m e w o r k a n dd a t as a m p l i n ga n dr e d u c t i o na r ed i s c u s s e d ，w h i c hu s e sas i n g l ep u l s ew i d t h m e a s u r e m e n tm e t h o dt og e tm o t o rs p e e da n do b t a i n st h ed e s i r e dr e s u l t st h o u g has e r i e s o fd a t ap r o c e s s i nc o n t r o lm o d u l e ，t h el a b v i e wp r o g r a m so fd i g i t a lp i dc o n t r o l l e r a n df u z z yc o n t r o l l e ra r cm a i n l ya c h i e v e d i na d d i t i o n , t h ec o n t r o lp l a t f o r mr e a c h e sa h i g h e rl e v e lo fi n f o r m a t i o o f o rt h ev i d e os u r v e i l l a n c em o d u l ea n dt h en e t w o r k c o m m u n i c a t i o nm o d u l e 摘要 b ym e a n so ft h ee s t a b l i s h e d c o s i m u l a t i o ns y s t e ma n dc o n t r o lp l a t f o r mo f e x p e r i m e n t a ls y s t e m , a l o to fs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sh a v e b e e nc a r r i e d t h er e s u l t s d e m o n s w a t et h es u p e r i o r i t yo fp u m pv a r i a b l es p e e dt h r o t t l ec o m b i n e ds p e e dg o v e r n i n g s y s t e mo ne n e r g yc o n s e r v a t i o na n dc o n t r o lc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lh y d r a u l i cs p e e d g o v c m i n gs y s t e m w h a t sm o r e ，t h en e wc o m p o s i t ec o n t r o ls t r a t e g ya n df u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mf u r t h e ri m p r o v ei t sc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s f i g u r e 【6 7 】t a b l e 9 】r e f e r e n c e 【6 4 】 k e y w o r d s ：v a r i a b l es p e e dt h r o t t l ec o m b i n e ds p e e dg o v e r n i n g ，c o n t r o ls t r a t e g y , f u z z yp i d ， c o - s i m u l a t i o n , c o n t r o ls y s t e m c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h l3 7 t p 2 7 3 + 4 引言 引言 随着变转速液压传动技术的不断发展，这一新型的传动方式正在被广泛应用。 为了在节能的基础上进一步满足动态特性和速度刚性需求，液压传动领域将对变 转速调速系统的改进和优化展开日益深入的研究。目前从基础理论到相关应用层 面仍然存在着许多亟待解决的难题，如何进一步改善其控制特性是其中重要方面。 变转速节流复合调速系统，全称泵控马达变转速节流复合调速系统。