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y 6 5 4 2 5 9 电液位置伺服系统智能控制研究 机械电子工程专业 研究生朱宝指导教师昊荣珍 随着电液伺服技术的发展与应用领域逐步推广，对电液伺服系统的要求也 越来越高，作为电液伺服系统的控制策略是影响电液伺服系统性能的主要因素， 由于系统具有非线性不确定特性，本文将智能控制应用于电液位置伺服系统中， 利用p l c 作为下位机实现对电液位置伺服系统的现场控制，采用工控机作为上 位机并利用计算机强大的计算分析能力和良好的人机界面实现智能控制和系统 的监控。 本文主要的研究成果如下： ( 1 ) 根据电液位置伺服系统的原理和性能要求，提出了上下位机的控制 方法，采用可编程控制器作为现场控制，使用工业控制计算机作为上位机对系 统进行监控，利用其强大的计算能力实现系统的智能控制； ( 2 ) 利用传统的p i d 控制原理，模糊控制原理和免疫反馈原理设计了一 种模糊免疫自适应p i d 控制器，通过连续论域上的模糊推理实现p i d 的比例系 数的模糊免疫调节、积分和微分系数的模糊调节； ( 3 ) 结合非线性p 型控制器、自调整因子的模糊控制和p i 控制的优点， 设计出- 干中复合控制器，在不同的误差范围内使用不同的控制方法以满足系统 的控制要求，通过自调整因子的模糊控制器的全局调节以及与非线性p 型控制 器或p i 控制器的并联来避免控制器切换扰动； ( 4 ) 采用可编程控制器及其扩展模块实现现场控制，并对p l c 的程序进 行了详细的设计，实现了系统的初始化，系统状态采集，和上位机的通信处理 等功能； j 麟孝譬露墨蕊 ( 5 ) 利用面向对象的编程工具v c 6 0 为开发工具进行软件编程，用模块 化的方法设计了上位机的峪控软件，实现了串口通信模块，信号发生器，实时 数据显示和存储以及数据分析等功能，并调用智能控制器进行了仿真分析： ( 6 ) 采用c o m 组件的方式实现系统的智能控制器，由于c o m 组件的语言 无关性和对客户透明等特性，在调用智能控制器时只需关心其接口，使得监控 软件具有很强的扩展性： 关键词：电液伺服系统p i dc o m 组件模糊控制复合控制 r e s e a r c ho n i n t e l l i g e n tc o n t r o l f o re l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m m a j o r ：m e c h a t r o n i c s p o s t g r a d u a t e z h ub a o s u p e r v i s o r w u r o n g z h e n 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 ot e c h n o l o g y , t h ef i e l do fi t s a p p l i c a t i o ni ss p r e a d i n g ，t h e r ea r em o r er e q u i r e m e n t so ni t t h ec o n t r o ls t r a t e g y i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n t f a c t o r sw h i c hc a ne f f e c tt h e p e r f o r m a n c e o f e l e t r o h y d r a u l i cs e r v os y s t e m b e c a u s 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 os y s t e m h a s t h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c ，w ea p p l yt h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o lt o i t u s i n gp l c t o f i e l dc o n t r o lo ft h ee t 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 ，u s i n gi p ct oa c t u a l i z e t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o la n dm o n i t o rt h es y s t e mb yt h es t r o n gc o m p u t i n ga n da n a l y s i n g a b i l i t i e sa n dg o o dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c eo f i t t h em a i na c h i e v e m e n t so f t h i s p a p e r a