（机械工程专业论文）鲁棒重复控制及其在机油冷却器脉冲试验台中的应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 机油冷却器是汽车内燃机中润滑系统的重要部件之一，是一种加速润滑机油 的散热而使其保持较低温度的装置，其质量的好坏对发动机的运行效果有着重要 的影响。 通常机油冷却器处在恶劣的工作环境下，因此对其进行疲劳试验对于保证其 正常工作有着非常重要的意义。目前广泛使用的一种对机油冷却器进行疲劳试验 的方法是通过采用电液比例技术来对其进行疲劳脉冲实验，该方法主要通过调整 比例溢流阀的阀口开度来控制试件容腔内液体的压力来模拟各种周期压力信号 ( 如正弦波，三角波，梯形波) ，从而对试件进行多次压力冲击来检验其疲劳性能。 为了更好的提高控制系统的压力跟踪精度和适应性，本文设计了一种基于鲁棒重 复控制的机油冷却器脉冲疲劳试验台控制系统。 本论文的主要工作内容如下： ( 1 ) 分析了机油冷却器的主要功能，疲劳试验台的工作原理以及对机油冷却 器进行疲劳试验的必要性。介绍了电液比例技术的发展状况以及电液比例技术中 采用的控制策略。 ( 2 ) 介绍了重复控制，鲁棒重复控制的基本原理以及鲁棒重复控制器的设计 方法和步骤，明确了鲁棒重复控制器设计中的关键问题和设计策略。 ( 3 ) 确定了系统的设计方案以及技术路线，按照d c s 的思想设计了机油冷却 器脉冲疲劳试验台的硬件环境并说明了系统的工作原理。分析了系统硬件执行元 件的放置方式。搭建了系统的软件环境，说明了软件的工作流程。 ( 4 ) 根据液压的相关知识建立了比例溢流阀的数学模型，并根据所提出的数 学模型设计了鲁棒重复控制器。 ( 5 ) 在m a t l a b s i i n l l l i l l k 中建立了鲁棒重复控制器、重复控制器以及p i d 控制 器的仿真模型。将p i d 控制器与重复控制器，重复控制器与鲁棒重复控制器进 行比较，验证了所设计的鲁棒重复控制器对于压力跟踪的精确性；修改了系统的 参数，验证了鲁棒重复控制器对于系统参数变化的鲁棒性；改变了输入信号的周 期，并对比了鲁棒重复控制器和重复控制器对于改变了周期的输入信号的跟踪情 况，说明了鲁棒重复控制器对于周期信号变化的适应性。 ( 6 ) 根据重复控制器和鲁棒重复控制器的对比结果，总结了重复控制和鲁棒 浙江大学硕士学位论文 摘要 重复控制对于跟踪周期信号的共同点和不同点，进一步说明了所设计的鲁棒重复 控制器的优越性。 ( 7 ) 将所设计的鲁棒重复控制器进行离散化，并在计算机上编程实现了该控 制算法，验证了鲁棒重复控制的控制效果。 关键字：机油冷却器，疲劳试验台，电液比例控制，鲁棒重复控制，压力跟踪 h 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o i l c o o l e ri so n eo ft h em o s ti i i l p o r t a n tc o m p o n e m si na u t o m o b i l ei i l t e m a l c o m b u s t i o ne 姆n e sl u b r i c a t i o ns y s t e m ni sad e v i c ew 址c hi su s e dt 0a c c e l e m t et l l e 均d i 撕o no ft h el u b r i c a n tt 0k e 印i ta ll o wt e m p 跚a t l j r e t h eo p 啪t i o i l a le 丘i e c to fi c e n g i n ei sl a 玛e l yd 印e n d e d n l eq u a l 姆o f o i lc 0 0 1 既 m o r eo r 饥t h 觚n 叽o i lc o o l e ri sw o r k i n gu n d c rs e v e r ec o n d i t i o m t h e r e f 0 r ei ti s e s s e n t i a lt 0i i l l p l e m t m ef 撕g u et e s t sb e f o r eo i lc o o l e ri su s e do nn l er e a ls y s t e m t 0e 嬲u r et 1 1 a ti tc 缸w o r kp r o p e r l y c u r r e n t l y ，o mo f t l l em o s t 谢d e l y - u s e d 眺d si s t 0i l e l e c t r 0 - h y d r a u l i ct e d m o l o g yt 0p 眦s u c he ) 【p e r i n l e n ：t si i i t op m c 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t k n o w l e d g eo fh y d 阳：u l i ca n dd e s i 弘r o b u s tr e p e t i t i v ec o n 仃o l l e ro ft e s t b e db 硒e do n t 1 1 ep r o p o s e dm o d e l 5 b u i l du ps i n l u l 撕o nm o d e l so fp i dc o n 仃0 1 1 r e p e t i t i v ec o n 们l l e r 锄dr o b u s t r e p e t i t i v ec o n 仃o l l e ri nm a ：t l a b s i l n l d i n k 髓v i r e n t p r 0 ，et