（机械电子工程专业论文）电液位置伺服系统的模糊控制研究.pdf

昆明理工人学硕士学位论文 摘要 随着电液伺服技术的发展和应用领域的逐步推广，对电液伺服系统的控制要 求越来越高。在诸多影响电液伺服系统控制精度的因素中，控制策略非常关键。 本论文从提高液压机的控制精度入手，成功地将模糊控制策略应用于电液位置伺 服系统通过仿真试验，得出模糊控制比p i d 控制适应性好，更适用于像液压这样 的非线性、时变系统 论文在对液压机原有的液压系统进行改进的同时，设计了相应的电液位置伺 服系统；以流体力学和经典控制理论为基础，建立了对称四通阀控非对称液压缸 的数学模型在对系统的动静态性能分析的基础上，采用p i d 控制策略校正系统， 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 通过对模糊控制理论的初步研究，设计了常规模糊控制器；经仿真试验表明 其动态响应较好，但稳态精度较差。针对这些不足，分析其原因，并结合p i d 控制， 从不同的角度提出了改进措施，且实现了控制算法。模糊p i d 控制器通过引进智能 积分功能提高了系统的稳态误差；f u z z y p i d 双模模糊控制器通过阅值自动进行模 糊控制和p i d 控制的切换，它集两者的优点于一身；自调整因子模糊控制器通过在 线自动调整模糊控制规则改善了控制器的自学习能力；自适应模糊控制器结合 专家系统，对p i d 参数在线自弭藏和自寻优，提高了控髑精度和白适应、自学习能 力： 论文推导的模糊控制器数学表达式可加深对模糊逻辑推理本质的理解；研究 工作中编制的p i d 参数整定方法、模糊控制算法以及仿真程序可为今后的科研和生 产提供参考。 关键词：电液伺服系统，p i d 控制，模糊控制，自适应控制 第1 页共7 8 页 k u r a m n g u n i v e r s i t y o f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o h y d r a u l i cs e r v et e c h n o l o g ya n dt h ew i d eu s ei n m o r ea r e a s ，t h eh i g h o rc a p a b i l i t yo fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v es y s t e mi sr e q u i r e dm o r e a n dm o r e t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v es y s t e mi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r st h a ta f f e c tt h ec o n t r o lc a p a b i l i t y b a s i n go ni m p r o v i n gt h ec o n t r o l p r e c i s i o no fh y d r a u l i cm a c h i n e ，t h ea u t h o rs u c c e s s f u l l ya p p l i e sf u z z yc o n t r o lt ot 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 o r v os y s t e ma n dh a sac o n c l u s i o nt h a tt h ea d a p t i v ep r o p e r t y o ff u z z yc o n t r o li sb e t t e rt h a np i dc o n t r o l s f u z z yc o n t r o li sm o r ea d a p t e dt ot h e n o n l i n e a ra n dt i m e - v a r i a b l es y s t e ms u c ha sh y d r a u l i cs y s t e m t h ea r t i c l eh a si m p r o v e dt h ee x i s t e df l u i dp o w e rs y s t e mo fh y d r a u l i cm a c h i n e ， a n da tt h es s l n et i m e ，i td e s i g n st h ee 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 es y s t e m o nt h e b a s i so ff l u i dd y n a m i c sa n dc l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f