r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n g t ot h ep r i n c i p l ea n dt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so f t h es y s t e m ，t h e o v e r a l ld e s i g np l a ni sp u tf o r w a r d ；u s i n gp l cf o rf i e l dc o n t r o l ，i p ct om o n i t o rt h e r u no ft h es y s t e m ，c o n t r o lt h es y s t e mb yu s i n go fi t ss t r o n gc o m p u t i n ga b i l i t y ； 2 d e s i g n o n ek i n do ff u z z y i m m u n ea n ds e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e rb a s e do n t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rb yc o m b i n i n gt h ep r i n c i p i m no fi m m u n ef e e d b a c k s y s t e ma n d t h et h e o r yo f f u z z yc o n t r o l l i n g t h ep r o p o r t i o nc o e f f i c i e n t sa r ea d j u s t e d b yf u z z y - i m m u n er e a s o n i n g i nt h ec o n t i n u o u s f i e l d ，t h ei n t e g r a t e ，d i f f e r e n t c o e f f i c i e n t sa r ea d j u s t e db yf u z z yr e a s o n i n g ； 3 d e s i g n o n ek i n do fc o m p o u n dc o n t r o l l e rb a s e do nn o n - l i n e a rpc o n t r o l l e r ， s e l f - t u m i n g f a c t o rf u z z yc o n t r o l l e ra n d t h ep ic o n t r o l l e r a v o i d i n gt h es w i t c h i n g j a m b y t h ew h o l es i t u a t i o nt u r n i n go fs e l f - t u m i n g f a c t o rf u z z yc o n t r o l l e ra n dt h ep a r a l l e l c o n t r o l l i n go fc o n t r o l l e r ； 4 - a p p l y i n gp l cm a di t se x t e n d i n gm o d u l ef o rf i e l dc o n t r o l ，d e s i g n i n gt h e p r o g r a m o f p l c ，i n c l u d i n g t h ei n i t i a l i z a t i o no f s y s t e m ，d a t a s a m p l i n g a n d c o m m u n i c a t i o n ； 5 b a s e do no r i e n t - o b j e c t p r o g r a mt o o lv c ，u s i n gt h em o d u l em e t h o dt o d e s i g nt h em o n i t o r i n gs o f t w a r e ，i n c l u d i n gt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s i g n a l p r o d u c i n gm o d u l e ，d i s p l a y i n g ，s t o r i n ga n da n a l y z i n gd a t ai nr e a lt i m e ，s i m u l a t i n g a n da n a l y z i n g b yu s i n g t h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o l l e r ； 6 d e s i g n i n gt h ei n t e l l i g e n c e c o n t r o l l e rm o d u l eb yt h ec o m c o m p o