由于该调速 系统结构复杂而且属于大惯性大时滞参数时变一类的难控系统，在控制系统的分 析和设计中首先必须解决两个问题：一是泵控马达变转速调速与阀控节流调速的 协调机制；二是针对传统的单一p i d 控制效果并不理想的情况探索新的控制方法。 由此可见，研究合适有效的控制结构和控制算法是非常必要和有意义的。本文围 绕变转速节流复合调速系统模糊p i d 控制以及控制策略，展开了对实验系统的计 算机仿真和基于虚拟仪器的控制系统开发及实验研究，得到了相关的结论，同时 也为后续研究提供了有效的研究手段。 2 变转速节流复合调速实验系统及控制策略 1 1 课题研究背景 1 1 1 液压调速回路 1绪论 目前最常用的传动类型包括机械传动、电力传动、液压传动等，其中液压传 动以液体的压力能进行能量传递与控制【l 】，它是动力传动和控制技术的重要组成 部分，在许多领域获得了广泛的应用。这种传动方式具有传动平稳、调速方便、 易于实现直线运动，而且功率体积比大等优良特性。根据调节速度的方式不同， 传统液压调速回路可分为节流调速回路和容积调速回路两类。 ( 1 ) 节流调速回路 节流调速回路是由定量泵、流量控制阀、溢流阀以及执行元件等组成的。流 量控制阀通过改变通流面积的大小来控制进出执行元件的流量，从而达到调节执 行元件速度的目的。根据回路中流量控制阀安放的不同位置，又可将节流调速方 式分成进口节流、出口节流、旁路节流、进出口节流等等，见图卜图4 所示。不 同的方式具有各自的特点。前两种调速回路由于在工作中的回路的供油压力不随 负载变化而变化又被称为定压式节流调速回路，而旁路节流调速回路由于回路的 供油压力随负载的变化而变化又被称为变压式节流调速回路。使用节流阀的节流 调速回路，速度负载特性都比较“软”，变载荷下的运动平稳性都比较差，为了克 服这个缺点，回路中的节流阀可用调速阀来代替，由于调速阀本身能在负载变化 的条件下保证节流阀进出油口间的压差基本不变，因而使用调速阀后，节流调速 回路的速度负载特性将得到改善；在运动平稳性和承受负值负载能力方面，出口 节流的特性较好；在最大承载能力上，进口节流和出口节流在溢流阀压力调定后， 。 最大承载为常数，旁路节流最大负载随通流面积的增大而减小；进口节流和出口 节流调速范围较大；旁路节流功率消耗较小，效率较高；进口节流中调小通流面 积可避免启动冲击，而出口节流和旁路节流启动时节流阀不能立即建立背压，有 冲击【2 】。； 。 总的来说，节流调速方式结构简单、成本较低、运行可靠、维护使用方便、调 速范围大、精度高、响应快，但是当系统在减速或低速运行时，因为泵输出的流 量是固定不变，多余的流量只能通过溢流阀流走，产生了溢流损耗，加上液压油 流过控制阀组时产生的节流损耗，所以效率很低，而且还会出现油温过高，发热 大的情况，因此节流调速一般多用于适合功率和速度变化都较小的液压系统【”】。 - 3 安徽理j i ：大学硕士学位论文 图1 进口节流调速回路 f i g 1 e n t r a n c et h r o t t l eg o v e r n i n gc i r c u i t 图2 出口节流调速回路 f i g 2 m e t e r - o u ts p e e dc o n t r o lc i r c u i t 图3 旁路节流调速回路图4 串联复合节流调速回路 f i g 3b y - p a s st h r o t t l ef i g 4 t a n d e mm u l t i - t h r o t t l es p e e dc o n t r o l ( 2 ) 容积调速 在液压回路中，变量泵的排量可以决定执行元件的运动速度，容积调速回路 通过调节排量达到调速的目的。液压泵输出的油液直接进入执行元件，因而没有 溢流和节流损失，而且工作压力随负载变化而变化，故效率较高，发热少，适用 于高速、大功率调速系统【4 】。 液压容积调速具有更大范围无级调速、良好的静态特性和动态特性且效率较 高，适应性强等特点。但是需要一套变排量控制机构和高品质的传动介质；运动 机构的响应速度慢，一般用于大功率慢速系统；电机效率随负载而变化，在轻载 时效率很低，因此调速范围受限，一般不超过1 4 0 【5 】。 1 1 2 变转速液压技术概况一 ? ( 1 ) 变转速液压技术 。 一直以来，提高效率是液压动力传动需要解决的重要问题之一。为了进一步 提高能量利用率，提升整机系统的效率，可以采用交流变频调速电机驱动定量液 4 2 变转速节流复合调速实验系统及控制策略 压泵以达到系统节能的目的。从而诞生了变频泵控马达液压动力传动这一新型节 能传动方式，相比传统的液压控制方式其具有以下优势：可以省去带有变量机 构的变量泵，而采用变频器+ 普通电机+ 定量泵的形式，由于采用了定量泵，使 噪声大大降低，拓宽了调速范围，具有更好的节能效果f 6 】。 