a s y m m e t r yc y l i n d e rc o n t r o l l e db ys y m m e t r yf o u r - w a yv a l v ei s s e t u p t h r o u g h a n a l y z i n gt h ed y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea u t h o rr e g u l a t e ss y s t e mb yu s i n g p i dc o n t r o ls t r a t e g ya n du s e sc u t t r ym e t h o dt oa d j u s tt h ep a r a m e t e r so fp i d c o n t r o l l e r t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，w ec a nr e a l i z ei t sd i f f i c u l tt o a d j u s tt h ep a r a m e t e r so fp i dc o n t r o l l e r ，t h es e l f - a d a p t i v ep r o p e r t yo fp i dc o n t r o l l e ri s n o tg o o dt o o b yr e s e a r c h i n go nf u z z yc o n t r o lt h e o r y , t h ea r t i c l ed e s i g n st h ec o n v e n t i o n a l f u z z yc o n t r o l l e r a l t h o u g ht h ed y n a m i cr e s p o n s ep e r f o r m a n c ei sg o o d ，i t ss t e a d y s t a t e p r e c i s i o ni s b a d 。i no r d e rt oi m p r o v et h o s ed e f e c t s ，t h ea u t h o ra n a l y s e st h ec a u s e ， d e s i g n ss e v e r a lf u z z yc o n t r o l l e r sa c c o r d i n gt op i dc o n t r o lf r o md i f f e r e n ts i d e sa n d a c h i e v e st h e i rc o n t r o la r i t h m e t i cb yt h ec o m p u t e r f u z z yf i dc o n t r o l l e rm i n i m i z e s s t e a d y s t a t ee r r o rb yj o i n i n gt h ei n t e l l i g e n ti n t e g r a l f u z z y - p i dd u a l - m o d ef u z z y c o n t r o l l e rc a na u t o m a t i c a l l yc h a n g ec o n t r o lm o d eb yat h r e s h o l db e t w e e nt h ef u z z y c o n t r o lw i t hp i dc o n t r o l ，s oi tp o s s e s s e st h ea d v a n t a g e so ft h o s et w oc o n t r o lm o d e s s e l f - t u n i n gf a c t o rf u z z yc o n t r o l l e rc a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tt h ec o n t r o lr u l e r so ff u z z y c o n t r o l l e ro n - l i n ei nr e a lt i m e ，s oi ti m p r o v e st h es e l f - l e a n i n gf u n c t i o no ft h ec o n t r o l l e r s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l l e rc a na d j u s ta n do p t i m i z et h ep i dc o n t r o lp a r a m e t e r so n l i n eb y u s i n ge x p e r ts y s t e m ，i te n h a n c e st h ec o n t r o lp r e c i s i o na n dt h ef u n c t i o no fs e l f - a d a p t i v e a n ds e l f - l e a r n i n g 第n 页共7 8 页 垒堕壁! !