n e n t ， c o m c o m p o n e n t h a st h e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ：l a n g u a g ei r r e s p e c t i v e ， t r a n s p a r e n c yt oc l i e n ta n d s oo n o n l yt h ei n t e r f a c ei sc a r e da b o u tw h e n c a l l i n gi t ，i t m a k e st h em o n i t o rs o f t w a r eh a st h es t r o n ge x p a n s i b i l i t y k e y w o r d s ：e l e t r o h y d r a n l i cs e r v os y s t e m ，p i d ，c o mc o m p o n e n t ，f u z z yc o n t r o l ， c o m p o u n d c o n t r o l 四j i l 大学顿十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本世纪6 0 年代中期，美国首先开展了对智能控制的研究，m e n d e l 和傅京 逊等人首先提出了“人工智能控制”的概念。从本世纪7 0 年代初开始傅京逊、 c l i r i s o 和s a r i d i s 等人从控制理论的角度总结了人工智能和自适应、自学习、 自组织控制的关系，正式提出了发展智能控制理论的设想，指出了智能控制就 是人工智能和控制理论的交叉”1 。近年来，计算机技术取得了突飞猛进的发展， 而随着对电液伺服系统性能要求的提高，计算机在电液控制系统中得到了广泛 的应用。控制理论方法的发展方向直接影响着电液伺服控制的发展方向，现在正 在形成的智能控制理论因具有很强的处理不确定性的能力，且不需要系统的精 确数学模型，因而得到国内外液压控制技术人员的普遍重视。 1 1电液伺服控制系统的现状和发展趋势 现代飞机上的操纵系统，如舵机、助力器、变臂器、人感系统，火力系统 中的雷达与炮塔的跟踪控制等大都采用了电液伺服控制，导弹的作动舵面，摆 动发动机燃烧室，发射台的操纵以及人造卫星与宇宙飞船的飞行控制等也用到 了液压伺服控制系统。飞行器的地面模拟设备，包括飞行模拟台、负载模拟器、 大功率模拟振动台、疲劳强度试验的协调加载、大功率材料试验加载等也用到 了电液伺服控制系统。因此电液伺服控制的发展关系到航空与宇航事业的发展。 在其他的国防工业中，如高射火炮的跟踪系统、坦克武器的稳定系统、舰艇的 舵机操纵与消摆系统等电液伺服控制部有了新的发展。在民用工业方面的应用 也被人们广泛重视起来，如机床、冶炼、锻压、车辆工程、海底作业等也大量 采用了电液伺服控制技术。”“。 电液伺服控制系统是一非线性不确定系统，一方面是因为系统的固有特性 如摩擦力以及阀的死区、游隙等非线性因素；另一方面是因为系统参数( 如油 源压力，惯性质量，执行机构运动时的粘性摩擦力，油温等) 的变化所引起的 不确定性，以及由于模型简化丽墨陡i 的未建摸误差，西此电液伺服系统是一非 1 四川大学硕 学位论文第一章绪论 线性的不确定性系统。 液压伺服系统普遍存在较大程度的参数变化和外负载干扰以及交联耦合 的影响，非线性的影响，有高的静动态精度要求，需优化系统的性能，现在一 般通过软件来达到简化系统及部件的结构的目的。电液伺服系统的这一特征对 控制策略提出了下述要求“： 1 应尽量满足系统的静、动态特性要求，严格的优化设计使系统快速而 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，控制系统应呈 现较强的鲁棒性； 3 控制策略应具有较强的智能性； 4 控制律、控制算法应力求简单可行，实时性强； 5 系统应有较高的效率。 满足上述要求对电液伺服控制来说是关键，开展这方面的研究，建立电液 伺服控制系统的理论与控制方法，寻求工程实用的设计，对促进液压伺服控制 技术的发展将有重要意义。 液压伺服系统的控制理论发展经历了三个阶段【8 】： ( 1 ) 二十世纪4 0 5 0 年代，形成了对单因素控制，以调节原理为标志的 “经典控制理论”； ( 2 ) 二十世纪6 0 7 0 年代，形成了以状态空浏法为代表的“现代控制理 论”： ( 3 ) 二十世纪6 0 年代中期到现在，进行了大量的人工智能控制的研究， 智能控制主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制。与经典控 制和现代控制相比，其突出的特点是研究目标不再是被控制对象，而是控制器 本身；描述系统特性的是一个简单扼要的语言模型而不是数字模型。这一特点 充分发挥了人的智能特性，比起基于系统辨识的自适应控制，有着更强的鲁棒 性，能够适应更大范围的系统和环境的不确定性及信息的模糊性，为复杂系统 的控制开辟了新途径。