（机械工程专业论文）用于结构静力试验的电液伺服加载系统的开发与研究.pdf

硕士论文用于结构静力试验的电液伺i i ；i i 载系统的开发与研究 摘要 i i i ii ii iii ii i iii i ii ii y 2 2 7 4 8 0 3 复杂工程设备特性尤其是静态特性静强度、刚度以及稳定性等越来越重要，结构 静力试验是一种快速有效的试验手段来得到这些特性，通过结构静力试验能够提供所 设计产品准确可靠的静态特性资料，是确定产品可靠性的重要标准，为优化和改进所 设计产品提供可靠的参考资料。本文研究并开发了用于结构静力试验的电液伺服加载 系统。 本文的研究内容来源于苏州筑邦科技有限公司，为上海钢之杰公司与同济大学合 办的实验项目提供静力试验的电液伺服加载系统，该试验主要用于模拟轻钢结构墙体 的抗震能力，即研究轻钢结构墙体的抗弯抗剪强度。为达到试验要求，需要加载系统 能够实现低速往复加载，能够通过力或位移反馈进行控制，并要求加载系统加载速度， 超调量及稳定时间能够达到一定的标准。 根据以上要求，本课题主要研究内容为系统电路设计及电器元件的选型，并完成 基于l a b v i e w 平台的上位机控制软件设计与调试。核心算法通过对常规p i d 控制的 研究与改进，设计了模糊p i d 控制算法，经模拟实验表明，本算法达到了要求的性能 指标。 本文介绍了系统调试情况，并分析解决了调试过程中遇到的各方面的问题，经过 调试及现场试验，本系统已交付客户使用。通过一段时间的使用试验表明，本系统的 软硬件运行良好，达到了设计要求。 关键词：结构静力；电液伺服；加载；模糊控制；p i d ；l a b v i e w a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e xe n g i n e e r i n gp a r t so re q u i p m e n t ，e s p e c i a l l yt h es t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s ，a r em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s t a t i ct e x ti sv e r yf a s ta n de f f e c t i v ew a y t o c h e c kt h es t a t i cs t r e n g t h 、s t i f f n e s s 、s t a b i l i t ya n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c so f t h ep r o d u c t s t h e d a t ef r o mt h et e x ti st h ei m p o r t a n ts t a n d a r do fp r o d u c tr e l i a b i l i t y a l s o ，f r o mt h et e x tw e c a np r o v i d et h ea c c u r a t ea n dr e l i a b l ed a t ao fs t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，i t sv e r yr e l i a b l e i n f o r m a t i o na n dr e f e r e n c ef o ru st oi m p r o v et h ep r o d u c t s t h ep a p e ri n t r o d u c e da n e l e c t r o h y d r a u l i cs e r v ol o a d i n gs y s t e mf o rs t a t i ct e x t t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i sp a p e rc o m e sf r o ms u z h o uz h u b a n gs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc o ，l t d i tp r o v i d ea ne l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ol o a d i n gs y s t e mf o rs t a t i ct e s t i n g u s e df o rt h ee x p e r i m e n tp r o j e c tp r o v i d eb ys h a n g h a ib e s t s t e e ls t e