（机械工程专业论文）基于二次调节的减速器加载系统分析与模糊控制研究.pdf

摘要 减速器加载系统分为开放式和封闭溅两种类擞，开放式加栽系统 嚣旋囊天法嚣毅鞴霭、效率低、箕试验成零摆瓣子封麓式热载系统蹇等 缺点，誉藏这释系统已经餍途很少，褥熬于次缓淫麓瓣凝速器翻载系统 与封闭式电加载系统棚比具有以下优点：1 ) 能量阐收宰高、系统效率 高；2 ) 重量轻、安装空阔较小、成本戡小。 零文系统趣辩基予次缀调节静减遮器试验燕载蒸统进程了分辑，建 立了用于频域分柝的传递函数模型，势测用m a t l a b 中s i m u l i n k 工具箱 对减速器试验加载系统进行了仿真研究，同时对适乎本系统的模糊控制 遴孬? 探索专磷宠，建交7 转速模耪控嬲燕襄表，髂赛终采莓鲣，系统 采溺模赣控铺屠，基本演除了系统参数黛化、驱动转速秘燕载转雉翦波 动( 枫城耦合) 的影响，健紧统获得了很强的鲁棒性和解耦功能。 本系统熬模糊控割分析，对其它模糊控剃系统熊建立也具肖借鉴和 参考鹣作霞。 关键词：加载系统黄滋豳数模糊撩制仿真 a b s t r a c t t h el o a d i n gs y s t e mf o rg 妣r b o xh a st w ot y p e s ：o n ei so p e ns y s t e m8 癌t h e o t h e ri sc l o s es y s t e m d u et ot h ew e e k n e s so fe n e r g yl o s s ，l o we f f i c i e n c ya n d h i g h e rt e s t i n gc o s tc o m p a r e dt ot h ec l o s es y s t e m , c u r r e n t l y ，t h eo p e ns y s t e mh a s b e e nu s e dl e s sa n dl e s s c o m p a r i n gt oc l o s e de l e c t r i cl o a d i n gs y s t e m ，t h e g e a r b o xl o a d i n gs y s t e mb a s e do ns e c o n d a r yr e g u l a t i o ns y s t e mh a ss u c ha d v a n t a g e s 1 ) h i 曲e re n e r g yr e c o v e r yr a t ea n dh i g h e rs y s t e me f f i c i e n c y ：2 1 0 w e rw e i g h t ， s m a l l e ri n s t a l l a t i o ns p a c ea n dl o w e rc o s t t h eg e a r b o xl o a d i n gs y s t e mb a s e do ns e c o n d a r yr e g u l a t i o ns y s t e mh a sb e e n a n a l y s e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h i sp a p e r t r a n s m i s s i o nf u n c t i o nu s e df o r f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sh a sb e e ns e t 姆a n dt h eg e a r b o xl o a d i n gs y s t e mh a s 的e ns t u d i e db ys i m u l a t i o nm e t h o dw i t hs i m u l i n kt o o l b o xo fm a t l a bi ni t ，a t s a 孤e t i m et h ef u z z yc o n t r o ls u i t a b l ef o rt h es y s t e ma l s oh a sb e e ne x p l o e r e da n ds t u d i e d a n dt h er u l et a b l ef o rr o t a t i o ns p e e do ff u z z yc o n t r o lh a sb e e f te s t a b l i s h e ds o t h a tt h er e s u l to fs i m u l a t i o nc a nb ef o r e s a w 。