近年来，为提高液压系统控制性能，已提出了例如鲁棒 ( r o b u s t n e s s ) 控制，自适应( s e l f - t u r n i n g ) 控制，神经网络( n e u r a l n e t w o r k ) 控制，模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 及其它人工智能控制等方法，控制器由模拟控 制改为数字控制。这些控制策略的提出、研究穆开发应薅，极大地提高了控制 r 2 - 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 效果，为液压伺服系统的应用展现了广阔的前景。 1 2 控制策略在电液伺服控制系统的应用概况 ( 1 ) p i d 控制 与经典控制理论相应而发展起来的控制策略以p i d 控制为代表，它结构简 单，易于实现，鲁棒性好，可靠性高，迄今在电液伺服控制系统中仍有广泛的 应用，但是传统的p i d 控制难以协调系统快速性和稳态性能之间的矛盾，在具 有参数变化和外干扰的情况下其鲁棒性也不够好，单纯应用常规p i d 控制器往 往不能达到理想的控制效果。在实际中，把p i d 控制算法与智能控制理论相结 合往往自取得很好的效果，如自适应p i d ，模糊p i d 和智能积分p i d 等。 ( 2 ) 鲁棒控制 实际问题中，系统的模型可能包含不确定因素，要求在系统模型含有不确 定因素时，仍有良好的性能，这就涉及到鲁棒控制问题。近年来出现了。设 计方法，它要求频率响应函数的日。模的上界极小，在日。模约束下已成功解决 了多变量定常系统的镇定补偿问题。h 。方法既保留了状态空间方法在计算上 的优点，又有频率法的直观性且h 。控制器的设计全部工作都可由m a t l a b 语言 实现，但当系统发生的扰动不是小扰动时，。下的优化是否保持次优还不清 楚。仿真和试验表明，采用日。控制，系统具有良好的静动态特性，且对未建 模动态呈现较强的鲁棒性“。 ( 3 ) 变结构控制 变结构控制是一种根据系统状态偏离滑模的程度来变更控制器的结构( 控 制律和控制参数) ，从而使系统按照滑模规定的规律运行的一种控制方法。变结 构控制系统与传统控制系统相比，具有控制规律比较简单，可以协调动态和稳 态性能之间的矛盾，变结构控制的缺点是系统存在抖动非线性( 切换滞后) 引起的自振“。 ( 4 ) 模糊控制 模糊控制适用于被控参量无精确的表示方法和被控对象各种参数之间无精 确的相互关系的情况。模糊控制的鲁棒性较强，对被控对象的非线性和时变性 具有一定的适应能力。简单的模糊控制的不足之处是：控制精度较差；自适应 能力有限 易产生振荡现象。如果套询表构造不合理t 或囊化因子和比例因子 1 i u 川大学硕i 1 学位论文 第一章绪论 选择不当，都会导致系统振荡。针对上面的问题人们也提出了许多改进方案， 设计出各种各样高性能模糊控制器，获得不少成果和进展“。“。 ( 5 ) 神经网络控制 神经网络控制是模仿人类的感觉器官和脑细胞的工作原理来工作的，目前， 关于神经网络控制的研究大多停留在仿真阶段，它的学习算法的收敛性还未从 理论上全部解决，且其计算量大，实时效果不理想“”“。 ( 6 ) 其他控制方法 在液压伺服系统中，b a n g b a n g 控制、自适应控制等控制方法也得到了一 些应用，在此不再一一阐述。 1 3 论文的背景、意义及主要内容 131 论文的背景及意义 电液伺服控制系统( e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o ls y s t e m ) 作为液 压技术的一个重要分支和控制领域的重要组成部分，与其他系统相比，液压伺 服系统具有结构紧凑、功率重量比高、响应速度快、抗干扰能力强、误差小精 度高、低速平稳性好、调速范围宽、介质自身可起冷却润滑作用、安全防爆等 优点，使得电液伺服控制技术广泛应用于航天、国防、民用工业、海底作业等 领域，特别是在重载、大功率领域。但由于其低阻尼、时变性、非线性等典型 特征，容易受负载、系统压力、油温等影响，系统参数易变，很难得到控制系 统的数学模型，使得传统的控制方法难以发挥作用。计算机控制技术的发展， 为电子技术和液压技术的结合奠定了基础，大大提高了液压系统的功能和完成 复杂控制的能力，机、电、液一体化已逐渐扩展到各个工业领域。 计算机的飞速发展使我们可以利用计算机极大的计算能力和存储能力，通 过软件编程比较容易实现控制的智能化，从而提高系统的控制效果。通过智能 控制可以更好地解决液压伺服控制系统的响应快、精度高要求，以及系统的非 线性、时变等复杂问题，促进液压伺服系统的进一步发展。由于p i d 控制在工 业控制中的广泛运用，单纯应用常规p i d 控制器往往不能达到理想的控制效果。 特别是三个系数需要根据情况作相应的调节，可以结合免疫反馈原理和模糊控 制原理对其进行相应的调节来取得良好的控制效果。不同的控制器有不同的优 缺点，控制器的复合控制往德能扬长避短，可以通过智能控镥4 器与传统控制器 4 四川大学颤七学位论文 第一章绪论 的复合控制来取得良好的控制效果。这样通过对系统智能控制的研究来解决系 统的非线性等问题，促进国防工业和民用工业中电液伺服系统的应用。 132 论文的主要内容 电液伺服系统的不断发展，根据被控制量可分为电液位置伺服系统、电液 速度伺服控制系统和电液力伺服控制系统等。电液位置伺服系统是最普遍的电 液伺服系统之一。本文以电液位置伺服控制系统为研究对象，实现伺服系统的 智能控制。