e ls t r u c t u r ec o ，l t da n d t o n g iiu n i v e r s i t y t h ee x p e r i m e n ts i m u l a t e dt h ec a p a c i t yo ft h el i g h ts t e e lw a l lt or e s i s t s e i s m i c a n dr e s e a r c ht h ef l e x u r a la n ds h e a rc a p a c i t yo fi t i no r d e rt om e e tt h et e s t i n g r e q u i r e m e n t s ，i tr e q u i r e dt h a tt h el o a d i n gs y s t e mc a nr e a l i z et h el o wc y c l i cl o a d i n g ，a n d c o n t r o l l e dt h r o u g hf o r c eo rd i s p l a c e m e n tf e e d b a c k a tt h es a m et i m e ，t h el o a d i n gs p e e d ， o v e r s h o o ta n ds t a b i l i t yt i m eo ft h el o a d i n gs y s t e mn e e dt or e a c hac e r t a i ns t a n d a r d a c c o r d i n gt ot h e s er e q u i r e m e n t s ，t h em a i nr e s e a r c ho ft h i sp a p e rt o p i ci ss e l e c t i o n c i r c u i td e s i g na n de l e c t r i c a lc o m p o n e n t so ft h es y s t e m t h e nd e s i g na n dd e b u gt h e s o f t w a r eo fp cc o n t r o lb a s e do nt h el a b v i e ws o f t ：w a r e b a s e do nt h er e s e a r c ha n d i m p r o v e m e n to fc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l ，i td e s i g n st h ef u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h ma s t h ec o r ea l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc o m p l e t e st h ee x p e c t e d d e s i g ng o a l ，a n dm e e t st h er e q u i r e m e n t sp e r f o r m a n c e i n d e x t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ec o m m i s s i o n i n go ft h es y s t e m a n a l y s i st h ep r o b l e m so f c o m m i s s i o na n dg i v et h es o l u t i o n so ft h e s ep r o b l e m s t h es y s t e mh a sb e e na l r e a d y d e l i v e r e dt oc u s t o m e r t h r o u g hap e r i o do ft i m eu s i n gt h et e x t ，i ti ss h o w e dt h a tt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mb o t hr u n n i n gv e r yw e l l ，r e a c h e dt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t k e y w o r d ：s t a t i cs t r u c t u r e ；e l e c t r o h ) 7 d r a u l i cs e r v o ；l o a d i n g ；f u z z yc o n t r o l ；p i d ； l a b v i e w 硕士论文 用于结构静力试验的电液伺服加载系统的开发与研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论。