二十世纪是液压技术从兴起到不断发展的成熟时代。八十年代，伴随着电机 变频技术的出现变转速液压技术开始发展起来。1 9 8 8 年，k a z u on a k a n o ，提出了 采用变频驱动方式实现液压系统恒压控制的方案，1 9 8 9 年和1 9 9 1 年，他和y u t a k a t a n a k a 又对这种带蓄能器变频驱动恒压系统的特性进行了研究和性能测试【7 8 ，9 1 。 1 9 9 5 年，针对几种不同方案( 变频电机驱动定量泵、普通电机驱动变量泵、变频 电机驱动变量泵) 的节能效果及动态特性作了对比实验研究【1 0 1 。同年，w uh w 等人【1 1 】对泵控马达和变频驱动泵控马达进行了基于模型的极点配置自调整自适应 控制仿真和实验研究，实验装置如图5 所示。之后在2 0 0 0 2 0 0 1 年间，h e l d u s e r s 和n e u b e r t t h 等人 1 2 , 1 3 1 对变频电机驱动定量泵系统和普通电机驱动变量泵系统的 效率进行了对比研究，结果表明：在中等负载时变频驱动系统比普通变量泵系统 的效率要高；在无载时变频驱动的电机输入功率很小，而普通变量泵系统的电机 输入功率达额定功率的9 0 ；但在满负载时，两者的效率很接近。而日本三菱公司 则率先将这一新型节能传动技术应用于液压领域，并于1 9 8 6 年成功开发了应用变 转速电动机驱动定量泵作动力源的液压电梯，获得了满意的节能和速度控制效果， 随后德国l e i s t r i t za g 、瑞士b e r i n g e r 也推出了变转速驱动的液压电梯1 1 4 】。日本、德 国对变转速电动机驱动液压泵几种形式的动静态特性及节能效果进行了研究。德 国对变转速电动机驱动液压泵这一新型动力源在塑料注射机中的应用作了深入地 研究，结果表明应用这一新型动力源可进一步降低能耗2 5 以上【1 5 1 6 】。此外，人 们还对这一新型动力源在飞机、液压转向系统及制砖厂中的应用进行了研究。 国内对这一新型节能传动方式在液压电梯中的应用也进行了深入地研究，对 变频液压调速技术的应用研究是从变频控制液压电梯开始的，二十世纪9 0 年代 初，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室开始了对变转速容积调速液压电梯 的研究，经过十几年的发展；在液压电梯节能控制技术方面取得了一批重要的科 研成果【1 7 - 2 8 1 。广东工业大学罗勇武等对交流变频闭式容积调速液压控制系统进行 了开环控制研究【2 9 】，西安交通大学王世明等对以交流变频电机和定量泵闭式容积 调速回路做了模糊神经网络闭环控制研究，取得较高的速度稳定性和回路刚度 1 3 0 j 。权龙等提出了变转速驱动液压泵的组合形式和分析了转速可调泵控制差动缸 的特性剐。 。 一 5 。 安徽理t 大学硕士学位论文 但是还存在以下关键问题：( 1 ) 如何提高在大惯性负载情况下开环应用中的 速度刚性，确保系统调速精度；( 2 ) 大惯性变负载工况时调速系统响应动态特性 的改善；( 3 ) 力控制和位置控制系统的实现及其特性分析；( 4 ) 与阀控复合控 制策略及设计原则的确定。因此认识变转速系统的特性并对其实施有效的控制是 一项极有挑战性而又必须解决的基础理论工作，也是本项目重点研究内容和关键 学术问题【3 2 1 。 ， 图5w uh - w 等人的实验装置 一f i g 5 w uh w se x p e r i m e n t a lf a c i l i t y ( 2 ) 变转速节流复合调速技术 变转速调速作为一种变容积调速，它通过改变电动机及泵的转速，以达到调 节泵输出流量的大小。在这一过程中，电机效率随负载而变化，在轻载时效率很 低，同时变转速容积调速存在动态响应慢、低速特性差、速度刚性差以及效率特 性变化大等缺点，尤其在快速减速时，由于电机制动速度慢，根本无法实现控制 系统的要求1 3 3 1 。为了使系统既节能，又能动态响应快，于是提出了在系统主回路 中加装比例方向阀，实现变转速动力源和阀控相结合的复合调速方案 3 2 3 4 3 5 1 。 2 0 0 0 年，r a d e km a n a s e k 3 6 1 对变频电机驱动定量泵进行了仿真研究，在液压 回路中保留有比例方向阀，通过对液压缸两腔的压力和泵出口压力以及负载运行 速度进行检测反馈后协调控制比例方向阀和变频器。 国内在液压电梯的研究中对变转速节流复合调速技术也进行了深入研究，特 别是浙江大学流体传动及控制国家重点实验室开展了对变频驱动液压电梯研究， 开发研制了多种变频液压电梯控制系统，其中就包括变频一阀控相结合的变频控 制系统。