本文的主要研究内容有： ( 1 ) 根据电液位置伺服系统的原理及性能要求，提出了基于上下位机的控 制方法，采用可编程控制器作为现场控制，发挥可编程控制器稳定可靠的特点， 使用工业控制计算机作为上位机实现系统的监控，利用其强大的计算能力实现 系统的智能控制； ( 2 ) 分析了一些智能控制方法的原理，利用传统的p i d 控制原理，模糊控 制原理和免疫反馈原理设计出一种模糊免疫自适应p i d 控制方法，通过连续论 域上的模糊推理实现p i d 的比例系数的模糊免疫调节、积分和微分系数的模糊 调节： ( 3 ) 结合非线性p 型控制、自调整因子的模糊控制和p i 控制的优点，设 计出一种复合控制器，在不同的误差范围内使用不同的控制方法满足系统控制 要求，通过自调整因子的模糊控制器的全局调节以及与非线性p 型控制器或p i 控制器的并联来避免控制器切换扰动； ( 4 ) 采用可编程控制器及其扩展模块来进行现场控制，并对p l c 的程序进 行了详细的设计，实现了系统的初始化，数据采集，以及与上位机的通信处理 等功能； ( 5 ) 采用w i n d o w s 2 0 0 0s e r v e r 操作系统为开发平台，利用面向对象的编 程工具v c 6 0 为开发工具进行软件编程，用模块化的方法设计了上位机的监控 软件，实现了串口通信，信号发生器，实时数据显示存储和打印，数据分析等 功能并调用智能控制器进行了仿真分析。 ( 6 ) 采用c o m 组件的方式实现系统的智能控制，由于c o m 组件的语言无关 性和对客户透明等特性，在调用智能控制器时只需关心其接口，使得监控软件 具有很强的扩展性。 叫j 1 1 人学硕士学位论文 第二章 电液位置伺服系统的总体设计 第二章电液位置伺服系统的总体设计 电液位置伺服系统( e l e t r i c - h y d r a u l i c p o s i t i o ns e r v os y s t e m ) 是最基本的和 应用广泛的电液伺服控制系统，它综合了电子和液压两方面的优点，实现对位 置量的高精度控制和快速响应。它不仅用于直接控制负载的位置，例如，雷达 天线及火炮瞄准角的控制，飞机、导弹或舰船舵机的控制、仿形机床刀具位置 的控制、扎钢机板材厚度的控制等，而且用于其他物理量的控制，例如速度控 制、力控制、温度控制等，也常作为大闭环回路中的局部反馈小闭环回路。 本章通过对电液位置伺服控制系统设计的理论、设计性能要求进行分析， 提出了电液位置伺服系统的总体设计方案，并对实现系统功能的软件方案设计 进行了介绍。 2 1 电液位置伺服系统的基本原理 电液伺服控制系统是一种以液压动力机构为执行机构，并具有反馈控制的 机一电一液一体化系统。在这种控制系统中，只要输入某一规律的输入信号， 则执行元件就能自动、快速并准确地复现输入量的变化规律，并且还起到信号 的功率放大作用。电液位置伺服系统的被控量是工作台的位置( 位移) 或角位移 它能自动地以一定的精度跟踪这一输入信号运动，所以电液位置伺服系统是一 个自动跟踪系统。 系统存在偏差是电液位置伺服系统工作的必要条件，也可以说液压伺服系 统是靠偏差来进行工作的。系统以偏差信号来进行控制，使系统朝偏差较少的 方向运动，直至偏差为零为止。这种靠偏差信号来进行工作，并以偏差来消除 偏差的工作原理就是反馈控制原理。因此电液位置伺服系统也是一个反馈控制 系统。 系统所需控制量或输入信号功率很小，而系统的输出功率可以很大，因此 电液位置伺服系统是一个力或功率放大的系统。功率放大所需要的能量由液压 能源供给，供给能量的控制是根据偏差信号的大小自动进行的。综上所述，电 6 ， 四川大学顺士学位论文 第二章电液位置伺服系统的总体设计 液伺服系统是一个负反馈闭环控制系统，且放大了功率，典型电液位置伺服控 制系统如图2 1 所示： 图2 1 典型电液位置伺服控制系统 出 2 2 电液位置伺服系统的基本要求 本系统是一种试验系统，作为对电液伺服系统进行智能控制的研究平台， 要求监控软件具有扩展性，能调用不同控制方法来对电液伺服系统进行控制研 究。其系统设计的基本原则是安全，可靠和高效率，具体包括： ( 1 ) 可靠性：能保证系统长期稳定运行； ( 2 ) 实用性：能满足控制系统的各方面技术指标要求，系统投入运行后维护方 便： ( 3 ) 操作性：控制系统的人机界面便于操作人员操作，画面直观，全部过程采用 中文显示： ( 4 ) 价格：系统投资合理，造价尽可能低： ( 5 ) 维护功能：系统故障诊断功能完善，维护容易。 本系统的主要技术指标为：行程：o - 7 5 c m ，允许位置误差：0 5 m m ，位置分 辨率：o 0 5 r a m 最大移动时间：5 s ，幅值裕量：7 d b ，相位裕度：6 0 。，工作台重 力g ：4 0 0 0 n ，摩擦系数：0 0 5 ，负载力：2 0 0 0 n ，油温：3 5 6 5 c 。 2 3 电液位置伺服系统的总体方案设计 由上面可知电液位置伺服控制系统由智能控制器、电液伺服阀( 配套伺服 控制器) 、液压缸及负载、检测元件等组成。 智能控制器的主要功能是对输入系统的电信号进行综合、比较、校正和放 四j i 大学硕士学位论文 第_ - 二章电液位置伺服系统的总体设计 大，实际使用中往往包括信号发生器等。 电液伺服阀是将控制放大器输入的电流信号转换为液压能的元件，它的性 能对整个系统的影响很大，是电液伺服系统中的关键元件。 