1 1 1 项目背景及意义l 1 1 1 项目背景1 1 1 2 研究意义4 1 2 电液伺服加载系统国内外现状及发展前景4 1 2 1 电液伺服加载系统国内外现状4 1 2 。2 虚拟仪器概述4 1 2 3 模糊p i d 控制研究5 1 3 课题主要研究内容及论文组织结构- 6 1 3 1 课题主要研究内容6 1 3 2 论文组织结构7 2 用于结构静力试验的电液伺服加载系统方案设计8 2 1 系统要求及性能指标8 2 2 系统总体方案设计9 2 2 1 系统总体硬件方案设计9 2 2 2 系统总体软件方案设计1 0 2 - 2 3p i d 控制原理1 1 2 2 4 数字p i d 控制算法1 2 2 3p i d 参数整定方法1 4 2 4 本章小结15 3 系统硬件及电路设计1 6 3 1 电液伺服加载系统的硬件构成。1 6 3 1 1m o o g 伺服阀d 6 3 3 1 7 3 1 2 传感器1 9 3 1 3 研华p c i 1 7 1 0 采集卡2 l 3 2 数字伺服控制器的外围电路设计2 1 3 3 本章小结2 6 i i i 目录 硕士论文 4 基于l a b v l e w 平台的电液伺服加载系统控制软件设计2 7 4 1 控制软件系统总体结构设计2 7 4 2 数据通信模块设计2 7 4 3 基于l a b v i e w 的控制界面设计2 8 4 3 1 快捷键按钮2 8 4 3 2 系统菜单3 1 4 3 3 参数显示窗口3 4 4 - 3 4 曲线显示窗口一3 5 4 3 5 控制方式3 5 4 3 6 自动程控程序编写3 8 4 4p i d 控制器的开发4 0 4 5 模糊控制器的开发。4 2 4 5 1 模糊控制原理4 2 4 5 2 模糊p i d 控制器设计4 4 4 6 本章小结4 8 5 系统调试4 9 5 1 调试中遇到的问题及解决办法一4 9 5 2 系统实现5 0 5 3 本章小结5 5 6 结论与展望5 6 6 1 结论5 6 6 2 展望5 6 致谢。5 8 参考文献5 9 i v 硕士论文 用于结构静力试验的电液伺服加载系统的开发与研究 1 绪论 1 1 项目背景及意义 1 1 1 项目背景 在现代社会中，复杂工程设备特性尤其是静态特性静强度、刚度以及稳定性等越 来越重要，结构静力试验是一种快速有效的试验手段来得到这些特性，通过结构静力 试验能够提供所设计的产品的准确可靠的静态特性资料，是确定产品可靠性的重要标 准，为优化和改进所设计的产品提供可靠的参考资料n 1 。随着社会的发展，研发人员 研发设计的构件的形状越来越复杂，受力状态也越来越难以确定，想要得到产品的静 态特性必须通过试验才能得到准确的参数，而结构静力试验作为最为快速有效的试验 手段，在研发过程中，已经是必要环节。因此，现代社会在各种领域，包括土木、建 筑、车辆、船只、航空、航天等等领域的各种零件和结构的设计环节内，都要求通过 结构静力试验来得到零件和结构的特性参数，确保设计的产品的质量，避免产品不能 够很好的满足预期的设计要求舱3 。 静力试验通常采用机械加载、电动加载或液压加载这几种加载方式进行加载，由 于液压加载平稳性相对比较好，而且在运行过程中，噪声相对较低，所以在实际应用 和试验室进行试验中更多的被利用b 1 。 本文的研究内容来源于苏州筑邦科技有限公司，为上海钢之杰公司与同济大学合 办的实验项目“墙体抗弯抗剪实验装置设计项目”提供的静力试验的伺服加载系统， 该试验主要模拟墙体抗震的能力，研究轻钢结构墙体的抗弯抗剪强度，为满足试验要 求，需要加载系统能够实现低速往复加载，通过力或位移反馈进行控制，并要求加载 系统加载速度，超调量及稳定时间能够达到一定的标准。 根据以上要求，本文研究开发了一套电液伺服加载系统，基于流体力学基本原理， 通过各种液压元件构成系统控制回路，把具有特定压力的液压油注入作动器，再通过 作动器内部的活塞把把活塞两端液压油的压力差转换为作用力差，从而控制活塞杆的 运动或作用力，这个过程即为液压加载。以前的静力试验比较简单，对加载的压力和 作用时间没有精确的要求，因此早期的液压加载可以通过操作人员直接控制来改变系 统的油压和输油方向，从而实现对作动器活塞杆的控制。但是由操作人员控制，系统 的控制精度完全取决于操作人员的操作水平，而这又受到操作人员对操作系统的熟悉 程度以及使用熟练程度等的影响，同时，操作人员控制的依据是通过肉眼观察到的试 验现象或加载压力，故而误差因素太多，系统可靠性太差h 3 。随着社会的发展，试验 过程对试验系统的稳定性等要求越来越高，以前人工操作的液压加载方式越来越不能 1 绪论 硕士论文 达到试验的要求。