b ya d o p t i n gf u z z yc o n t r o l ，t h e e f f e c tt ot h es y s t e mf r o mv a r i a t i o no fp a r a m a t a r ，f l u c t u a t i o no fd r y i n gs p e e d a n dl o a d i n gt o r q u e ( m e c h a n i cc o u p l i n g ) h a sb e e ne l i m i n a t e db a s i c l y ，t h e r e f o rt h e s y s t e mh a sa q u i r e dh i g hr o b u s ta n dc o u p l i n gp r o p e r t y t h ea n a l y s i s 娃t h ef u z z yc o n t r o lf o rt h i ss y s t e ma l s oc a nb er e f e r e n c e df o r e a s t a b l i s h i n go t h e rf u z z yc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d ：l o a d i n gs y s t e mt r a n s m i s s i o nf u n c t i o nf u z z yc o n t r o ls i m u l a t i o n 摘要 减速器加载系统分为开放式和封两式两种类型，开放式加载系统 因能纛无法回收利用、效率低、其试验成本相对于封闭式加载系统高等 缺点，目前这种系统已经用途很少，而基于次级调节的减速器加载系统 与封闭式电麓载系统楣魄具有以下优煮：1 ) 能量匿收率蹇、系统效率 高：2 ) 重量轻、安装空间较小、成本较小。 本文系统地慰基予次级调节的减速器试验加载系统进行了分拆，建 立了用于频域分析的传递函数模型，并利用m a t l a b 中s i m u l i n k 工具箱 对减速器试验加载系统进行了仿真研究，同时对适于本系统的模糊控制 进行了探索与研究，建藏了转速模糊控制规则表，仿真结果可知，系统 采用模糊控制麝，基本消除了系统参数变化、驱动转速和加载转矩的波 动( 机械耦合) 的影响，使系统获得了很强的鲁棒往和解耦功能。 本系统的模糊控制分析，对其它模糊控制系统的建立也具有借鉴和 参考的佟用。 关键词：加载系统传递函数模糊控制仿真 a b s t r a c t t h el o a d i n gs y s t e mf o rg e a r b o xh a st w ot y p e s ：o n ei so p e ns y s t e ma n dt h e o t h e ri sc l o s es y s t e m d u et ot h ew e e k n e s so fe n e r g yl o s s ，l o we f f i c i o n c ya n d h i g h e rt e s t i n gc o s tc o m p a r e dt ot h ec l o s es y s t e m , c u r r e n t l y ，t h eo p e ns y s t e mh a s b e e nu s e dl e s sa n dl e s s c o m p a r i n gt oc l o s e de l e c t r i cl o a d i n gs y s t e m ，t h e g e a r b o xl o a d i n gs y s t e mb a s e do ns e c o n d a r yr e g u l a t i o ns y s t e mh a ss u c ha d v a n t a g e s 1 ) h i g h e re n e r g yr e c o v e r yr a t ea n dh i g h a rs y s t e me f f i c i e n c y ；2 ) l o w e rw e i g h t ， s m a l l e ri n s t a l l a t i o ns p a c ea n dl o w e rc o s t t h eg e a r b o xi o e d i n gs y s t e mb a s e do ns e c o n d a r yr e g u l a t i o ns y s t e mh a sb e e n a n a l y s e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h i sp a p e r t r a n s m i s s i o nf u n c t i o nu s e df o r f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sh a sb e e ns e tu p a n dt h eg e a r b o xl o a d i n gs y s t e mh a s b e e ns t u d i e db ys i m u l a t i o nm e t h o dw i t hs i m u l i n kt o o l b o xo fm a t l a bi ni t 。