液压缸接受伺服阀输出的压力油，使活塞按要求进行往复运动，被试件一 般装在活塞杆末端，由液压缸的高压液压油对试件施加作用力。 检测元件包括传感器及测量放大器。由检测元件检测到被控量的大小。根 据被控量的不同，传感器可有位移传感器、力传感器、压力传感器、加速度传 感器等。 在本系统中智能控制器由软件来实现，卸荷回路采用溢流阀卸荷回路，通 过溢流阀远控口接通油箱实现低压卸荷。电液伺服阀采用北京机床研究所生产 的q d y - 4 0 电液伺服阀，与其配套的s v a i i 型伺服放大器来驱动电液伺服阀。 检测位移元件选用光栅线位移传感器，同时选用压力传感器、温度传感器、流 量传感器来捡测系统的运行状况。除此外，选用合适的泵站，精密滤油器，蓄 能器、电磁阀等辅助器件。 p l c 是一种以功能强大的中央处理器为核心，集先进的电子技术，通讯技 术及自动过程控制为一体的工业控制器，它不仅能完成功能强大的逻辑控制， 更能进行模数，数模的转换，数据采集，过程控制并能与外界较为轻松地实现 通讯，进行大量数据传输，更为可贵的是它能高可靠地适应恶劣环境的能力， 而且它还具有很强的扩展性，在系统控制要求改变时能很好的完成系统新的控 制要求。由于电液位置伺服系统的工作现场条件比较恶劣，而且要求可靠。与 单片机系统相比基于p l c 的数据采集系统具有可扩展性好，稳定性高，抗干扰 能力强的特点。p l c 作为下位机使用，用来完成输出控制、数据采集和状态判 别等现场控制任务。但是p l c 对于数据处理的能力有限，仅p l c 控制无法实 现高级的控制算法，而且没有良好的用户界面。而计算机具有强大的数据处理 能力和良好的用户界面。所以采用上下位机的控制方法，通过在工业控制计算 机上开发简明、可靠的监控软件，达到控制系统的设计要求。监控系统将微计 算机和p l c 结合起来，使两者优势互补，能充分利用计算机强大的人机接口功 能、丰富的应用软件、低廉的价格，组成高性价比的控制系统。i p c 与p l c 通 过电缆线相连，p l c 接收i p c 的控制命令实现对液压设备的自动控制，p l c 完 成数据采集、处理、操作和控制等功能，i p c 完成系统运j i 状态豹监控，以及 r u u 川大学硕士学位论文第一二章 电液位置伺服系统的总体设计 控制方法的实现，通过调用控制器模块，可实现系统的智能控制。系统的总体 结构简图如图2 1 所示： 图2 1 电液位置伺服系统的总体结构简图 系统的具体工作流程如下： ( 1 ) 系统初始化； ( 2 )线位移传感器把液压缸的位置以脉冲的形式送给可编程控制器的 高速计数器，压力、流量以及温度传感器把当前的压力、流量和油温输入到模 拟量输入模块； ( 3 )可编程控制器将状态值送给上位机( i p c ) ，上位机将显示系统状态， 并把当前位置量与给定的位置量比较，调用智能控制器输出控制量发送给p l c ， 同时上位机完成实时数据显示存储，分析等功能； ( 4 ) p l c 根据发送过来的控制量经过模拟量输出模块以电压的形式加在 伺服放大器的输入端，伺服放大器将电压信号放大后转换为电流信号以驱动电 9 四川大学顿上学位论文 第二章电液位置倒服系统的总体设计 液伺服阀，电液伺服阀的阀芯位移与控制电流成正比，以控制阀丌口的方向和 大小，从而控制进入液压油缸的油流方向和大小，推动活塞和负载一起向减小 误差的方向移动，通过调节电液伺服阀的开口来控制进出液压缸的流量，从而 控制液压缸的位置，同时p l c 要完成对其他电磁阀的控制，手动按钮的响应等 功能。 2 4 电液位置伺服系统的软件设计 电液位置伺服系统的软件设计是整个系统设计的关键工作，系统要求实现 智能控制，整个系统的工作最终是否达到设计目标，除了涉及到系统开发者对 目前已有的电液伺服系统设计的专业知识和技术的积累、掌握和应用之外，系 统软件的效率、工作的速度以及软件的智能化等也是影响系统性能的重要因素。 根据电液位置伺服控制系统的功能要求及其工作流程方案，系统的软件设 计主要包括上位机监控端、下位机现场控制端两个部分的设计。 1 上位机用来监控系统运行，要求有良好的操作界面，智能控制方法由高 级编程语言编写实现其功能的c o m 组件实现，通过调用不同的c o m 组件使 用不同的智能控制方法，从而对系统进行智能控制，对于同样接口的智能控制 方法，只需要重新生成c o m 组件，就可以实现新的控制方法，无需重新改写 监控软件，使系统具有很好的扩展性。同时上位机实现系统运行状况的监控、 信号发生，数据的显示存储和分析以及与p l c 的通信等功能。 2 下位机p l c 的程序设计，由p l c 的专门编程语言( 梯形图、功能块图 或语句表) 来实现现场的数据采集、执行机构的控制以及与上位机通信等功能。 2 。5 本章小结 本章主要是对电液位置伺服控制系统的总体设计方案进行综合性论述，对 电液位置伺服控制系统进行了功能分析，阐述了系统的性能要求；根据电液位 置伺服控制系统的性能要求，提出了系统的总体设计方案。整个系统采用上下 位机的体系结构，并对系统的软件设计进行了介绍。 四川大学硕士学位论文 第三章智能控制的基本理论 第三章智能控$ 1 1 f l j 基本理论 随着科学技术及计算机的飞速发展和广泛应用，人们希望用计算机帮助人 甚至代替人来完成更多更复杂的脑力劳动，以提高自动化水平和工作效率，这 促使自动控制与人工智能两个学科交叉融合，形成了智能控制。