所以，将试验加载方式与现代控制和测试技术相融合，使用计算机 来代替操作人员进行控制越来越受欢迎瞄一3 。计算机控制的主要原理是，通过液压元 件组成的油源系统提供系统所需求的油压，再由计算机计算得到控制量来控制液压阀 阀口大小从而控制输入作动器的液压油流量，从而实现对作动器作用力或位移的控 制。考虑到本系统的试验对象的多样性，系统需要依据力或位移进行控制，在系统开 发时，设计了两种加载方式可以分别通过力反馈或者位移反馈来实现系统的控制，从 而满足各种试验的要求。 随着社会的发展，机电液一体化已经越来越被重视并被广泛的应用到了当代试验 设备和工程中，通常情况下，液压设备成本比较高，在试验系统或者工程应用的设备 中，其成本往往超过系统总成本的2 0 ，达到3 0 ，更多的可能会达到或者超过5 0 ， 为了避免或减小因设计引起的损失，在设计初期，用计算机对液压系统进行仿真优化 是很有必要的阳1 。比如在设计过程中，通过计算机仿真得到了所设计液压系统的动态 特性和静态特性，就可以对系统进行优化改进，更好的选用液压元件并对整个液压系 统进行改进，同时也减少了设计过程中试验的次数，在时间和金钱上，都能得到很大 程度上的节约。既优化了整套液压系统，提高了系统的稳定性。，还能节约开发时间并 减少开发所需的经费四川。 本课题首先利用虚拟仪器l a b v l e w 软件作为开发平台，设计电液伺服加载系统 的软件部分，其核心控制部分采用p i d 算法，并通过对p i d 算法进行优化改进开发 出模糊自适应p i d 控制系统，从而优化控制系统，提高系统的线性度，减小系统超调 量并缩短系统稳定时间，最终优化设计方案n 1 j 。基于这种设计与分析方式，可以很大 程度上的节约设计，并且确保电液伺服加载系统的线性度，超调量和系统稳定速度能 预期的设计目标u 引。 p i d 控制算法，虽然它是一种传统的控制方法，但是该算法计算量不大、反应速 度快、容易掌握且实现难度低，在现代社会依然相当广泛的应用n 引。在应用p i d 控制 算法时，先要确定被控制对象的数学模型，通过设置p i d 控制参数k p 、k i 和确，就 可以对系统的p i d 控制。虽然p i d 控制算法实现难度低，但是，不同的试验需要对 应不同的参数，可能同一个试验在不同阶段也需要不同的p i d 参数进行控制，而p i d 控制算法中，p i d 控制参数k p 、k i 和& 修改比较麻烦，也不能自我修改整定，难以 满足实际应用中系统非线性，环境时变性等不确定和不稳定影响，传统p i d 控制很难 完全达到试验需求的控制效果n4 | 。在控制方法中，还有一种模糊控制方法，这种控制 方法对控制对象的模型没有特定要求，其基本原理是通过使用语言变量来实现对系统 特征的表达，而不是类似p i d 控制算法时通过数值变量来进行表达，模糊控制方法能 够根据从系统采集到的动态信息，再按照模糊控制器的模糊控制规则推理计算得到相 应的控制量来控制系统，基于这种原理，在控制过程中，系统鲁棒性比较好，不过控 2 硕士论文 用于结构静力试验的电液伺服加载系统的开发与研究 制精度相对比较低n 6 1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 1 在传统p i d 控制算法的基础上，如果通过改进算法，让p i d 控制参数k p 、k i 和 能够实现自整定自调整，那么就可以有效的克服实际应用中系统的非线性及环境 时变性等不稳定因素的影响，达到试验需求的控制中效果。经研究发现，如果把模糊 控制方法和p i d 控制算法融合起来开发新的控制系统，其原理是把模糊推理得到直接 的控制量改为非直接控制，即通过模糊控制推理来改变p i d 控制器的控制参数，从而 达到p i d 控制参数自我修改整定的目的，在不降低p i d 控制算法的控制精度的前提 下，能够提高系统的鲁棒性，从而达到试验目标，后文统称这种新的控制方法为模糊 p i d 控制算法啦川。 本课题来源于苏州筑邦科技有限公司的墙体抗弯抗剪强度实验装置设计项目。是 同济大学与上海钢之杰下属实验室联合委托项目。 本课题主要流程图如下： 图1 1 电液伺服加载系统总体流程图 1 绪论 硕士论文 1 1 2 研究意义 该系统是服务于同济大学与上海钢之杰下属实验室的试验系统，该系统主要用于 钢之杰公司生产的轻钢结构墙体的强度试验，模拟墙体抗震的能力，通过静力结构试 验，发现系统的薄弱环节，从而更好的改进墙体结构，提高墙体的结构性能。 本文所设计的电液伺服加载系统即为该试验系统的加载系统，能够实现对墙体的 低速往复加载，并按照试验需求分为位移控制加载和力控制加载，更好的为系统试验 所服务。 1 2 电液伺服加载系统国内外现状及发展前景 1 2 1 电液伺服加载系统国内外现状 液压伺服控制系统的理论首先是由麻省理工大学于上世纪中期开始研究的，其控 制原理是通过对采集到的数据进行分析，把其增量线性化并建立模型后得到控制输 出，即反馈控制模式晗2 j 。