垦! 蛩竺驾! ! ! ! ! 垡型! ! ! ! ! 竺璧竺! ! 壁! ! ! ! ! 鲤 t h em a t h e m a t i c se x p r e s s i o no ff u z z yc o n t r o l l e rc a nb ea d o p t e dt o w a r dt h e u n d e r s t a n d i n go ft h es u b s t a n c eo ff u z z yl o g i ci l l a t i o n ，a n dt h o s ep r o g r a m ss u c ha s p a r a m e t e ra d j u s t m e n to f p i dc o n t r o l l e r , t h ea r i t h m e t i co ff u z z yc o n t r o la n ds i m u l a t i o n p r o c e s s e s ，c a nb ea p p l i e di ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dp r o d u c t i o ni nt h ep r a c t i c e k e yw o r d s ：e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e m ，p i dc o n t r o i ， f u z z yc o n t r o l ，s e l f - a d a p t i v ec o n t r o l 第1 n 页共7 8 页 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工 作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本 人承担 学位论文作者签名：农钍地红 日期：硝年，月勘日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工夫学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名： 论文作者签名：盘至垄坠盘 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 电液伺服系统的模糊控制研究概况 1 1 1 电液伺服系统的研究概况 液压技术以管道和回路中流体的静压力传递力和功率为原理，与流体力学、 工程材料、工作介质等相关学科的研究和发展紧密相连。1 7 9 5 年英国人布拉德 ( j b r a m a h ) 发明了世界上第一台水压机，不仅利用水传递能量，还传递控制信 号，这标志着液压技术工程应用的开始2 0 世纪3 0 年代丁腈橡胶等耐油密封材料 的出现，解决了油压传动的密封问题，使液压技术逐步完善，并引起了工业界的 重视，后被推广应用n 3 “。 液压伺服控制是在液压传动和自动控制技术基础上发展起来的一门较新的科 学技术，现已广泛应用于国民经济的各个领域嘲臼。电液伺服阀是电、液转换的关 键元件，它利用小功率的电信号控制大功率的液压动力，将电子技术和液压技术 的特点结合在一起，使液压伺服系统的应用更为广泛。 电液伺服系统具有反应快、重量轻、尺寸小及抗负载刚度大等优点，能够自 动、准确而快速地复现输入量的变化规律。随着电液伺服技术的发展，特别是电 液伺服控制元部件的批量及规格化生产，降低了电液伺服阀的加工成本；另外逐 渐完善和普及的计算机控制技术也为电子技术和液压技术的结合奠定了基础，这 样大大提高了液压控制系统的功能与完成复杂系统控制的能力。目前电液伺服系 统已在自动化领域中占有很重要的位置，凡是器要大功率、快速、精确反应的控 制系统，都有它的身影“们“5 儿“1 。在军工方面，如飞机、雷达、火炮等系统都有了 新的发展；现代飞机上的操纵系统，如舵桃、助力器、变臂器、人感系统等大都 采用了液压伺服控制技术。此外，液压伺服系统在工业应用方面的推广也很快， 如机床方面的仿形机床，船舶上豹舵机操纵和消摆系统，冶炼方面的电炉电极自 动升降恒功率系统，试验装置方面的振动试验台、材料试验机，锻压设备中的挤 压机速度伺服、液压机的位置同步伺服，轧制设备中的液压压下，带材连续生产 线的跑偏控制、张力控制，动力设备中的燃气轮机转速自调系统以及车辆工程、 矿山机械、海底作业、建筑、石油、机器人等行业都大量采用了电液伺服控制技 术伯1 。 