a ts 舢e t i m et h ef u z z yc o n t r o ls u i t a b l ef o rt h es y s t e ma l s oh a sb e e ne x p l o e r e da n ds t u d i e d a n dt h er u l et a b l ef o rr o t a t i o ns p e e do ff u z z yc o n t r o lh a sb e e ne s t a b l i s h e ds o t h a tt h er e s u l to fs i m u l a t i o nc a nb ef o r e s a w b ya d o p t i n gf u z z yc o n t r o l ，t h e e f f e c tt ot h es y s t e mf r o mv a r i a t i o no fp a r a m e t e r ，f l u c t u a t i o no fd r y i n gs p e e d a n dl o a d i n gt o r q u e ( m e c h a n i cc o u p l i n g ) h a sb e e ne l i m i n a t e dh a s i c l y ，t h e r e f o rt h e s y s t e mh a sa q u i r e dh i g hr o b u s ta n dc o u p l i n gp r o p e r t y t h ea n a l y s i so ft h ef u z z yc o n t r o lf o rt h i ss y s t e ma l s oc a nb er e f e r e n c e df o r e a s t a b l is h i n go t h e rf u z z yc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d ：l o a d i n gs y s t e m t r a n s m i s s i o nf u n c t i o n f u z z yc o n t r o ls i m u l a t i o n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 课题研究目的和意义 随着我国煤炭需求的增加、煤炭行业逐步扩大，同时对各种矿用设 备的工作性能和可靠性等的要求也越来越高。近年来，用于各个矿业公 司的刮板输送机及转载机，通过在实际工作中的调查分析，动力部( 由电 动机，减速器及相关连接件组成对其总体工作性能和可靠性有重要影响， 其中电动机为成型产品，其工作性能和可靠性等指标均已通过严格检测， 设计时按要求选择即可，而减速器是我公司自主设计制造的，因此为了 保证动力部的工作性能和可靠性，应将重点放在减速器上。对于新设计 制造的减速器，需要利用专门的高动态性能固定试验台对其进行模拟加 载试验，检测各项工作性能和可靠性指标是否满足要求，以往对较简单 的单项试验如出厂试验等，可在传统的液压式加载试验台上进行，但其 功率消耗很大，效率很低。目前我公司用于检测减速器性能的1 0 0 0 k w 电封闭加载试验台、4 0 0 k w 电封闭加载试验台都能基本满足出厂试验、 型式试验、温升试验的使用要求。但在相同功率下，其缺陷主要包括： ( 1 ) 所用电器设备庞大复杂，所需费用较高；( 2 ) 虽然可实现功率回收，提 高了效率，但由于其回收功率以电能形式回馈给电网，因而在动载变化 较大时，对电网的冲击较大，某些电器元件被烧坏的情况时有发生。 由于近年来加载试验台技术的不断发展，使得许多试验都可以在具 有高动态性能的固定试验台上完成，而利用次级调节技术的液压伺服加 载试验台就是近年来为人们所重视的一类加载试验台，这种加载系统与 传统的变量泵定量马达系统不同，它采用带有蓄能器的恒压中心油源 ( 一次元件) 实现与各个单独调节回路( 二次元件) 之间的压力耦联， 该系统具有能量可回收利用，效率高，且可以多用户并行工作，远离动 力源，冲击小，噪声低，系统控制性能好等优点，因此被认为是液压领 域的重大突破。但次级调节液压伺服加载试验台同时也具有非线性、时 变性、参数不确定性，难于建立其精确的数学模型。即使得到了它的数 学模型，结构也往往十分复杂，参数较多，难以用现有的控制方法实现 有效的控制。而模糊控制作为一种智能控制，它无需被控对象的数学摸 型，就能对其实现有效的控制，本文在对次级调节技术的液压伺服加载 试验台进行系统分析的基础之上，着重研究了模糊控制应用于本系统的 有效性，对于其它应用模糊控制的系统也具有借鉴和参考作用【l 】。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 1 2 二次调节技术的研究发展与应用 二次调节静液传动系统是近年新发展起来的节能系统它具有一系 列的独特优点，因而越来越受到人们的重视，二次调节静液传动系统是工 作于恒压网络的压力耦联系统，能在四个象限内工作，回收与重新利用系 统的制动动能和重物势能；在系统中二次元件能无损耗地从恒压网络取 得能量，因而大大地提高了系统效率；系统中可以同时并联多个负载，在各 负载端可分别实现互不相关的控制规律；扩大了系统的工作区域，改善了 系统的控制特性，减少了设备总投资，降低了工作过程中的能耗，节约冷却 费用在能源日益紧缺的今天，基于能量回收与重新利用而提出的二次调 节技术具有重要的理论研究意义和实际应用价值，国外从7 0 年代末开始 此项技术的研究，现已将它应用于造船工业、车辆传动、大型试验台等领 域，取得了显著的节能效果由于这项技术的成功利用，使得液压技术向 前推进了一大步。