变频一阀控相结合的变频液压电梯控制系统，其上行采用变频容积调速 控制，下行采用包含流量一电反馈二通电液比例阀的复合控制系统。该系统对变 6 2 变转速节流复合调速实验系统及控制策略 频器的力矩性能要求不高，且无需电机轴转速反馈，简化了液压泵站结构：下行 过程中采用流量反馈的比例二通阀调速，尽管结构简单，但是没有有效利用下行 过程的势能，而且由于阀口节流损失引起的油液温升比较严重，故方案的实用性 虽不是很理想，但却是复合调速方案的一次有效实践。 翁振涛等研究了变转速与电液比例阀复合技术，提出了力控制和位置控制的 方法【3 5 1 。 宁波华液机械制造有限公司对变频与比例复合调速系统进行了实验研究，并 获得了专利【蚓。此项发明既节约了能耗，又使系统具有良好的控制性能，变频与 电液比例技术复合控制工作原理如图6 所示。 1 一电脑2 变频器3 一电机4 一油箱5 泵6 一比例溢流阀 _ - - 比例节流阀8 、1 撒向阀9 、l 旷油缸l1 位置传感器 图6 变频与电液比例技术复合控制工作原理图 f i g 6c o m p o u n dc o n t r o lp r i n c i p l ed i a g r a mo ff r e q u e n c yc o n t r o l a n de l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o l 1 1 3 电液测控技术的发展 、 一，测控技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸多领域中应用十分广泛，测 控技术的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志【3 7 1 。电 液测控技术是其中重要组成部分，它推动着液压传动技术向着电液传动技术不断 发展，使其不再只是充当一种传动方式，而且在控制环节上发挥更大的优势，成 为一座连接微电子和大功率控制对象之间的一座桥梁。 。 - - - 7 ， - 安徽理工大学硕士学位论文 随着新型传感技术、数字开闭环控制系统的出现极大地改进了基础元件的动 态特性和精度。在今天的液压系统中，各种阀、泵等元件与精密传感器、数字集 成电路紧密结合形成闭环控制，显示出动态特性和静态精度上的极大优势。 ( 1 ) 集成化 从技术构成上，电液控制是一门高交叉性、高综合性的技术，它集液压技术、 传感器技术、微电子技术、测量和测试技术、计算机应用技术、自动控制原理和 现代控制理论等众多学科于一身，形成了真正意义上的机电液一体化。从组织结 构上，它又是由传感器、信号处理电路、控制放大器、微处理器或控制器以及执 行器等多器件构成的功能单元，这种集成单元可以很好地实现系统的复合功能。 ( 2 ) 智能化 智能化的特征与趋势已经贯穿电液测控技术的整个过程。硬件上，从单个元 件的开发制造到系统的集成；软件上，从功能单元的工作机制到整个系统的开发 研究无不凸显出这一特征。伴随着智能材料的广泛引入、传感检测技术的不断提 升、微处理技术的长足发展以及新的人工智能控制理论( 模糊理论、神经网络、 遗传算法等) 深入研究都极大地推动了测控系统自学习、自适应机能的提升，并 成功地应用于科研和生产领域。特别值得注意的是，在电液控制领域，往往面对 的复杂的非线性时变系统，如何得到可靠性和精度高、响应快、鲁棒性好的效果 必须依靠与之相适应的控制策略。 ( 3 ) p i d 控制的新发展 在经典控制理论中传统的p i d 控制占有非常重要的地位，一是因为其理论基 础明晰：二是其结构简单，方便实现，所以至今在机电控制中仍然被广泛应用， 比如伺服系统控制。但是由于p i d 的线性定常组合方式很难协调快速性和稳态特 性之间的矛盾，而且鲁棒性不强，不能很好地抗干扰和应对自身和外界参数变化。 今天，在传统的p i d 基础上出现了许多先进的p i d 技术，它们是伴随计算机技术 的发展，利用自适应控制和智能控制的基本思想改造传统的p i d 控制，出现了自 适应p i d 、神经网络p i d 、模糊p i d 、非线性p i d 、基于遗传算法整定的p i d 等 新的控制方式。 ( 4 ) 网络化 信息网络化改变了人类的生产生活方式，今天大规模的生产方式向网络化生 产趋势不断发展，而无处不在微电子技术、计算机网络技术和通信技术推动了大 容量分布式测控技术的发展和完善，仪器已经成为了一个开放的系统概念，原本 的单机仪器和小范围局部的自动测控系统已经通过各种网络形成了全分斫i 式一体 8 。 2 变转速节流复合调速实验系统及控制策略 化的测控系统，最终实现信息资源的共享和生产效率的提升。 