随着研究的深入，到现在，该控制理论已经越来越完善，能 过满足于很多常规工程的需求，能够很好的应用于系统参数变化不大、系统干扰和影 响也不大，控制范围不太广的试验与工程中口3 i 。 但是随着社会的发展，现在的试验与工程系统越来越需求控制系统能够对所控制 的对象能够更好的进行跟踪，并记录任意的函数类型，包括非线性的函数，同时，还 要能够尽量扩大系统控制范围和减小外界干扰对控制系统的影响心制。所以，常规的把 系统采集的增量简单线性化的控制方法已经无法满足试验需求乜副。随着计算机系统的 发展，利用计算机进行控制的方法越来越得到重视，把计算机控制应用的液压控制理 论中，提高常规液压控制的精度并加快系统的响应速度等性能，更好的应用于现代试 验和工程日益复杂的控制需要6 _ 7 j 。 1 2 2 虚拟仪器概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) 这个概念最早是由美国的n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t sc o r p ) 公司提出的，它的产生主要归功于计算机与当代仪器技术的不断 发展结合，在现代c a t ( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) 领域占有举足轻重的位置1 。 把计算机作为系统硬件的核心部分，在此基础上，通过计算机开发系统前面板即 虚拟面板，然后在计算机上编写控制软件，操作人员通过前面板设定控制参数等内容 来实现对系统控制的仪器控制系统简称为虚拟仪器乜吼30 】。它可以通过鼠标和键盘来控 制系统前面板，相当于自己开发了一套测试的仪器。它可以把日益发展的计算机控制 技术和便捷的软件以及各种硬件模块融合在一起，实现复杂多变的控制需求，从而代 替原有的传统的仪器控制技术川。通过这种控制方式，在更好的使用日益发展的计算 机技术的同时，还能实现对测量的定义，并且灵活的控制自动化系统，从而更好的满 4 硕士论文用于结构静力试验的电液伺服加载系统的开发与研究 足越来越复杂多变的试验和工程需求。因为在虚拟仪器中，软件是整个虚拟仪器控 制系统的核心与关键，而硬件一般只是为了实现信号通信及数据的采集与控制信号的 输出，操作人员可以很方便的通过修改软件来实现控制系统功能的改变2 ，3 3 ，3 制。 虚拟仪器的本质是通过计算机的人机交换界面来模仿传统控制仪器的前面板，可 以通过各种各样的方式来显示采集的数据，然后经过基于计算机平台开发的软件完成 对采集到的信号计算、保存、显示等功能，通过计算后得到控制信号然后以一定的方 式输出到被控对象实现对被控对象的控制，一般的数据采集与控制信号的输出都是通 过i o 接口来实现，i 0 接口还能在一定程度上完成对信号的调理等处理b 引。因为虚 拟仪器的前面板是通过计算机虚拟得到的，其中的各种“控件”都是模仿原有的仪器 的功能，通过不同的开关，按钮等来模拟传统仪器的“开”，“关”以及各种参数的设 定与调整，通过不同的显示方式如波形图，波形图表，文本框等模拟传统仪器的输出。 但是这些都是虚拟的显示在电脑屏幕上的图标，需要通过计算机后台软件来实现功能 的模拟，而非传统仪器的都是实际的开关，在软件开发平台上，不同的控件都已设定 好功能，所以，在应用的时候非常方便，而且由于都是虚拟的，只需更换图标和软件 系统即可实现不同控制仪器的转换，在时间，人力和物力上，都是很大程度上的节约。 常用的开发平台有v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 、l a b v i e w 、h p v e e 等语言，本文采用的开发平台为图形化的编程语言l a b v i e w ，该编程语言界面美观， 有条理，比较容易入门，即使是新手，也能在较短的时间内设计完成所需要的虚拟仪 器前面板的设计b 6 ，37 | 。而且由于计算机与软件的兼容性，在软件开发时，可以实现不 同软件系统或模块的组合，以简单的系统模块为基础，实现复杂的多功能虚拟仪器测 试系统，这也使得虚拟仪器能够更好的服务于试验与工程需求，巩4 引。 1 2 3 模糊p i d 控制研究 在实际应用中，p i d 控制由于其使用简单，易于控制等优越性，被得到广泛应用， 到现代，依然是使用最广的控制方式h 1 4 2 】。p i d 控制原理，起源于上世纪早期，然后 不断发展，在上世纪中期开始虽然不断的有新的控制理论的研究与推广，但是一般结 构比较复杂，或者对系统模型要求比较高，而p i d 控制原理对这些要求很低，所以当 今社会中，p i d 控制原理依然是被应用最广泛的控制理论。在我国的各个领域中，p i d 控制原理的应用也越来越广泛h 3 4 4 | 。 p i d 控制算法，虽然它是一种传统的控制方法，但是该算法计算量不大、反应速 度快、容易掌握且实现难度低，在现代社会依然相当广泛的应用h 引。