电液控制技术今后的几个发展方向为“： ( 1 ) 机电液一体化。微电子技术和液压技术相结合，出现了将比例控制系统、 第1 页共7 s 页 第一章绪论 昆明理t 大学硕士学位论文 伺服系统所需的放大器、传感器、信息显示装置等与液压泵、阀和液压缸等液压 元件紧凑地组合在一起，形成了新颖的一体化组件及投制系统。 ( 2 ) 高压大功率。高压的目的主要是为了减轻重量及尺寸，大功率是为了解决 大惯量与重负裁的拖动问题。 ( 3 ) 高的可靠性。为了提高可靠性，除一方面对机器本身的研究与改赶以及增 加监测与诊断技术外，目前正在采用余度技术与重构技术。 ( 4 ) 理论解析与特性补偿。要使系统获得满意的性能，必须对复杂系统( 如多 变量液压系统) 、复杂因素( 非线性及时变等) 进行仿真分析，研究系统的性能补 偿问题与近代控制策略 ( 5 ) 同微机的结合即智能他的电、气、液控制系统。 ( 6 ) 流体介质及相关工程材料的开发研究。随着人们环保意识的不断增强，非 石油型的乳化液戚合成液，如高水基液、水一乙二醇液、磷酸脂液等可局部替代 液压油作为传动介质的流体糨继研究成功，与此媚关的工程材料如不锈钢、工程 塑料、陶瓷镣来制造液压组件的关键零部件也有很大进展但这些介质和材料往 往都有一定的局限性，需要更进一步的研究。 1 1 2 模糊控制的研究概况 德国数学家康拓( g e o r g ec e n t e r ) 创立的经典集合论是经典数学的基础，它 以逻辑真值为 0 ，1 ) 的数理逻辑为基础；美国加利福尼亚大学教授扎德( l a z a d e h ) 创立的模糊集合是模糊数学韵基础，它以逻辑真值为【0 1 l 的模糊逻辑为基础，是对 经典集合的开拓n 础口”正是有了模糊数学，模糊控制才把人类的自然语言转化成 为计算机所能接受和处理的算法语言，从而在控制领域获得成功和发展。 自从1 9 7 4 年英翻辩学家玛丹尼( m a m d a n i ) 首先按模糊集合理论组成模糊控 制器用于锅炉和蒸汽发动机矗孽控制以来，就开创了模糊控制的先河。模期控制理 论的应用研究在7 0 年代的欧洲取得了一些成功，推动了模糊控秘理论的研究，同 时模糊控制理论也不断地得到人们的认识和重视在8 0 年代后期，模糊控制理论 进入了发展期，包括美国、日本在内的世界各国在模糊控制理论研究投入的开发 资金明显增加，从而促进了模糊控制理论和模糊控铺产晶的不断发展和翻新。 至今，在短短三十多年时间里，模糊控制得到了长足发展，它的应用领域涉 及到方方面面，控制方法也有了很大进展，模糊控制嚣的性能不断提高。模糊控 制系统易于接受、设计简单、维护方便，而且比常规控制系统稳定性好、鲁棒性 高，因此，模糊控制正得到越来越广泛的应用。 模糊控制虽然已经有不少的研究成果，而且也被广泛地应用于生产实践中， 第2 页共7 8 页 昆明理工大学硕士学位论文第一章绪论 但模糊控制仍然是一个充满争议的领域“引”。由于它的发展历史还不长，理论上 的系统性和完善性、技术上的成熟性和规范性都还是远远不够的，尤其是模糊控 制与其他智能化控制相结合的控制方法，还有待于人们在实践中得到验证和进一 步的提高。目前，在国际大趋势的推动下，模糊控制己开始向多元化和交叉学科 方向发展，模糊预测控制、模糊诊断、模期模式识别、模糊决策与规划、模糊数 据库与模糊程序设计语言等，都属于较为前沿的研究方向。 1 1 3 电液伺服系统的模糊控制研究现状 知识经济、信息时代的今天，电液伺服技术已日趋完善，模糊控制技术及其 应用也在飞速发展但模糨控制技术在电液伺服系统中的研究和应用还处于初步 阶段 在国外，对电液伺服系统的模糊控制研究主要表现在应用模糊控制技术来提 高电液伺服系统对环境的适应能力“”“”。国内的研究情况基本上处于常规模糊控 制器和模糊p i d 控制器在电液伺服系统中的应用，其主要研究成果”“”“”“”嘲 有：在液压控制系统中通过调整输入控制量( 偏差) 的量化曲线来提高模糊控制 器的精度；通过设计三维模糊控制来提高阀控非对称缸电液伺服系统的控制精度； 把模糊免疫思想应用于电液伺服系统：在电液比例控制系统中应用模糊p i d 和模 糊p i 控制策略等。 目前，在电液伺服系统中有关模糊控制器的结构优化和高精度模糊控制器的 研究成果很少，在自适应、自学习模糊控制研究方面有待迸一步的研究和探索。 1 2 电液伺服控制的特点及要求 现代电液伺服系统由于时代的进步和社会的需求，具有以下特点“”： ( 1 ) 环境和任务复杂，普遍存在较大程度的参数交化和外负载干扰以及交联耦 合的影响； ( 2 ) 非线性的影响，特别是阀控动力机构流量非线性的影响； ( 3 ) 有较高的频宽要求及静动态精度的要求，需优化系统的性能； ( 4 ) 计算机控制的数字化及离散化带来的问题； ( 5 ) 如何通过“软件伺服”达到简化系统及部件的结构。 对于这些新的特征，对控制策略提出了下述要求“： ( 1 ) 应尽量满足系统的稳态、动态精度要求，使系统达到快速而无超调。 ( 2 ) 对时变、外负载干扰以及非线性因素引起的不确定性，控制系统应有较强 的鲁棒性。 