1 1 4 模糊控制 模糊理论的基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授查德( l a z a d e h ) 在 1 9 6 5 年首先提出的，并认为它将应用于人类主观因素起主导作用，必须进行分析、 判断和决策的领域。之后查德又不断完善了这一理论，为模糊控制的形成奠定了 理论基础。事实证明模糊理论对自动控制领域产生了巨大影响。 模糊控制是以模糊集合化、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算 机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，它是一种非线性控制；从控 制器的智能性看，又属于智能控制的范畴。1 9 7 4 年，英国伦敦大学的e h m a m d a n i 首先将模糊控制器应用于锅炉和蒸汽机的控制，标志着模糊控制论的诞生。3 0 多 年来，模糊控制在理论和技术方面都有了长足的发展和进步，成为自动控制领域 中十分重要的分支。已经应用涉及生产和生活的许多方面，特别是家用电器设备 和工业过程控制领域。模糊理论之所以在自动控制领域得到如此成功的应用，是 由于模糊控制器能够模拟人类运用语言信息进行思考、分析判断和决策。与常规 的控制系统相比稳定性好，鲁棒性高，抗干扰能力强；而且相比其他智能控制技 术它的原理设计更加简单清晰，易于设计、调整和维护。 “ 在我国，模糊控制作为一项实用的智能技术被广泛推广和运用，著名科学家 钱学森指出“模糊数学的理论和应用，关系到我国二十一世纪的国力和命运。 为推广模糊控制这项共性关键技术，提高产业技术创新能力和产品的国际竞争力， 经科技部( 前国家科委) 批准，一九九七年四月成立“模糊控制技术生产力促进中 心”，中心设在原机电部北京机电研究所。又如在国家“八五”重点新技术开发项目 一 “氧化铝熟料烧成自动控制管理系统”中，湖南大学的刘国才等深人研究和运用了 t s 模糊推理方法，很好地解决了氧化铝熟料烧成回转窑的自动控制难题，取得了 显著的社会效益和经济效益【3 8 1 。 本文所要研究的是如何运用电液测控技术将模糊控制应用于变转速节流复合 调速中，从而建立起一个现代化的智能液压调速控制系统。 1 2 本课题的主要工作与研究意义 - 1 2 1 课题来源与主要工作 本课题来源于国家自然科学基盒资助项目( 基金号：5 0 8 7 5 0 0 1 ) 。项目名称： 9 安徽理： 大学硕士学位论文 变转速泵控马达调速系统应用基础研究。 本文应用模糊p i d 控制的技术原理，设计了一套变转速节流复合调速系统的控 制系统，完成了实验台测控平台的开发，进行了控制系统的仿真和实验研究。主 要工作内容如下： 一 1 ) 变转速节流复合调速系统工作特点的研究； 2 ) 泵控与阀控复合控制策略及设计原则的研究； 3 ) 变转速节流复合调速系统模糊p i d 控制器的研究和设计； 4 ) 基于a m e s i m 和m a t l a b 的系统建模与仿真； 5 ) 实验软硬件及其接口技术的研究与设计； 6 ) 设计液压测控系统的软件框架，开发适用于实验台系统的控制平台； 一 7 ) 应用l a b v i e w 开发的测控平台，实现复合策略下的基于模糊自整定p i d 控 制的液压调速系统实验； 8 ) 结合实验研究结果，进行比较分析和分析，改进控制系统结构，优化控制 算法。 1 2 2 课题研究意义 变转速节流复合调速具备节能和动态响应快的优点而被广泛研究。而优化其 控制结构和方法更进一步提高了复合调速系统的控制特性，对扩展其工程应用领 域有一定的指导意义。将液压技术紧密与高新技术结合，特别是微电子技术、计 算机技术、传感器技术、智能控制技术等。在液压复合调速系统中，新型的控制 器不仅执行电液比例伺服控制、传感器信号采集、操作控制等基本自动控制功能， 还应实现人机操作界面、仪表显示控制、视频监控、远程网络和可编程等高级控 制功能。进一步提高系统可靠性、集成性和可操控性，顺应了液压技术的发展方 向。同时为液压系统的设计开发开辟了有效的新途径。 1 3 本章小结 ， 本章首先从液压调速回路基本形式开始进一步概述了变转速液压技术的研究 背景、发展现状和特点，然后主要介绍了电液测控技术和模糊控制技术的概况和 发展趋势，最后阐述了本课题的来源、主要研究内容和选题意义。 l o 2 变转速节流复合调速实验系统及控制策略 2 变转速节流复合调速实验系统及控制策略 2 1 变转速节流复合调速实验系统介绍 2 1 1 变转速液压实验系统工作原理 变转速节流复合调速实验系统是由变频器、电机、泵、流量控制阀和马达组 合而成的一种液压系统，其中主泵、比例溢流阀、比例方向阀和液压马达构成主 回路部分；加载回路由加载泵和比例溢流阀实现，加载泵通过联轴器与主回路中 的马达相连。