二次调节技术起源于德国，从事这项技术的研究也主 要限于德国。目前国外从事这方面研究的单位主要有德国汉堡国防工业 大学静液传动和控制实验室l h a s 、亚琛工业大学流体传动与控制研究 所r w t h 和博士力士乐有限公司( b o s c hr e x r o t hg m b h ) 。国外该研究方 向的代表人物主要有德国汉堡国防工业大学的h w n i k o l a u s 教授、亚琛 工业大学的w b a c k e 教授以及力士乐公司的r k o d a k 先生等【2 】。 1 9 7 7 年，h w n i k o l a u s 教授首先提出二次调节静液传动的概念。1 9 8 0 年，w b a c k e 教授和h m u r r e n h o f f 先生开始利用单出杆变量油缸的二次 元件进行液压直接转速控制的二次调节系统的研究【3 1 。1 9 8 1 年， h w n i k o l a u s 教授采用双出杆变量油缸的二次元件进行液压直接转速控 制的二次调节系统的研究。在这种液压直接转速控制的二次调节系统中， 用测速泵来作为二次元件输出转速的检测和反馈元件。由于测速泵的最 小感知转速较高，当所要求的转速低于最小感知转速时，不能真实地检 测转速值。因此，这种系统的调速范围比较小，最低工作转速也比较高。 1 9 8 2 年开始研究液压先导控制二次调节系统，其中有机液位移反馈调速 和机液力反馈调速两种调速形式。从1 9 8 3 年开始研究电液转速控制的二 次调节系统和电液转角控制的二次调节系统【4 】。在电液控制系统中，用 测速电机作为二次元件输出转速的检测和反馈元件，它的最小感知转速 低，系统的调速范围大，消耗的能量少，系统的效率高。此后又有一系 列关于对二次调节系统的研究，其中有对单反馈和双反馈电液转速控制 二次调节系统的研究等 5 1 。 1 9 8 7 年，f m e t z n e r 为提高系统的控制性能，提出了数字模拟混合 一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 转角控制系统，将经过电液力反馈转速控制的二次元件作为被控对象， 用数字p i d 控制方法，实现位置( 转角) 、转速、转矩和功率控制 6 1 。1 9 9 3 年，w b a c k e 和c h k o e g l 又研究了转速和转矩控制的二次调节问题，其 中包括对这种系统中两个参数的解耦问题的研究。1 9 9 4 年，r k o d a k 先 生研究了具有高动态特性的电液转矩控制二次调节系统，并在四轮驱动 车上进行了实物试验p 】。1 9 9 5 年，德国力士乐公司为德累斯顿工业大学 内燃机和汽车研究所研制了大功率、用于旋转试件并接近于实际运行条 件的二次调节反馈控制试验台。从此，这一技术开始逐渐应用到生产实 际中，并不断地扩大应用范围。目前在德国，这项技术已进入实用阶段， 在许多与液压相关的领域获得了成功利用。以力士乐公司为代表，在二 次调节技术方面，具有多项专利技术，用于二次调节的二次元件和控制 器等也有多种系列产品【s 】。 1 2 1 国内二次调节技术的研究发展概况 我国从8 0 年代末开始从事二次调节技术的研究哈尔滨工业大学、浙 江大学、中国农机研究院以及同济大学等单位都对该技术进行了不同形 式的研究1 9 9 0 年哈尔滨工业大学谢卓伟等用单片机组成数字闭环控制 系统，并用变结构p i d 控制算法来控制二次元件的输出转速：浙江大学金 力民等研究了造成系统低速滞环现象的原因，并采用非线性补偿算法克 服低速滞环：中国农机研究所阎雨良等进行过二次元件调速特性的实验 研究；同济大学范基等进行过二次调节系统的节能液压实验系统研 制；1 9 9 2 年哈尔滨工业大学蒋晓夏首次将自适应控制策略用于二次调节 系统【9 1 ；1 9 9 5 年哈尔滨工业大学姜继海等人用智能p i d 、神经网络和模糊 控制等方法分别对二次调节的转速控制和转角控制进行了研究；1 9 9 7 年 哈尔滨工业大学田联房设计、安装了国内第一台应用二次调节原理的转 矩伺服加载实验台，从时域和频域对系统进行了研究，引入了解耦控制，并 探讨了对转速和转矩控制系统采用双控制器来消除其问耦合的可行【1 0 】。 国内贵阳航空液压件厂引进了德国力士乐公司的二次调节液压元件 制造技术。北京理工大学液压实验室引进安装了德国力士乐公司生产的 二次调节扭矩加载实验台。通过对引进的二次调节技术和设备的消化和 吸收，取得了一些阶段性成果。 1 2 2 二次调节技术的应用 a 回收位能在有位能变化的机械中，例如起重机械、搬运机械、 卷扬机械、矿井提升机械以及索道机械等，利用二次调节技术可以回收 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 其位能。 b 回收惯性能对于往复运动机械，在频繁的启动、制动过程中会 产生和消耗许多惯性能，利用二次调节技术，不仅可以储存惯性能还可 以在启动时释放所储存的能量，以利于加速启动，提高工作效率。