第3 页共7 8 页 第一章绪论 昆蜘理工太学硕l ：学位论文 ( 3 ) 控制策略应具有较强的智能性。 “) 控制规律、控制算法应力求简单可行，实时性强。 ( 5 ) 系统应有较强的效率。 满足以上要求对液压饲服控制系统是个关键。开展这方面的研究，建立近代 液压伺服控制的系统理论和控制方法，寻求工程实用的设计对推广液压伺服控 制的应用和促进液压伺服控制的发展将有重大意义 1 3 电液伺服系统的工作原理及组成 液压控制系统虽然功能和结构各不相同，但基本上由如图1 i 所示的几个部 分组成n ”。按照液压控制系统输出量的物理蠢纲可将其分成掖压位置控制系统、 液压遽度控制系统和液压施力控制系统：按照传递信息的介质类型可将其分成机 液控制系统和电液控制系统；按照动力机构的类型可将其分成褥控和泵控液压控 制系统。电液控制系统是指信患的传递不仅使用了机械和液压元部件，还大薰的 使用了电气组件。为了提高系统的动静态品质，通常在动力机构之前使用电信号， 包括反馈信号。随着科学技术的发展，电液控潮系统的性能不断提高，并以其独 特性和较强的竞争力，得到愈来愈广泛的应用。 图1 1液压伺服系统基本结构 1 4 课题的研究内容及意义 1 4 1 课题的研究内容 本论文的主要研究内容是把模糊控制策略引入到液压机电液位置伺服系统的 控制中，结合p i d 控制思想优亿模糊控制器的结构以及研究高精度的模糊控制器。 具体内容如下： ( 1 ) 改进液压机原有的液遥控制系统，设计电液位置伺服系统。 ( 2 ) 对电液位置伺服系统进行理论分析和数学建模。 ( 3 ) 用常规的p i d 控制簧略对电液位置伺服系统进行校正。 ( 4 ) 采用模糊控制策路，设计模糊控制器。 ( 5 ) 推导模糊控制器的解析表达式，研究其与p i d 调节器的关系。 第4 页共7 s 页 照明理工大学硕士学位论文第一章绪论 ( 6 ) 改进并优化模糊控制器的结构和控制算法，对模糊控制器的控制精度、自 适应和自学习方面作进一步的研究，并用计算机仿真和比较各种模糊控制器的控 制效果，进行误差分析，得出各种控制策略的应用场合。 1 4 2 课题的研究工具 m a t l a b 是一种优秀的数学软件，具有卓越的数值计算功能。它既具有结构化 的控制语句又具有面向对象编程的特点，语言简洁紧凑，使用方便灵活。m a t l a b 的库函数极其丰富，拥有功能强大的工具箱，使用者可以从繁琐的计算机程序编 码中解放出来，将精力更有效地放在解决专业技术的问题上，从而大大地提高了 研究效率。 m a t l a b 提供的s i m u l i n k 软件包，可用于系统可视化的动态仿真。s i m u l i n k 支持线性和非线性系统、连续对阔系统、离教时间系统等。为用户提供了大量的 功能模块n ”n ”。用户可在其基础上利用s - f u n c t i o n 函数编制符合特定要求的功能 模块。s i m u l i n k 用户界面非常友好，模型由模块组成的框图来表示，用户可采用 系统模块直接对它进行仿真，通过选择合适的输入源模块作输入信号，选择适当 的接收模块来观察系统的响应。仿真过程中可方便地修改系统参数，如仿真算法 的方法、仿真的开始和结束时间、仿真步长以及容许误差等。 本论文使用m a t l a b 作为研究工具，利用其丰富的库函数，开发出了相应的应 用程序；利用s i m u l i n k 软件包，建立系统的仿真模型，进行可视化的动态仿真。 1 4 3 课题的研究意义 本课题从提高液压压力机的控制精度入手，对模糊控制在电液位置伺服系统 中的应用作了深入的研究；本论文推导的模糊控制器解析表达式可用于深入探讨 模糊逻辑推理；研究工作中编制的p i d 参数整定方法、模糊控制算法、模糊控制 器的结构以及仿真程序可以为今后的科研和生产提供参考。 第5 页共7 8 页 第二章 电滚位置伺般系统的设计 昆明理i 【大学硕f j 学位论文 第二章电液位置伺服系统的设计 2 1 金属薄板冲压成型 2 1 1 冲压成型简述”1 金属薄板冲压成型是利用金属塑性的特点，通过一定方式对金属薄板施加压 力，使其产生塑性变形，从丽获得满足所需的各种形状的零件或产品。金属冲压 成型技术历史悠久，如早期人们就用来制作金属器雎和钱币，但机械式薄板成型 直到1 9 世纪人们发明手动压力机后才算真正开始。此后人们开始研究金属的力学 性能和成型工艺，同时冲压设备和楱具得到了迅速发展，薄板成型从手工作坊式 逐步走向工厂化，大大地提高了劳动生产率。随着汽车技术的出现和不断成熟， 薄板成型技术得到了空前的发展。 薄板冲压成型技术主要包含压力枫城、冲压模具、薄板材料、润滑技术和生 产自动化技术等方面的内容。冲压成型工序是在冲压设备上完成的，因此冲医设 备的合理设计与选择，不仅决定冲压工艺过程能否顺利进行，而且也直接影响冲 压过程的经济效益。 2 1 2 冲压设备 在冲压成型中应用最多的是机械压力机和液压枫阳1 ，对冲压生产来说，他们各 有优缺点，其特点如衷2 1 所示。 