实验装置原理图如图7 所示。 1 变频器2 - 电机妯泵仁单向阀湖止阀伽力传感器7 l 比例方向阀 蝴线马达蝴性轮1 蝴量型光电编码器1 l 柱塞泵l 蝴装阀l 卜单向阀 1 和o 、油泵1 5 一电机 1 6 一比例溢流阀 1 7 0 a 仍转换器1 8 计算机控制系统 ， 1 9 d ，a 转换器 2 0 一比例溢流阀 图7 实验装置原理图 f i g 7e x p e r i m e n t a le q u i p m e n tt h e o r yd i a g r a m 一 实验系统中，变频器l 将3 8 0 v 5 0 h z 的交流电变换为特定可调的电压和频率 的交流电送入电机2 的定子绕组中，通过变压、变频可以实现对三相异步电机2 的无级调速。主泵3 在电机2 带动下旋转；压力油经过单向阀4 、截止阀5 和比 例方向阀7 到达双向定量马达8 ，使其做回转运动，马达出油口的低压油液经比 例方向阀流回油箱。 马达输出轴通过联轴器与装有惯性轮9 和增量型光电编码器1 0 的同步带轮相 安徽理工大学硕士学位论文 连，转子轴的另一端用联轴器和加载泵l l 的输出轴相连，故马达8 可带动加载 泵1 1 旋转。加载泵l l 吸入低压油排出高压油。电机1 5 带动泵1 4 对系统进行补 油，以避免因加载泵1 l 吸空而引起的系统振荡。 加载回路中，调节溢流阀1 6 可以改变加载回路高压侧的压力和补油泵1 4 出 口的压力。补油系统是一个小流量的恒压源，4 个插装阀1 2 组成方向控制回路向 低压管补油，补偿液压泵和液压马达的泄漏。单向阀1 3 开启压力略大，可以起溢 流阀的作用，保证低压管道有一个恒定的压力值，消除气穴现象和空气渗入系统， 同时帮助系统散热。 工控机1 8 运行采集和控制程序，对光电编码传感器的输出信号进行采集和处 理以获得实时马达转速，同时经d a 端口对变频器和比例方向阀施加控制信号， 它是复合调速系统的控制核心。具体的实验装置如图8 所示。 图8 实验装置 f i g 8e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 一 2 1 2 变转速液压实验系统组成 ( 1 ) 液压装置 试验系统液压装置主要包括主泵、比例方向阀、比例溢流阀、摆线马达、补 油泵和加载泵，其具体的型号和参数如下： 主泵 。 主泵为6 3 s c y l 仁1 b 型手动变量柱塞泵，如图9 所示。它由变频器驱动的 异步电机带动旋转，技术参数如下表1 所示。 1 2 2 变转速节流复合调速实验系统及控制策略 图9 主泵和电机 图1 0 电液比例方向阀 f i g 9 m a i np u m pa n dm o t o r f i g 10e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a lv a l v e 表1 泵的参数 t a b l e 1 p u m pp a r a m e t e r s 电液比例方向阀 比例方向阀用来控制马达和惯量轴正转或反转，调节阀口的开度可以改变马 达转速。主回路采用b o s c h 的4 w r e l o e 2 5 2 x g 2 4 k 3 l a l v 型电液比例方向阀， 如图l o 所示。它既可以控制马达和惯量轴的旋转方向又能通过调节阀口开度改变 马达转速。技术参数见表2 ，流量调节曲线和时间响应曲线如图l l 、图1 2 所示。 表2 比例方向阀技术参数 t a b l e 2 p r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a lv a l v et e c h n i c a lp a r a m e t e r s 1 3 安徽理工大学硕十学位论文 晕 制 心 逛 ll p - a b - 9 t o l r p _ b a竹t 钐 之： z 勿钐莎厂 么髟 国 譬了一 14 p - 1 0 b a r o o c m t t m t 24 p 。2 0h r o o n s t t m t 534 p - 8 0 t m r a 删 24 , t o - s oh r o o n s t a m sa t , - 1 0 0 b a r o 啪l 蠢m 拍鞫弱为柏1 0 0 控制信号( ) 图1 1比例方向阀流量调节曲线 f i g 1 1 f l o wa d j u s t i n gc u r v e so f t h ep r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a lv a l v e o 一1 o _ 7 5 o 一铂 一2 s 、 ，f f l l f 、l 1l l1 i 。