市内 公共汽车、印刷机械、锻压机械、挖掘机、矿区的采矿车等都是很好的 应用领域。 c 试验设备二次调节系统除了具有可回收能量和重新利用的特 点外，其最突出的优点在于它同数字控制的完美结合，可灵活方便地实 现各种控制，使系统获得相当高的动态性能，因而可利用二次调节系统 来模拟各种复杂的旋转运动状态，这种系统特别适用于各种旋转试件的 模拟加载、性能测试等试验。在这种试验台上可进行减速器、液压泵、 马达、内燃机、皮带轮等旋转试件的模拟加载、性能测试等试验。 1 3 减速器加载系统概述 输送机在工作中，随着采煤机割煤量等因素的变化，减速器扭矩与 转速也是变化的。因此，试验加载系统应具备扭矩、转速可变化的条件， 且其扭矩、转速的变化应是可单独调节的。减速器试验加载系统主要分 为开放式和封闭式两大类。 1 3 1 开放式加载系统 开放式加载系统原理如图1 1 所示。驱动单元由电动机( 或内燃机、 液压马达等) 、及附属装置组成，它负责向系统提供动力( 功率) ，驱动转 速的调节由电机调速来实现：试验单元主要由被测装置、减速器、转矩 转速测量装置以及其它一些测量装置组成；负载模拟单元主要由测功机 ( 或液压加载器等) 及附属装置组成，加载转矩由测功机( 或液压加载器) 调定。 开放式加载系统的工作原理及工作过程比较简单，整套设备的技术 含量低，制造成本相对较低，但它的致命弱点是需要大功率动力，能量 无法回收利用，效率低，因此其试验成本相对于后面所述的封闭式加载 系统来说较高。 功率输入+ 匹三至三丑臣垂圣至 臣至垂亘至! i ! + 动率消耗 图1 i 开放式加载系统原理示意图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 2 封闭式加载系统 封闭式加载系统又分为电力封闭式、机械封闭式和液压封闭式几种。 a 电力封闭式加载系统这种加载系统的原理如图1 2 所示。驱动 单元由交流( 或直流) 电动机及附属装置组成，驱动转速的调节由电机 调速来实现：试验单元与开放式相同；负载模拟单元由交流( 或直流) 发电机及附属装置组成，负载转矩由发电机形成。 图l - 2 电力封闭式加载系统原理示意图 负载发电机产生的电能通过电网加以回收并反馈给驱动电机，形成封闭 的功率流，从而降低试验能耗，系统效率高。但由于功率回收技术是一 项专业性非常强的技术，整套装置的成本非常高，又由于回收过程的回 收效率受加载负荷的影响较大，而且对于大功率加载系统来说，试验台 及电动机体积庞大，另外，在系统动载变化较大时，可能对电网造成较 大的冲击。 b 液压封闭式加载系统这种加载系统的原理如图1 3 所示。驱动 单元由油源、液压马达及相关液压元件组成，它负责向系统提供动力( 功 率) ，通过对液压马达流量和斜盘摆角的调节，来满足对不同驱动转速的 要求；负载模拟单元由液压泵及相关液压元件等组成，通过控制液压泵 的斜盘摆角，可模拟各种工况下的负载转矩。负载模拟单元产生的液压 能通过液压网络加以回收，并直接反馈给驱动单元，形成封闭的功率流， 从而降低试验能耗，系统效率高。系统加载过程中所形成的动载影响， 基本被限制在液压系统内部，对电网的冲击很小。 图1 - 3 液压封闭式加载系统原理示意图 如果将图1 3 中的液压马达和液压泵换成二次元件，就构成了二次调节 加载系统。由于二次调节加载系统可充分利用计算机控制的优越性，使 加载参数( 转矩和转速) 的调节非常曩毋方便，所以系统的静、动态性 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 能好，可对各种复杂工况进行模拟。因此，将这种二次调节式加载系统 用于减速器加载试验，是十分理想的。 1 4 二次调节加载系统原理与特点 1 4 1 原理 二次调节加载系统原理如图1 - 4 所示。可逆式泵，马达元件9 ( 或1 5 ) 与电液伺服阀8 ( 或1 7 ) 、变量液压缸7 ( 或1 6 ) 、位移传感器6 ( 或 1 8 ) 等组合在一起，统称为二次元件。电动机l 、恒压变量泵2 、蓄能 器3 、安全阀4 及相应的管路等元件构成恒压网络，为整个加载系统提 供稳定的恒压动力源。元件9 和1 5 以压力耦联方式并联于恒压网络上， 两元件机械端口之间通过转速转矩传感器l o 、1 3 以及加载对象1 2 刚性 地连接在一起。元件9 为马达工况，为加载系统提供所需的驱动转速， 它同电液伺服阀8 、变量液压缸7 、位移传感器6 、转速传感器1 0 和 控制器l l 构成转速控制系统。元件1 5 为泵工况，实现对加载对象1 2 的加载，它同电液伺服阀1 7 、变量液压缸1 6 、位移传感器1 8 、转矩传 感器1 3 和控制器1 4 构成转矩控制系统。 l 一电动机扣恒压变量泵卜蔷能器4 _ 责全阔卜油箱毛l 扣位移传蹲器7 t 1 6 _ 受 量液压缸8 1 7 - 电液伺服阎9 ，l 卜可逆式泵，马达元件l o _ 精速传感罂1 1 ，1 4 _ - 控制器 1 2 _ 咖载对象l 卜精矩传感器 图1 4 二次调节加载系统原理 在该加载系统中，转速控制系统和转矩控制系统为典型的电液伺服 系统，二者相互独立，可分别进行调节，以满足加载系统对转速和转矩 的不同要求。