袭2 i 机械压力机与液压机的比较 比较内容机械压力机液压机 行程调节通常是不可调的 容易调节 下死点位暨圈定不固定 滑块力的调节不可能可能 滑块速度的调节不可能 可能 超负荷损坏可能不可能，绝对安全 给出名义吨位力的滑块位置接近下死点 全行程 生产率高较低 维修简单较复杂 工作环境接浩易油污 根据某冶炼厂对金属薄板压印质景控制的工艺特点和加工要求，昆明理工大 学机电产品创新开发研究所设计了一台公称压力为6 0 吨的液压压力机。其设计模 第6 页共7 8 页 昆明理1 ：大学硕士学位论文 第二章电渡位置伺服系统的设计 型如图2 1 所示。 圈2 1 液压机三堆模型 该液压机的液压系统原理圈如图2 2 所示。 图2 2 液压机液压系统原理图 l ：叶片泵2 ：单向阀3 ：储能嚣4 ：压力继电嚣5 ：顶升油缸6 ；柱塞缸 7 ：液控单向阀8 ；上位油箱9 ：三位四通电磁换向阀1 0 ：节流式单向调速阀 1 1 ：压力表开关1 2 ：高压球闽1 3 ：电磁溢流阔1 4 ：回油滤油器 该液压控制系统的工作原理是：当金属薄板被滑车输送到液压机工作平台位 置时，可编程序控翻器( p l c ) 发出控制信号给柱塞缸供压力油，由柱塞缸推动活 动横粱和上模下行，对薄板进行压印；保压一段时间后，p l c 发出指令控制电磁换 向阀换向，顶井油缸上升，推动活动横粱和上模回程，同时滑车把金属薄板推出 工作平台，完成一个工作循环。 箭7 页共7 8 页 墨兰苎皇鎏苎曼塑里蔓竺堕堡生 垦堕矍! 查兰堡主堂堂! 兰 2 2 液压机液压系统的改进及控制性能指标 2 2 1 液压机液压系统的改进 图2 2 的开环液压传动系统有以下不足： ( 1 ) 由于柱塞缸的运动控错是一个开环系统，对于压印的深度不能精确控制。 当薄板的厚度发生变化时，由于柱毒缸还是按照固定的动作时序工作，从而使压 印深度误差较大，而且表现黼枫误差。不籀消除。 ( 2 ) 柱塞缸只能作单行程运动，必须由顶升油缸控制活动横粱和上模回程。使 得液压控制系统复杂化。 针对上述问题，为了实现范压机压印质量的精确控稍，现作以下改进： ( 1 采用电液位置伺服系统替代原有的普通开关控制，由赢性能位移干蠹感器替 代行程开关，提高压印的控制糟度和控制系统的动态性能。并可实现计算帆控翻。 且电液伺服系统可实现二次或多次卸压的工艺流程要求 ( 2 ) 采用双作用单活塞杆液压缸替代柱塞式液压缸使液压机活动横粱和上模 回位也处于控制之中。 改进后的液压图如图2 3 所示。 图2 3 渡压机改进液压圈 2 2 2 控制系统的技术要求及性能指标 该液压机的电演位置何服系统的控制技术饔求和性搬摆标为； ( 1 ) 公称总压力：5 8 8 1 0 n ( 2 ) 油缸公称直径：m2 2 0 m m 油缸毋大行程：l o o m m 油缸最大行程：l o o m m 第8 蕊共7 8 甄 昆明理工大学硬l 学位论立第二章 电液位置伺服系统的设计 ( 3 ) 位置调节时域动态指标( 单位阶跃输入作用下) ： 上升时间：f ， o 0 1s 超调量： m 。 6 5 0 r a d s ( 5 ) 技术经济指标 位置控制精度 o 0 5 m m 工作噪声 8 5d b 2 3 电液位置伺服系统建模 2 3 1 四通阀控制非对称液压缸原理圈 本论文采用的电液位置伺服系统属于对称阀控非对称缸机构。“，其中四通阀 控非对称液压缸的原理如图2 4 所示。 图2 4四通阀控非对称液压缸原理图 2 3 2 伺服阀的压力一流量特性 在推导压力一流量特性时，假设。”： ( 1 ) 阀为理想零开口四通滑阀，四个节流窗口是匹配和对称的，且控制边为锐 边。 ( 2 ) 节流窗口处的流动为紊流。由于流体密度的变化量很小，流体压缩性的影 响在阀中忽略不计。 ( 3 ) 阀具有理想的响应能力，即对应于阀芯位移和阀压骅的相应流量变化能瞬 第9 页共7 8 页 第一章 电液位置伺翟幕统的设计 昆明理1 _ 太学碗 学位论文 时发生。 ( 4 ) 供油压力b 恒定不变，回油压力e = 0 。 设活塞向右运动时位移为正。 当活塞向右运动时，即，0 ，根据节流公式，何服阀左；占两腔的流曩分别为： 肟 q i 。g 眠恬化一e ) 2 1 ) r q 2 。q 阮盖b 2 2 式中：q 1 油缸无杆腔流量，三m i n q 2 油缸有杆腔流量，l m i n q 流量系数 矽伺服阀窗口的面积梯度，r a 置伺服阀阀芯位移，m p 液压油密度，k g m 3 只液压油源压力，p a 只油缸无杼腔压力，p 4 只油缸有杆腔压力，忍 对每一个活塞腔应用连续性方程可得： 流入液压缸的流量为： 盆= q 暇嘲+ 钟+ 4 鲁+ 薹等 ( 2 s ) 流出液压缸的流量为： q = 嘏嘲一锑一砖一差等 ( 2 a ) 式中：液压缸内泄漏系数，柳3 p a j 巳液压缸外泄渭系数，r n 3 p a s _ 活塞无秆腔有效面积，m 2 活塞有杆腔有效面积，州2 z ，活塞位移，m 鼠有效体积弹性模量( 包括油液、连接管道和缸体的枫械柔度) ，p a k 进油腔容积( 包括阀、连接管道和进油腔) ， 回油腔容积( 包括阔、连接管道和回油腔) ，m 3 第l o 页共7 0 页 昆明理丁大学硪 ：学位论文 第一难 电液位置伺服系统的设计 磕= 晤= 一 s ， 由于q 和c 0 很小，而以很大，所以由泄漏和容积效应引起的流量远小于活塞 e 厍。