1、 i 、r 、x o 4 0柏l 柏t 的 时间( m s ) 图1 2 比例方向阀时间响应曲线 f i g 1 2 t i m er e s p o n d i n gc u r v e so f t h ep r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a lv a l v e 摆线马达 j o 马达为b 黼3 1 5 型摆线马达，如图1 3 所示，技术参数如表3 所示。 表3 马达技术参数 t a b l e 3m o t o rt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 1 4 ”的铃 柏 轮船 饴 i暑厂1v栅曝 零一 2 变转速节流复合调速实验系统及控制策略 图1 3 马达和加载部分 f i g 13 m o t o ra n dl o a d i n g p a r t i a le l e m e n t 比例溢流阀 比例溢流阀是b o s c h 的d b e e1 0 5 1 3 5 0 y g 2 4 n l l m 型直动式比例溢流 阀。最低调节压力和控制特性曲线分别如图1 4 和图1 5 ，主要参数如表4 。 s 妇1 0s t z 2 5 流量( l m t n ) 图1 4 最低调定压力曲线 f i g 14 t h em i n i m u m s e t t i n gp r e s s u r ec u r v e 芒 r 蹬 ， 一矿 彦少 彳 矿 控制信号( ) 图1 5 控制特性曲线 f i g 15 t h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 表4 比例溢流阀技术参数 t a b l e 4p r o p o r t i o n a lr e l i e f v a l v et e c h n i c a lp a r a m e t e r s 淼抛抛伽小驺o o o o o o o o o o 舶m舢拗抛啪m的 。 一曩邑r幽披器、，嚼 安徽理工大学硕士学位论文 补油泵及补油电机 补油泵的型号为：p v l 2 6 5fi r - d 。额定排量为6 4 7m l ，额定转速为1 5 0 0 r m i n 。 补油电机是y 2 1 0 0 l 2 - 4 型三相异步电动机。质量3 8k g ，额定功率为3 0k w ， 额定转速为1 4 1 0r m i n 。 ( 2 ) 电气装置 试验系统电气装置主要包括变频器、异步电机、直流电源、工业控制计算机、 增量型光电编码器等，其具体的型号和参数如下。 变频器 电气设备方面，采用a b b 公司的a c s 8 0 0 0 1 0 0 7 0 3 + p 9 0 1 型通用变频器对 交流异步电动机进行调速，如图1 6 。所示该系列传动产品在全功率范围内统一使 用了相同的控制技术，例如启动向导，自定义编程，直接转矩控制，通用备件， 通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。 a c s 8 0 0 系列变频器有两种控制模式gd t c 即直接转矩控制和s c a l a r 即标 量控制【3 9 1 。其中d t c 是a c s 8 0 0 的核心技术，也是目前最先进的交流异步电机 的控制方式。这种控制方式相对s c a l a r 精度更高，性能更稳定杰出，所以广泛 表5 - 直接转矩控制的系统性能参数 t a b l e 5d i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s 电机控制a b b 的直接转矩控制( d 1 ) 转矩控制转矩响应时间： 开环额定转矩下 5m s 闭环额定转矩下 2 0 0 5 a 1 2 +过程实际测量值 a 1 2 0 ( 4 ) - 2 0 m a 矗- 1 0 0 欧姆 6 7 a 1 3 + 缺省状态下。未定义 8a 1 3 o 【4 ) 一2 0 m a 一i o o 欧姆 ；肺 9 a o l + m o t o r s p e e d0 ( 4 ) - 2 0 m a 1 0 a o 卜 0 - o 明c 额定转速。矗s7 0 0 欧姆 驴奇 1 1a 0 2 + 输出电流 0 ( 4 ) 一2 0 m a 1 2 a 0 2 o 电机额定转速t 吃s7 0 0 欧姆 图16a o s 8 0 f f 系列变频器图l7 变频器外控接线图 。， f i g 16 a