系统工作时，由控制器l l 和1 4 分别向电液伺服阀8 和1 7 发出电信号，通过阀控缸机构( 前置级排量控制) 改变元件9 和1 5 的斜 盘摆角，从而使其排量发生变化，以适应外负载转速和转矩的变化。另 外，当系统进行工作时，元件9 ( 马达) 由恒压网络获取液压能，并将 其转换成机械能来驱动加载对象1 2 和元件1 5 ( 泵) ，实现加载，元件1 5 ( 泵) 将机械能转换成液压能后又直接回馈给恒压网络，重新用来驱动 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 元件9 ( 马达) ，在元件9 ( 马达) 和元件1 5 ( 泵) 之间形成闭式循环。 这样，恒压油源所提供的液压能只是用来补偿系统的容积损失和机械损 失，而驱动元件9 ( 马达) 所需的大部分能量都来自元件1 5 ( 泵) 。此外， 在该加载系统中，没有节流元件，因而避免了节流损失。由此可见，该 加载系统在工作中不仅减少系统发热，而且还可以达到节能目的。 1 4 2 特点 同传统的加载系统相比，二次调节加载系统有如下一些特点： a 多个二次元件可联合工作于一个恒压网络上，每一二次元件可单 独进行调节，且既能工作于泵工况，又能工作于马达工况，因此可方便 地实现驱动和加载功能的互换。 b 通过对二次元件斜盘摆角的自动调节，可灵活方便地实现转角、 转速、转矩和功率的计算机数字控制，系统静动态性能好。 c 可实现能量回收、储存和重新利用，系统效率高。 d 功率密度大、重量轻、安装空间和设置功率较小。 1 5 模糊控制发展史简介 1 9 8 4 年年底“国际模糊系统学会( i f s a - i n t e m a t i o n a lf u z z ys y s t e m 舢c i 撕) ”正式成立，学会下设“模糊”( f u z z y ) 在英语中注释为”l i k e f u z z y ”或”i n d i s t i n c t , 即”绒毛状的”、“形状不清的”，众所周知，液压伺 服系统是一种非线性和时变性系统，这一方面是因为系统的固有特性如 摩檫力、阀工作死区等非线性及阻尼系数、流量系数的时变性，另一方 面亦因负载和工作环境的时变性，因而要得到系统的精确数学模型非常 困难，若采用经典的和现代的控制理论对系统进行控制，很难收到满意 的效果，而智能控制作为一种新型的控制理论，越来越受到人们的重视， 这是因为它具有以下优点：a 不需要了解被控对象的数学模型；b 控 制器不是数学解析型控制器，而是运用人工智能设计的智能型控制器， 它把专家的经验总结成若干控制原则进行有效控制，控制算法十分简单； c 鲁棒性强，即被控对象模型参数发生变化时，仍能保持良好的控制性 能，能克服较大非线性和系统时变性。 模糊集合和模糊算法的概念由美国加利福尼亚大学著名教授 ( l a z a d e h ) 于2 0 世纪6 0 年代，在他的f a z z ys e t s 和f u z z y a l g o r i t h m s 等著名论著中首先提出。此后： 1 9 7 2 年2 月，日本以东京工业大学为中心，发起成立“模糊系统研 究会”。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 1 9 7 4 年在加利福尼亚大学的美日研究班上，开始了有关“模糊集合 及其应用”的国际学术交流。 1 9 7 8 年国际上开始发行 f a z z ys e t sa n ds y s t e m s 专业期刊。 1 9 8 4 年在夏威夷首次召开国际会议商讨成立国际学会事宜。“智能 系统”( i n t e l l i g e n ts y s t e m s ) 和“经营和生产中的模糊系统弋f u z z ys y s t e m s i nb u s i n e s sa n dm a n u f a c t u r i n g ) 两个研究部。前者以人工智能和机器人 等的智能系统为研究目标：后者以经营和生产中的决策方法和控制器的 开发为研究目标，此外，还有一个从事模糊数学理论成果应用的部门。 这些研究部和学会都是国际性组织，在中国、美国和欧洲各部地区设有 分部【1 1 1 。 1 5 1 模糊控制原理 模糊控制是2 0 世纪7 0 年代开始发展起来的一种控制策略，它是以 模糊集合论、模糊语言变量、模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控 制。从线性与非线性角度来分类，它属于非线性控制；从控制器的智能 性来看，它属于智能控制的范畴。 图l - 5 所示为一典型的模糊控制器，它由模糊化、模糊推理和去模 糊化三部分组成。模糊控制器的输入为精确量，为了进行模糊推理必须 先将精确量转化为模糊量，该过程称为模糊化；模糊推理则是用来根据 某种控制规则进行推断决策，输出模糊值：要想让模糊推理输出的模糊 值控制执行机构，还必须将模糊输出转化为非模糊值，该过程称为去模 糊化。经过去模糊化后得到的精确量，作为模糊控制器的输出去控制执 行机构。 图1 5 简单模糊控制器 模糊控制具有如下一些优点： a 模糊控制不需要建立被控对象的数学模型： b 控制器不是数学解析型控制器，而是运用人工智能设计的智能控 制器，将专家的经验总结成若干条规则进行有效控制； c 鲁棒性强，即被控对象模型结构和参数发生变化时仍能保持良好 辽宁工程技术大学硕士学位论文9 的控制性能； d 适应各种时变系统，而且能克服较大的非线性。 