生 y 只a ， ( 2 6 ) 昆义雎刀萸联：吒2 q 一 lz ， 由式2 6 、式2 7 得： 只= 警笋 c z 盼 足= 紫 ( 2 ” 定义负载流量：吼= 垒2 照 ( 2 1 0 ) 由式1 1 、式1 2 、式1 8 、式1 9 、式1 1 0n - i 得： g = 妈眠扛( 只一只) ( 2 1 1 ) 其中：妒2 而1 + 丽2 s l ( 2 1 2 ) 当活塞向左运动时，即 o 时，根据节流公式，伺服阀左右两腔的流量分别 为 q l = q 骶，括b 1 3 q = g 眠j 吾弓一只) ( 2 1 4 ) 由式2 3 、式2 4 、式2 1 3 。式2 1 4 得流量比工为： 扣烨噜 1 5 由式2 7 、式2 1 5 得： 只= 等 ( 2 1 6 ) p 2 = 车笋 1 7 由式2 1 0 、式2 1 3 、式2 1 4 、式2 1 6 、式2 1 1 可得： 第二章 电液位置伺服系统的设计昆明理工丈掌硕：学位论文 q c = 妃耽v j 吉b + 只) ( 2 1 8 ) 将式2 1 1 、式2 1 8 写成统一形式： q 2 虹耽，扛( 只一南最) ( 2 1 9 ) 若是对称液压缸，即 = 4 ，则流量比a 为： a ：鱼。生：l ( 2 2 0 ) q 2 把上式代入式2 1 2 ，有： 一2 高划( 2 2 1 ， 即对称液压缸的负载流量方程为： 见2q 耽v j 古( b 一南最) ( 2 - 2 2 ) 将式2 1 9 与式2 2 2 相比，可以看出非对称缸的伺服阀负载流量方程较对称 缸的伺服婀负载流量方程流量小一倍。 由于式2 1 9 是非线性的，利用线性理论对系统进行动态分析时，必须把阀的 非线性方程线性化。 函数q = q 瓴，只) 在某一特定的工作点q 。= q ，吃) 附近展开成泰勒级数为： 吼= 乳+ 鲁l 戤+ 刭。蛾+ cz z s ， 如果把工作范圈限制在工作点附近，则商阶无穷小就可以忽略。因此上式可 写成见一乳2 刮。缸+ 刮。破 ( 2 2 4 ) 根据泰勒级数将式2 1 9 线性化得： q l = x x 。一k 。p i ( 2 2 5 ) 其中：3 警2 蚂唯( 弓一南吃) ( 2 2 6 ) 丘。鲁。警库 2 3 3 非对称缸建模 第1 2 页共7 8 页 ( 2 2 7 ) 昆明理tk 学硬1 。学位论文第二蕈电液位置伺服系统的设计 假定。3 “： ( 1 ) 阀与液压缸的连接管道对称且短丽粗，管道内的摩擦损失、流体质量影响 和管道动态忽略不计。 ( 2 ) 液压缸每个工作腔内各处压力相同，油液温度和体积弹性模数可以认为是 常数。 ( 3 ) 液压缸内、外泄漏为层流流动。 2 3 3 1 非对称缸的负载流量方程 由式2 3 、式2 4 、式2 1 0 可得非对称缸的负载流量方程为： 致= 只+ 鲁华+ 壶_ 警一匕等) ( 2 2 8 ， 其中。= c a + 与 ( 2 - 2 9 ) 式中：g 液压缸总泄漏系数 对式2 8 求导得： 一d p , ：上盟 ( 2 3 0 ) d t1 + 斧也 对式2 9 求导得： 堕；乏盟 ( 2 3 1 ) d t1 + rd f 设为活塞杆的面积，则有： 也= 4 一a ： ( 2 3 2 ) 由式2 6 、式2 3 2 得： 五：l ( 2 3 3 ) l 一五 4 = 兰 ( 23 4 ) 设厶为平均活塞面积，则： 且。：华 ( 2 3 5 ) 由式2 3 3 式2 3 5 有： 如= 蒜也 ( 2 3 6 ) 设工为液压缸最大行程，假设活塞总在液压缸的零位附近运动，则： 圪= 兄 ( 2 3 7 ) v = 4 l = 2 v , ( 2 3 8 ) 式中：矿液压缸最大容积，珊3 繁1 3 砸共7 8 页 第二章电液位置伺服系娆的设计 昆明理工大学硕j 。学位论史 由式2 2 8 式2 3 8 得： 砚= 只+ k 鲁+ 去鲁 其中：吃= 并r 式中：一液压油等效容积，舻 设以为活塞的等效面积，有： 4 = = 等4 = 而以 2 3 3 2 非对称缸的力方程 由图2 2 可列出动力机构的力学方程为： f 工= 4 b 一以b 忙川万d 2 x p 屿鲁+ 辑+ 厂 式中：r a t 活塞及负载折算到活塞上的总质量，融 砟活塞及负载的粘性阻尼系数，七g f s k 负载弹簧刚度，n l s 丘液压缸的输出力，n ，外干扰力，n 将式2 8 、式2 9 、式2 4 1 代入上式得： 彳。& = 掰，d 出2 x 。p + b ，d 卉x r + 救，+ 五 其中：工= ，一0 一_ 每) 4 b 十 式中：正等效外干扰力， 由式2 2 5 、式2 3 9 得： 圪+ 4 _ 鲁+ 老警= m 一丘b 对上式取l a p l a c e 变换得。 