在应用p i d 控制 算法时，先要确定被控制对象的数学模型，通过设置p i d 控制参数k p 、k i 和k d ，就可 以对系统的p i d 控制h 6 ，4 引。虽然p i d 控制算法实现难度低，但是，不同的试验需要对应 不同的参数，可能同一个试验在不同阶段也需要不同的p i d 参数进行控制，而p i d 控 1 绪论硕士论文 制算法中，p i d 控制参数k p 、k i 和修改比较麻烦，也不能自我修改整定，难以满足 实际应用中系统非线性，环境时变性等不确定和不稳定影响，传统p i d 控制很难完全 达到试验需求的控制效果m “9 l 。 在上世纪八九十年代，模糊控制理论开始被应用到实际中，随着不断和研究，其 理论越来越完善，而且也被越来越多的领域所使用，在当今社会，日本与美国在这方 便的研究与应用上比较领先哺训。这种控制方法对控制对象的模型没有特定要求，其基 本原理是通过使用语言变量来实现对系统特征的表达，而不是类似p d 控制算法时通 过数值变量来进行表达，模糊控制方法能够根据从系统采集到的动态信息，再按照模 糊控制器的模糊控制规则推理计算得到相应的控制量来控制系统，基于这种原理，在 控制过程中，系统鲁棒性比较好，不过控制精度相对比较低1 1 。 在传统p i d 控制算法的基础上，如果通过改进算法，让p i d 控制参数k p 、k i 和 能够实现自整定自调整，那么就可以有效的克服实际应用中系统的非线性及环境时变 性等不稳定因素的影响，达到试验需求的控制中效果哺2 5 引。经研究发现，如果把模糊 控制方法和p d 控制算法融合起来开发新的控制系统，其原理是把模糊推理得到直接 的控制量改为非直接控制，即通过模糊控制推理来改变p i d 控制器的控制参数，从而 达到p d 控制参数自我修改整定的目的，在不降低p d 控制算法的控制精度的前提下， 能够提高系统的鲁棒性，从而达到试验目标，后文统称这种心的控制方法为模糊p i d 控制算法瞄4 ，5 引。 1 3 课题主要研究内容及论文组织结构 1 3 1 课题主要研究内容 本文的研究内容来源于苏州筑邦科技有限公司，为上海钢之杰公司与同济大学合 办的实验项目“墙体抗弯抗剪实验装置设计项目”提供的静力试验的伺服加载系统， 该试验主要模拟墙体抗震能力，研究轻钢墙体结构的抗弯抗剪强度，为满足试验要求， 需要加载系统能够实现低速往复加载，通过力或位移反馈进行控制，并要求加载系统 加载速度，超调量及稳定时间能够达到一定的标准。根据系统要求，本文主要研究内 容如下： 1 、液压加载系统控制软件总体设计：根据伺服加载系统需要的功能及要求，设 计整套系统的总体软件框架，并划分各模块的内容与功能； 2 、电路原理图设计：获取各电器元件的参数和性能，在此基础上进行整套系统 的电路图设计及接线图； 3 、软件系统各模块设计：在电路原理的基础上，对软件各模块进行设计，实现 各模块的功能并整合； 硕士论文用于结构静力试验的电液伺服加载系统的开发与研究 4 、软件控制模块设计：利用l a b v i e w 软件平台，及自带的p i d 模块，对软件 控制模块进行设计，并经过试验，选择p i d 的最优化参数； 5 、实现各种加载方式之间的无扰动切换：软件控制主要分为位移控制和力控制 两种控制方式，在实际试验中，往往会用到两种方式直接的切换，在切换时，难免会 引起一定的扰动，在软件设计过程中，要尽量减小这种扰动，提高系统的稳定性； 6 、p i d 模糊自适应设计：在硬件条件一定的情况下，控制器的好坏直接影响着 整个控制系统的性能，而控制器的好坏，又取决于控制器参数的设定与调整。常规 p i d 控制调整困难，人工调节费时费力而且很难达到试验需求，所以，本文通过研究 p i d 模糊白适应控制方法意义重大。 1 3 2 论文组织结构 本论文研究与开发的是基于l a b v i e w 的电液伺服加载系统。论文共有六章，每 个章节介绍的主要内容如下： 第一章绪论。概况介绍了本项目的背景与意义，并分析了国内外电液伺服系统 的现状与前景，为后面的电液伺服加载系统开发做基础，并确定控制系统采用p i d 控制算法。 第二章用于结构静力试验的电液伺服加载系统方案设计。介绍了系统要求及性 能指标，并设计了电液伺服加载系统的总体方案，包括系统总体硬件方案设计和总体 软件方案设计，核心算法使用p i d 控制算法，并对其进行了一定的介绍。 第三章系统硬件及电路设计。根据第二章的总体设计方案，完成系统的总体电 路设计，并根据电路设计，确定各硬件的选型，并介绍了各种液压硬件的功能和参数 和优劣性。 第四章基于l a b v i e w 平台的电液伺服加载系统控制软件设计。本章根据第二 章对系统软件总体方案的设计以及第三章介绍的系统硬件和电路为基础，完成系统控 制软件的开发，其核心控制算法通过对常规p i d 控制进行改进，设计了模糊p i d 控 制，完成了系统软件的设计。 第五章系统调试。