但模糊控制也有许多不足之处，如稳态精度较差，难以建立准确的 模糊控制规则，量化因子的选择要经过现场调试摸索取得，推理过程运 算量较大等。为了克服模糊控制器的缺点，出现了改进的模糊控制器、 自适应自学习的模糊控制器和基于神经网络的模糊控制器等，近年来国 内在电液伺服控制领域有许多这方面的应用实例。 1 5 2 模糊控制的应用 自2 0 世纪8 0 年代后期开始，模糊控制进入了实用化阶段，并且其引 用技术逐渐趋向成熟，应用面也逐渐扩展，国外以日本、美国等尤为突出。 主要反映在： a 在模糊控制应用技术研究的前期，以大型机械设备和连续生产 过程为主要对象，而目前已扩展到大众化机电产品，如以电视摄像机自 动聚焦等家用电器的应用为对象。据日本电气公司( n e c ) 在2 0 世纪末 统计，松下、三菱、东芝等公司在空调机、全自动洗衣机、吸尘器等高 档家用电器上普遍应用了模糊控制技术，其普及率将超过5 0 ，有的已 达8 0 。 b 向复杂大系统、智能系统、人与社会系统以及生态系统等纵深 方向拓展。在日本科学技术厅支持下，以寺野教授为首的日本科学研究 会，用一年时间，通过对模糊理论及其应用领域的全面调查，于1 9 8 9 年6 月提出了以“模糊系统的今后方向”为题的报告，在上述报告的基 础上，日本又提出了近期的“模糊系统研究计划”。在该计划的推动和实 施下，到1 9 9 1 年止，其工业应用项目已超过2 0 0 0 多项，其中较典型并 可给予关注的就有： 日本公司开发的仙台市地下铁路运输系统的机车驾驶模糊控制系 统；东京工业大学与富士机电公司合作完成的自来水净化药品模糊控制 系统；三菱公司、日立、东芝和富士公司分别开发的电梯群模糊控制系 统；三菱重工、富士电机公司开发的垃圾焚化炉模糊控制系统：富士重 工公司开发的汽车自动模糊控制器等 1 2 , 1 3 , 1 4 】。 1 6 论文主要研究内容 a 系统分析，对基于次级调节的减速器模拟加载系统进行深入的理 论分析，建立系统的数学模型、并对系统分别进行时域特性和频域特性研 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 究。 b 控制策略研究，在对现代p i d 控制方法进行深入分析的基础上， 重点研究解决适合于本模拟加载系统的模糊控制方法。 c 对转速控制系统进行分析与研究，并建立模糊控制规则。 d 依据建立的模糊控制规则，应用m a t l a b 中模糊控制工具箱， 建立使用模糊逻辑的仿真系统，并分别对转速控制系统和转矩控制系统 进行时域仿真研究。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 减速器模拟加载系统数学模型 2 1 引言 按照刮板输送机用减速器检验规范m t t 1 0 卜2 0 0 0 标准，减速器加载 试验按减速器的重要性分为型式检验、出厂检验、温升检验等几种检验 方式。 型式检验主要针对最新研制的减速器的一种检验方式，包括装配及 连接尺寸检验，空载试验，效率试验，温升试验，噪声试验，超载试验， 耐久试验；出厂检验针对现有成熟减速器进行的出厂前检验，包括装配 及连接尺寸检验，出厂空载试验，出厂温升试验，出厂噪声试验：温声 试验主要针对检修完毕的减速器进行的性能测试。下面就各种具体试验 方法作一简单介绍： a 空载试验：在额定转速下，正向和反向各运转l h ： b 效率试验：在额定转速下正、反两个方向运转，各方向加载负 荷量及运转时间按下表规定： 表2 1 加载量 序号加载量加载时间 l2 5 l h 25 0 1 h 37 5 1 h 41 0 0 1 h 51 2 5 1 6 h c 温升试验：减速器在额定负荷下，正向和反向连续运转直至油池 油温达到热平衡，内装冷却系统的减速器应在设计要求的通水量及进口 水温条件下进行试验。 d 耐久试验：减速器在额定负荷下正向运转1 0 0 0 h 油温应控制在 9 0 以下。 为了对减速器模拟加载系统进行各种特性分析，需建立较为精确的 数学模型。数学模型包括有微分方程、状态方程及变量图、传递函数及 方块图等。微分方程是基础，状态方程适于数值计算和时域仿真分析， 传递函数适于频域分析及时域仿真分析。 本章针对减速器模拟加载系统，建立主要用于频域分析和时域分析 的传递函数方块图模型。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 2 减速器模拟加载试验台组成与原理 2 2 1 试验台各部分组成及其功用 减速器加载试验台如图2 1 所示，由恒压油源及管路系统、模拟加 载系统、控制系统、机械台架四部分组成。恒压油源为整个模拟加载单 元提供恒定压力，同各种液压元件及管路一起构成恒压网络。恒压油源 主要由两台轴向柱塞式恒压变量泵和一台双联叶片式定量泵组成，柱塞 泵为系统提供恒定的高压油源，叶片泵为二次元件及主泵提供背压，并 通过给系统补充冷油的方式来实现系统的冷却。当然，油源部分还包括 高低压溢流阀、卸荷阀、蓄能器、油液过滤器及风冷却器等。模拟加载 系统实现对试验对象减速器的驱动和加载的模拟，它包括驱动单元、二 次输出加载单元。