c 矗+ 鼬x p + 最s p l | x ，c r 对式2 4 3 取l a p l a c e 变换得； 4 。只= m t j 2 r p + b p s x p + k x p + 正 联立式2 4 6 、式2 4 7 ，消去忍，可得嚣对称缸豹数学模型为： 奠1 4 页共7 8 页 ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) 昆明理f t 大学硕上学位论文 第二章电浚位t 伺服系统的设计 、一v ，一扣去城 砟2 茅弼雾季惹萼孺 生生 h + 工( 2 7 6 ) 选取f = 4 0 0 r a m 则活塞杆的质量聊，为：m 。= = 7 8 x 1 0 0 , 0 1 9 x 0 4 = 5 9 2 8 k g 活塞的质量m 2 为：m 2 = ；7 8 x 1 0 3x 0 0 3 8 0 1 7 6 = 5 2 1 7 r g 已知工作平台的质量硝，为：鸭= 1 3 1 0 k g 负载质量m | 为：_ = 鸭+ 鸭+ 掰3 = 1 4 2 1 4 5 r g 负载压力忍为：巴。= 三竿喳= 1 5 8 4 m p a 扎 系统所需的最大流量q _ 为： q - , = v 一 = 0 0 6 6 7 x 0 0 3 8 - 0 0 0 2 5 3 m 3 s = 1 5 2 l m i n 考虑到系统的泄漏，设计时取伺服阀的流量为：幺= 1 3 = 1 9 7 6 l r a i n 综合考虑以下两个因数：通常油源压力b = 委最。= 2 3 7 6 m p a 饲服阀额定供油 压力标准一般为6 3 、2 1 、3 1 5 等根据伺服阕的流量和压力查伺服阀产品样本“”， 选择北京机床研究所精密机电有限公司生产的0 d y 3 型电液伺服阀，其具体参数如 表2 2 。 表2 2q d y 4 伺服阀的技术参数 参数名称数值参数名称数值 额定流量g 但，m 妫 2 5 0 不对称度 + 1 0 额定供油压力b ) 2 1压力零默 4 - 9 额定电流l ( 删) 3 0 温度零飘 士3 滞环 o 1 s 。不能满足控制系统的技术要求。 实际上，若考虑检测环节及伺服阀的动态性能及它们所产生的相位滞后，不 加校正的闭环位置控制系统很容易振荡，有可能导致不稳定另外系统的开环传 递函数虽然是i 型系统，理论上不存在稳态误差，但是由于伺服放大器及伺服阀 的零飘、伺服阀的死区以及机械部件连接处的间隙等非线性因素，会引起系统的 稳态误差。故电液位置伺服系统几乎都要加校正才能稳定工作，并满足一定的精 度要求。 从控制系统的设计要求上看，系统必须加校正装置才能满足实际的控制要求 和性能指标。校正的实质是在系统适当的部位加避校正装置，以改变系统开环b o d e 图的形状，来满足系统的性能要求。 3 2 电液伺服系统的控制策略 电液控制技术与控制理论的发展是密不可分的在近代电液伺服系统中，非 线性、参数变化、外负载干扰和交叉干扰对系统控制性能的影响至关重要。因此， 近代控制策略在电液伺服控制系统中应加以重视。 近代控制策略主要有以下几个方面的内容： ( 1 ) p i d 控制1 。埘瑚n 3 p i d 控制是经典控制理论中控制策略的代表，它基于系统误差的现实因素( p ) 、 过去因素( i ) 和未来因素( d ) 进行线性组合来确定控制量，具有结构简单易于实 现的特点。但这种线性定常组合方案难于协调快速和稳定性之间的矛盾，在具有 参数变化和外干扰的情况下鲁棒性不好。为了适应和满足新的控制要求，吸取自 适应和智能控制的基本思想，开展自适应p i d 、模糊p i d 、智能积分p i d 和非线性 p i d 等方面的研究很有必要。 第2 5 页共7 8 页 第三三章电液位置伺服系统的动态分析殛p i d 控制 昆明理工大学硕j + 学位论文 ( 2 ) 自适应控制( a c ) 旧3 1 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制( 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，研究限稍条件少、算法简便和鲁棒性强的a c 律是近年来发 展方向。 ( 3 ) 鲁棒控制口们 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 好的性能，这就是鲁棒控制闯题。近年来出现的日设计方法、鲁棒伺服控制方法 以及其它复合控制方法均取得了很好的控制效果。 ( 4 ) 模糊控制( f c ) 旧1 模糊控制不需要系统精确的数学模型，而只衙根据人的经验，组成一些控制 规则( f u z z y 控制规则) 就能进行有效的控制。模糊控制和精确控制一样，是一种 闭环控制系统，其不同之处在予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验予以确定的。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