本章主要描述了再硬件与软件还有总体调试过程中遇到的部 分问题以及针对这些问题采取的措施与处理办法，并以实际试验为例，介绍了本文所 设计的电液伺服加载系统的操作过程，试验过程以及试验结果。 第六章总结与展望。总结并概况了全文内容，说明了论文的主要研究内容。在 对现有系统总结的前提下，说明系统依然存在的问题和改进方向，分析并提出系统改 进的设想。 2 用于结构静力试验的电液伺服加载系统方案设计 硕士论文 2 用于结构静力试验的电液伺服加载系统方案设计 该系统主要用于结构教学试验，也可以在加载框架内进行建筑结构的弯曲、压缩、 拉伸等性能试验。试验对象包括柱、梁、墙、框架等。还可以将系统中的作动器在加 载框架内组合使用，以实现多单位协调加载功能，测试结构在复杂受力情况下的力学 性能。其总体结构简单如图2 1 所示： l 基于l a b v i e w 的控制软件 0 l工控机 o i 伺服油源机箱 uu i作动器传感器 2 1 系统要求及性能指标 图2 1 系统总体结构简图 基于上海同济大学与钢之杰合作的实验室要求，系统需要达到以下要求： l 、作动器的要求和性能指标： 1 ) 作动器测量范围：0 、5 0 0 k n ； 2 ) 试验力精度：l ； 3 ) 位移传感器分辨率0 0 1 m m ； 4 ) 活塞最大行程：5 0 0 m m 。 2 、油源要求和性能指标： 1 ) 静态油路流量：5 l m i n ； 2 ) 系统压力：2 1 m p a 。 3 、工作环境： 硕士论文 用于结构静力试验的电液伺服加载系统的开发与研究 1 ) 室内温度5 3 5 范围内； 2 ) 相对湿度8 0 9 6 ； 3 ) 周围无振动、无腐蚀性介质和无较强点磁干扰。 2 2 系统总体方案设计 本套结构静力试验的电液伺服加载系统包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模 块等，其总体结构图如图2 2 所示。其中硬件主要功能是信号的输入输出，包括信号 数据的采集以及控制信号的输出，整个系统的关键在于控制软件的设计。 l i 控j g u l a b v i e w 丁t 采集卡p c i 1 7 1 0工业c p u 板p c a - 6 0 1 0 下 上t 调理电路 驱动电路调理电路 t上t i航空插头 士1 lj r 力位移传感器伺服阀数字信号执行器 图2 2 电液伺j r ；：9 i ：i 载系统总体结构图 整个软件系统由两部分组成：工业用计算机及配套的数据采集板卡，其主要功能 为测试和控制核心；配有电液伺服阀的液压缸( 作动器) 及力位移传感器，其主要 功能为被控系统和反馈试验信息。系统工：作过程如下：计算机通过控制软件已设定的 设定值和安装在被控系统上的力位移传感器的实时反馈的信号进行对比和校正，通 过软件计算模块的计算，输出数字控制信号；经过a d 转换器把信号转换成模拟信 号；再经过功率放大器对信号进行放大，放大后得到控制电流信号，输入电液伺服阀 控制阀的流量，从而控制液压缸( 作动器) 的活塞杆的运动，完成液压缸对试件的预 期加载卸载运动。 2 2 1 系统总体硬件方案设计 依据系统的总体设计要求，在满足性能的前提下考虑经济成本，本系统最终选用 研华p c a 一6 1 1 3 p 4 r 作为底板，工业c p u 板p c a - 6 0 1 0 主板作为伺服控制系统的c p u 板，研华p c i 一1 7 1 0 作为数据采集卡的硬件电路设计。 0 2 用于结构静力试验的电液伺服加载系统方案设计硕士论文 系统采用美国m o o g 伺服阀d 6 3 3 ，w e 6 电磁换向阀，d b d 直动式溢流阀，s 型 单向阀，h s r 0 6 型油路块，皖南y 2 电动机y 2 1 0 0 l 一2 。力传感器采用北极科泰吉电 子有限公司的b k - 4 轮辐式测力称重传感器，开关电源使用台湾明纬开关电源 n e s 一1 5 0 2 4 和s 一1 5 2 4 ，位移传感器采用r h m 0 5 3 0 位移传感器。 2 2 2 系统总体软件方案设计 用于结构静力试验的电液伺服加载系统对于人机界面的要求为：界面美观、功能 完善、操作简便、维护方便等。基于以上几点要求，本系统选择常用p c 电脑，基于 虚拟仪器软件l a b v i e w 来编写次人机界面。l a b v l e w 是被广泛的应用于工业和学术 界来开发数据采集系统、仪器控制软件和分析软件的高级图形化软件，该软件编程语 言为图形化语言，比较容易上手，而且界面美观，模块功能充足，完全能够满足系统 功能的需求。人机界面主要完成实验参数的定义，设备标定，试验保护参数的设定， 控制参数的设置和调节，实验过程的编写和控制，实验状态的显示和试验数据的采集， 处理，调用等系统性能指标。人机界面软件功能框图如图2 3 所示。 通信模块包括信息的接收和控制参数的发送两部分。信息的接受功能是指人机界 面管理计算机通过串口接收有核心控制板控制信号、状态信号和反馈信号，供人机界 面显示和保存。