计算机技术和 智能控制理论的发展为复杂动态不确定系统的控制提供了新的途径。迄今为止， 人是众所周知的智能水平最高的生物，人本身也是一个生物智能控制系统，具 有很高的智能特性。智能控制就是希望能用机器来模拟人在控制过程中的智能 特性。通过采用智能控制技术可设计出具有良好性能的智能控制器，来实现系 统的智能化。模糊控制属于智能控制，是一种模拟人类智能的形式，它反映了 人类在认识过程中的不确定性。生物的免疫系统也是一个复杂的系统，它能够 对于外来侵犯的抗原产生相应的抗体来抵御，具有很强的智能性。本章先后对 传统的p i d 控制原理、模糊控制原理以及免疫反馈原理进行了介绍和分析，为 下一章智能控制器的设计打下基础。 3 ，1 p i d 控制原理”2 1 p i d 控制具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高的优点。p i d 控制器是一种 线性控制器，在闭环系统中，它根据给定值与实际值比较，得到偏差g ( f ) ，将 偏差信号的比例、微分和积分通过线性组合，构成控制量“( f ) ： 坤) = 脚+ 寺) + 鬻】 ( 3 1 ) 式中：k ，比例系数：乃积分时间常数；瓦微分时间常数； p i d 控制的基本原理框图如图3 1 所示： u qj i l 大学硕士学位论文 第三章智能控制的基本理论 图3 1p i d 控制的基本原理 比例环节能及时成比例的反映控制系统的偏差信号e ( r ) ，偏差一旦产生， 控制器就立即产生控制作用，以减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高 系统的无差度；微分环节能反映偏差信号的变化趋势( 变化速率) ，并能在偏差 信号值变得太大之前，产生一个有效的早期修正信号，以加快系统的控制，减 少超调量，缩短调整时间。 p i d 控制是连续系统中技术成熟，应用最广泛的一种调节器。它具有简单 而固有的形式；在很宽的操作条件范围内，能保持较好的鲁棒性；在长期应用 中积累了丰富的经验，允许工程人员用一种简单而直接的方式来调节系统。 但p i d 的三个参数的整定规则往往比较复杂，同时必须依赖于系统的精确 的数学模型，这些不足之处制约了其在过程控制中的应用。这些问题的存在， 并不是p d 本身引起的，而是线性p i d 控制中p ，i ，d 的线性组合、系统特性 变化与控制量之间线性映射关系造成的。 随着计算机技术的发展，p i d 控制算法已经能够通过计算机编程实现，形 成数字p i d 。由于软件系统的灵活性，使得数字p i d 算法可以得到修正，从而 更加完善。数字p i d 控制算法通常又分为位置式算法和增量式算法。 计算机控制是一种采样控制，因此，对模拟p i d 控制算法必须进行离散化 处理。离散后积分和微分项不能直接使用，只能用数值计算的方法逼近，以和 式代替积分，以平均式代替微分。采样周期越短，这种逼近越准确，被控过程 与连续控制过程越相似。 现以一系列的采样时刻点女，代表连续时间，将e ( k t ) 简化表示为e ( k ) ， 可得到离散的p i d 表达式为： 钳( 七) ：k p 8 ( 七) + t 圭p ( ，) 7 1 + k 坐三警生 ( 3 2 ) j = o - 12 四川大学硕士学位论文第三章智能控制的基本理论 式中k 采样序号，k = 0 ，l ，2 ，3 ； u ( k 卜一第k 次采样时刻计算机的输出值； p ( t ) ，e ( k 一1 ) 第k ，( k - - 1 ) 次采样时刻输入的偏差值； 由于计算机输出的u ( k ) 直接去控制执行机构( 如阀门) ，“( ) 的值与执行机构 的位嚣( 如阀门开度) 是一一对应的，所以常称式( 3 2 ) 为位置式p i d 控制算 法。 当执行机构需要的是控制量的增量( 例如驱动步进电机) 时，可由式3 2 导出增量式p i d 控制算法。将采样时刻f = k t 和f = ( 七一1 ) 丁代入式3 2 ，并两式 相减可得： a u ( k ) = a e ( k ) 一b e ( k 一1 ) + c e ( k 一2 ) ( 3 3 ) 个下 式中a = k p ( 1 + + 等) ； 1 7 1 b = k p ( 1 + 2 等) ： c = k p t o t ； 它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系 数。 采用增量式算法，计算机输出的控制增量a u ( k ) 对应的是本次执行机构位 置( 例如阀门开度) 的增量。目前利用较多的算式为u ( k ) = u ( k 1 ) + a u ( k ) ， 它通过软件来实现。 位置式算法的特点是：控制精度高，但由于全量输出，所以每次输出均与 过去的状态有关，计算时要对p ( 女) 进行累加，计算机运算工作量大a 并且计算 机输出的“( ) 对应的是执行机构的实际位置。 增量式控制有许多优点：由于计算机输出的是增量，所以误动作时影响小， 必要时可用逻辑判断的方法去掉；手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切 换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作 用，故仍能保持原值。 