驱动单元主要由两个轴向柱塞元件串联而成的双联二 次元件、两个弹性联轴器、转速传感器组成，该单元用来模拟减速器的 驱动。二次输出加载单元主要由双联二次元件、两个弹性联轴器、转矩 传感器组成，该单元用来模拟传感器二次输出端的负载。控制系统由p c 计算机、工业控制计算机、数据采集卡、数字显示仪和用来控制油源启 停的p l c 控制器等组成，该部分主要完成整个系统的连续量和开关量的 控制、数据采集、系统状态监测、系统状态超限保护等。机械支架和试 验平台提供加载试验对象减速器、联轴器及加载二次元件的支撑和连接 【1 5 】。 2 2 2 模拟加载系统原理 图2 2 为减速器模拟加载系统的原理图，本检验系统采用背对背对拖 的检验方法，一般由两台同样型号的减速器同时进行，在驱动侧的减速 器称为主试减速器，在加载侧的减速器称为陪试减速器，由图可见，二 套二次元件的液压端口共同并联于恒压网络上，机械端口通过各转速转 矩传感器、弹性联轴器、减速器等连接在一起。二次元件l 工作于马达 工况，用来模拟输送机电动机轴动力，它同转速传感器、控制器1 等构 成驱动转速控制系统：二次元件2 工作于泵工况，用来对主试减速器进 行加载，为转矩控制方式，它们同相应的转矩传感器、控制器2 分别构 成二次输出加载转矩控制系统。在转速控制系统和转矩控制系统中，都 包含有内环和外环两种控制回路，由对应于各二次元件的电液伺服阀、 变量液压缸、位移传感器l v d t 构成前置级排量控制。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 i - p c 机( 上位机) 2 - i 控机( 下位机) 3 - 采集卡 4 - 弹性联轴器( 4 个) 5 - 转矩转速传寤器( 2 个) 6 - 连接轴( 1 个) 图2 - l 减速器加载试验台组成 制回路( 内环) ，再加上相应的二次元件、转速感器或转矩传感器，就构 成了转速控制回路或转矩控制回路( 外环) 。 图2 - 2 模拟加载系统原理图 当系统进行工作时，二次元件1 ( 马达) 由恒压网络获取液压能， 并将其转换成机械能来驱动主试减速器和二次元件2 ( 泵) ，实现模拟 加载。同时，二次元件2 ( 泵) 将机械能转换成液压能后又直接回馈给 恒压网络，重新用来驱动二次元件l ( 马达) ，在二次元件1 ( 马达) 和 二次元件2 ( 泵) 之间，功率流形成闭式循环。这样，恒压油源所提供 辽宁工程毅拳太学碛士学整潼文 的液压能只照用米补偿燃统的容积损必和机城损嫩，而驱动：次元件l ( 萼速) 鬟爨懿太霉势辘爨蛰寒囊二次是终2 ( 繁) 。嚣戴，该蒸装系 辘褰堍了簸爨疆农与嚣藤。系统慈率搿酶l 。 由手援察：次调节聚髓鞫榉霉淡谳罄骞转滚姥感器蠢转燃传感器， 磷黻将其调擞为转速控铡状态 、套) 爝汞。宅峦辩邀蔑辘趣 挺塞泵，警这革嚣、逛滚镯摄瓣、交登溃薤、交金镶妒藤、位移转戆器 l v d t ) 、滤= 虫爨以及瓣气蚀攀囱阑游组成。寅舆蠢快速的嘲成特镶， 髓工作在网个壤蔽，既w 用做马达也w 用做裂，蕊有很好的转速、转矩 捺鼷替毪，没骞苓蒎接炎+ 凄攀攘失夺。 蛰醇 l 撒囱挂寒单辩2 _ 蹙嫠i 夔鹾觳3 - 电渡伺服髑4 壤全谋护阚势辩油器6 - 位移转醛攀 孓碣鑫垂籍气疆攀 每瓣蛙整三避壤醴涎孓鑫嚣漩辩孓辘医囊叠 蕊2 - 3a 4 v s 鹫篡敬元辞实秘疑灞瑗鬻 魏蓑爨遮，二次元转怒作马达噼，共控制蠢戏为转速控麟 蹩挥泵 鼯，其控溯雾式海转矩黧耧，毽嚣静箍裁方囊翡藏鼗毁薅囊投潮蠹嚣) 怒攘霹懿，郡燕蠡电滚键驻波、变量液压缸、镰移褥惑器l v d t 祷戚惹。 瑚圈2 3b ) w 见，前置缀排量控制网路就是对称伺服阀控制对称液压缸 隧鼹，下鞭分鼷强霉窭泼诞路各元转越鼗学摸瑟。 奄滚餐瓣阗鹃传递函数聚臻嵇么影箴，取凌予韵隽元箨懿液蘧蠢骞颥 辩的大小，热饲照阀的颗擞与系统圈嚣频率檬谶孵，伺服阑糖用二除振 辽宁工程技术大学硕士学位论文 荡环节表示，即 船2 毒邕i p 。 “ 如果伺服阀的频宽大于系统固有频率( 3 5 ) 倍时，伺服阀的传递函数 可用一阶惯性环节表示，即 瞰d 2 丢眚”( 2 - 2 ) 。，s + l 当伺服阀的频宽大于系统固有频率( 5 1 0 ) 倍时，伺服阀的传递函数可 近似为比例环节，即 既o ) = j 乙( 2 3 ) 式中级o ) 第i 个二次元件电液伺服阀的输出流量( m 3 ，s ) ； 0 ) 第i 个二次元件电液伺服阀的输入电压( v ) ： 第i 个二次元件电液伺服阀的固有频率( r a d s ) ； 5 一第i 个二次元件电液伺服阀的阻尼比( 无因次) ； 五一第i 个二次元件电液伺服阀的流量增益( ( m 3 s ) v ) ； 1 w 第i 个二次元件电液伺服阀的时间常数( s ) ； f 二次元件序号，i = l ，2 ，分别对应于驱动、二次输出加载二次 元件。 变量液压缸的流量连续性方程为 ”如- 奶t + g 吃+ 老譬( 2 4 ) 式中：变量液压缸的流量( m 3 s ) ； 弘变量液压缸活塞的位移( m ) ： 屯变量液压缸的有效作用面积( m 2 ) ； g 变量液压缸的总泄漏系数( ( m 3 s ) p a ) ： k 变量液压缸两腔的总容积( m 3 ) ； 屈液压油的体积弹性模量( n ，m 2 ) 。 变量液压缸