控制参数的发送是只人机界面管理计算机通过串口以一定的协议，通 过帧的形势发送控制信号，包括油泵的控制信号，伺服阀的控制信号以及溢流阀的控 制信号。 系统设置模块包括设备标定，阀平衡值的设定，控制参数的设定，试验保护参数 的设定，试验过程的设定，数据的处理与保存。 主模块 通信模块系统设置模块显示模块 信 蕲 设 薰 堑 试试数试 试 验验 蕴 验验 爹 保过状数 理 态 蓠 自 参 定数 篓的与的 j u j 的 茬 数 的的 签 设 设数 设 保显显 建 定定 粱 定 存, - - f i - , - f 图2 3 系统人机界面结构框图 硕士论文 用于结构静力试验的电液伺服加载系统的开发与研究 设备标定部分主要是根据力传感器，位移传感器等不同传感器由于性能参数的不 同而进行零点、增益、量程的标定，从而为不同的控制方式提供参数标准。 控制参数设定主要为控制方式的选择，控制方式包括：速度控制、位移控制和力 控制。速度控制主要用于试验前使作动器移动到一定位置以方便试验的安装准备，位 移控制和力控制主要用于试验过程，两种控制方式的自由切换，可以更好的打到试验 目标。需要注意的是，力控制需要在系统已经负载即已存在初始压力的状态下才可使 用。 试验保护参数的设定主要包括在系统可达到目标内试验和保护系统和试验人员 在系统安全范围内试验，保证人身财产的安全的目标。该参数主要包括系统位移，力 的上下限设定，超出设定则系统自动给出响应的处理方式，包括警报，暂停，直停等。 数据的处理与保存是将试验的参数以及数据保存在指定文件中。 显示模块包括试验状态的显示以及试验数据的显示。 试验状态的显示为试验当前状态的显示，分为待机，正常，高低压状态，警报， 暂停，急停等状态。 试验数据的显示为试验当前数据的显示( 力位移速度) ，以及试验历史曲线图， 包括力一位移曲线，力一时间曲线，位移一时间曲线。 2 2 3p i d 控制原理 本系统控制软件的关键核心在控制力法上，由于系统的复杂性和不稳定行，无法 得到准确的控制参数，所以在设计时，使用了常用的控制方法即p i d 控制算法，该算 法的原理就是通过对系统误差的分析，利用比例，积分，微分等计算手段计算得到控 制量输出来控制被控对象，实现对被控对象的控制目的。该算法简单易掌握，而且具 有较好的稳定性和可靠性，这也是作为传统控制算法依然活跃在现代社会各个场合的 原因之一。在实际试验或者应用时，很难得到系统准确的数学模型和系统复杂多变的 结构和参数，需要实时对控制器进行调节，这正好符合p i d 控制的原理。在实际应用 中，p i d 可以根据实际情况而考虑使用p i d 调节活单独使用p i 、p d 调节。本文的系 统主要采用p i 控制引。 图2 4p i d 控制器基本结构图 2 用于结构静力试验的电液伺服加载系统方案设计硕士论文 p i d 控制是一种线性控制器，它根据已经给定的值r i n ( t ) 与实际输出的值y o u t ( t ) 计算得到控制偏差： e r r o r ( t ) = r i n ( t ) - y o u t ( t )( 2 1 ) 然后对该值的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 进行线性组合，计算得出控制量， 再通过此控制量控制被控对象，其基本控制规律如式( 2 2 ) ： u ( t ) = l ( p e 删) + 州i t ot ) d t + 玉雩掣】 ( 2 2 ) 式中k d ，t l ，t d 分别为控制器的比例系数，积分时间常数，微分时间常数，这三 个参数的设定合理与否，直接影响着控制器的控制性能，所以，这三个参数的设定调 节是控制器设计的重中之重。 下面对p i d 控制器三个控制环节分别进行介绍： 1 、比例环节( p ) ：该环节直接控制偏差，在偏差产生后，控制器则发挥作用，通过 输出的控制量，使被控对象的偏差不断减小，比例系数k d 决定着控制速度，该值越 大，则控制的越快，但是在这种情况下，也越容易产生或扩大振荡，特别在被控系统 的迟滞环节比较大的时候；反之，l ( d 越小，则偏差减小的越慢，但是也越不容易引起 振荡，而且调节速度也越慢。单纯的比例控制由于静差不可消除，无法很好的起到控 制效果，所以就需要积分控制。 2 、积分环节( i ) ：该环节可以消除系统的稳态误差。t l 为积分时间常数，该参 数决定着积分环节作用的强弱。t l 越大，则积分作用越弱，系统的静态误差消除的越 慢；反之，t l 越小，则积分作用越强，系统的静态误差消除越快，但积分作用过大， 在系统响应过程的初期可能会引起积分饱和的情况，从而使得响应过程的超调较大。 但是，若积分作用过小，系统静态误差难以消除，则无法起到消除静态误差的目的， 从而影响系统的调节精度。 3 、微分环节( d ) ：该环节的作用主要是通过对系统误差进行微分，能提前得到误 差的变化趋势，可以更好的控制系统。t d 为