但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；溢出的影 响大。所以在选择时不可一概而论，在控制精度要求高的系统中，可采用位置 控制算法，而在以步进电机或电动阍门作为执行器的系统中，则可采用增量控 t 3 心川大学硕士学位论文第三章智能控制的摹本理论 制算法。 3 2 模糊控制原理 经典控制理论及现代控制理论是建立在对被控对象的模型精确了解基础之 上的，常用的p i d 控制，自适应控制等均可获得满意的控制效果。但在实际控 制中许多控制对象和被控过程常常呈非线性、不确定性等，很难建立理想的模 型，使得依赖于模型的传统控制理论的应用受到了限制，即使对于某些复杂的 对象能建立起数学模型，也会因整个系统过于复杂而难以进行实时控制，因此， 人们期望一种不依赖或少依赖模型的智能型控制方法，模糊控制正是顺应了这 一背景而产生的。 模糊控制作为智能控制的一个重要分支，它不仅能提取系统的客观信息， 更重要的是它可将人类的主观经验和直觉纳入控制系统。模糊控制的本质是对 人手动控制的一种理论总结和概括，任何复杂的系统和对象都可以通过人的手 动控制来获得满意的控制效果，而人的手动过程具有模糊性和智能性，是一种 对系统控制的宏观方法，其核心是用语言描述控制规则。用i f t h e n 的方式来 描述控制量与被控制量问的关系，将专家经验总结成若干条规则，将这些规则 经过必要的处理后存入计算机，然后用这些规则去控制系统。因此模糊控制为 解决不易或无法建模的复杂系统的控制问题提供了有力的手段，特别适用于数 学模型未知的、复杂的非线性控制系统。特别是进入9 0 年代以后，模糊控制由 于其设计简单、易用、维护方便、稳定性好、鲁棒性高、控制效果好而被广泛 地用于各种控制系统。 但纯粹的模糊控制也有其本身的缺点： ( 1 ) 控制精度较差，主要是由于模糊控制表的量化等级有限而造成的，通 过增加量化等级数目虽可提高精度，但查询表将过于庞大，须占用较大的空间， 使运算时间增加。实际上，如果模糊控制器不引入积分机制，原则上误差总是 存在的； ( 2 ) 自适应能力有限，由于量化因子和比例因子是固定的，当对象参数随 环境的变迁而变化时，它不能对自己的控制规则进行有效的调整，从而使其良 好的性能不能得到充分地发挥。 ( 3 ) 易产生振荡现象。如果查询表构造不合理，或量化因子和比例因子选 ， 1 4 四川大学硕士学位论文第三章智能控制的基本理论 择不当，都可能导致系统振荡。 所以在实际中往往将模糊控制与其他控制方法相结合，可取得很好的效果。 3 2 1 模糊控制的数学基础 】模糊集合与隶属函数“” 模糊集合是模糊数学的基础，它从经典集合理论发展而来的。对于经典集 合而言论域的事物要么属于某一集合，要么不属于某一集合，不允许有模棱两 可的说法，该事物对应的特征函数或取值l ( 是) ，或取值0 ( 否) ，不可能出现 模棱两可的情况。而模糊集合则认为论域中的所有元素对某一集合的隶属程度 用隶属函数来描述，其取值是在区间 01 上的连续值，而不像普通集合的特征 函数只取0 或l 两个值，这使得模糊集合适合于表示某元素属于模糊集合的模 糊状态。一般情况下模糊集合可表示为： a = “1 ，“2 “。】 其中“， 0 ，i 】( ，= 1 , 2 ，3 n ) 是第f 个元素对模糊集合的隶属度，设所考虑的论域 为 u = z l ，x 2 x 。 则对于u 的模糊子集a 用z a d e h 描述法可记为： a ：v 丝 篙x ， 则沦域中的元素x 。对模糊集a 的隶属程度通过隶属度函数u 。联系起来。也可以 用序偶表示法和向量表示法。 2 模糊关系“” 客观世界各事物之间普遍存在着联系，关系是描述事物质之间某种联系的 一种数学模型，普通关系只是描述元素之间是否存在某种关联，而模糊关系则 是描述元素间具有某种关联程度的大小。 从a 到b 的模糊关系r 指直积a b = ( d ，b ) ld a ，b b 中的一个模糊子 集，其模糊关系由隶属函数： “。：ax b + 0 , 1 来刻划，隶属度( 口，6 ) 表示序x t ( a ，6 ) 具有关系r 的程度。当直积控件为有限 集时，常用模糊矩阵表示模糊关系： 1 5 r q 川大学硕士学位论文 第三章智能控制的基本理论 r = 月( a i ，b 1 ) ，k t r ( a t , b 2 ) 卢h ( a l ，b 。) a t r ( 口2 ，b 1 ) ，1 2 r ( 口2 ，b 2 ) 月( d 2 ，以) 月( d 。，b 1 ) ，月( a n , b 2 ) 月( a 。，以) 在模糊控制中，确定从输入空间到输出空间所存在的各种模糊关系是至关 重要的。 3 模糊关系的运算及合成 模糊关系是定义在a b 上的模糊子集，可通过模糊子集之间的运算来定 义模糊关系的并、交、补等运算，设r 、s 是a b 上的模糊关系，则有 并集r u s 付虬坼( 口，b ) = 2 r ( d ，b ) v , u s ( a ，b ) 交_ 集尺n s h 2 ( 口，b ) = 胁( 口，b ) 2 s ( d ，b ) h 集百h i ( d ，b ) = 1 一 ( 盯，b ) 等价r = s