h ea c c m 劲c yo fp r e s 鲫i r e t r a c k i r 培o f 也ed e s i g n e dr o b u s tr e p e t i t i v ec o n t r o l l e rb yc o m p a r i n g 缸a c k i n ge f r e c t so f p mc 0 i l t r o l l e r ，r e p e t i t i v cc o n 们l l e ra n dr o b u s t r _ 印e t i t i v e c o 曲o l l e l t e s t 毋m e r o h 随吐s so fm ed e s i 伊1 e dr o b l l s tr e p 础v ec o n t r o l l e rt 0p a 姗e t e rv a r i a t i o n sb y m o d i 匆啦也e 阿狮酏e ro fm ep r e s s u r er e l i e f 砌v e c o 幽衄m ea d a p t i o no f 恤 d e s i 弘e dr o b u s t 唧e t i ：t i v ec o n 加l l c rt op e r i o d i c a ls i 印a lv 撕a t i o n sb ya l t e l 缸gt l l e p e r i o do fi i l p 眦s i g l 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而破坏正常间隙，导致运动件的运动受阻甚至卡死；各机件因高温而使机械强度 降低甚至损坏；润滑油因高温失效而失去润滑作用等。但是，发动机也不能在过 低的温度下工作。若发动机工作温度过低，会造成着火燃烧条件交差，启动困难； 发动机工作粗暴；散热损失及摩擦损失增加；零件磨损加剧；c o 及h c 排放增 加，排放恶化等；导致发动机功率下降及燃油消耗率增加f 2 1 可见，保持发动机 的正常工作温度是保证发动机良好工作、提高工作可靠性及延长使用寿命的一个 重要条件。机油冷却器是润滑系统重要的部件之一，其主要作用是散发掉机油从 发动机腔体中带出来的热量，用来冷却机油，使机油具有最佳的工作温度，保证 机油的润滑品质【3 1 。一般而言，性能良好的机油冷却器应该满足传热性优异、功 耗低和抗震动，耐疲劳三方面的特点【4 】嘲。 发动机的机油冷却器可以分为两类：风冷式和水冷式【6 】。 ( 1 ) 风冷式机油冷却器的工作原理与小型散热器相类似，都是通过利用汽车 在行驶时所受到的迎面风来对发动机中的润滑油进行冷却。风冷式机油冷却器的 散热能力良好，因此它被广泛的应用于增压汽车以及赛车上，因为这些类型的汽 车热负荷比较大。但是这种机油冷却器一般很少使用在普通的轿车上，因为普通 的轿车在汽车启动后无法提供足够的暖机时间来使润滑油在正常的温度下工作。 ( 2 ) 水冷式机油冷却器的体积小，布置方便，润滑油的冷却效果好，润滑油 温度稳定，因此较为广泛的应用在各种轿车中。经过滤清器过滤之后的润滑油被 导入到冷却器中的芯内流动，而由散热器的出水管中流出的冷却液在冷却器的芯 外流动。高温润滑油的冷却降温就是通过这两种有着温差的流体不断地在冷却器 中进行热交换来实现的。 如果机油冷却器发生故障，可能导致机油温度升高，冷却不良，氧化变质， 润滑条件恶化，容易引起零部件的早期磨损目前，机油冷却器的失效方式主要 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 有：机油冷却器散热不良、机油冷却器漏油、旁通阀损坏等m 。可以看出，机油 冷却器中很重要的一个故障就是漏油，而机油的油压在冷却器中流动时是随着时 间的变化而变化的，很多时候机油冷却器漏油是属于一种疲劳破坏现象而并不是 由于油压超过了材料的极限而产生的。这就是说，试件在在低于材料的强度极限 或弹性极限时也会由于承受交变载荷的重复作用而产生破坏嘲。因此，在机油冷 却器产品开发与生产过程中，对其进行液压疲劳性能测试是十分必要的。 1 1 2 机油冷却器脉冲疲劳试验台 1 1 2 1 疲劳试验的意义 疲劳破坏是指在远低于材料强度极限的交变应力作用下，材料发生破坏的现 象。疲劳裂纹经常发生在应力比较集中的局部地区。在对材料或者构件施加重复 应力的作用下，疲劳裂纹往往出现在比较薄弱的地区，因为这些地区存在着缺陷， 比如表面缺陷、内部缺陷等。高度的应力集中很容易在这些薄弱的区域形成，当 在这些地方形成的裂纹在重复应力的影响下逐步扩散并逐渐深入到材料的内部 中，而剩余的断面又不能够承受所施加载荷时，就会发生脆性断裂f 9 】。 疲劳强度会受到很多因素的影响，在设计疲劳试验和确定疲劳方法时无法将 所有影响疲劳强度的因素都考虑在内。况且就目前而言，我们还无法提出一套完 整的疲劳分析方法，也没有彻底弄清楚有关疲劳机理的理论。因此，对试件进行 疲劳试验是很有必要的。 进行疲劳试验的目的有： ( 1 ) 对零构件的实际工况进行模拟( 如应力大小的模拟、应力种类的模拟以 及工作环境的模拟等) ，绘制材料的疲劳曲线，估计零构件的疲劳特性，为工艺 的制定、材料的选择和疲劳试验的制定提供依据。 ( 2 ) 研究材料的疲劳应力在不同的因素作用下的变化规律，想办法提高材料 的疲劳应力，尽量延缓或者阻止疲劳破坏现象的发生。 ( 3 ) 通过大量的实验数据去研究裂纹的形成以及扩展规律，从宏观和微观对 断口的裂纹进行分析，研究疲劳发生的过程和原理，以便建立尽可能完善的疲劳 理论 ( 4 ) 依据疲劳试验的结果去探索零构件中的哪些部位比较薄弱，进而确定检 修的周期和内容。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 根据试验的结果确定结构中危险部件，并对这些危险部件进行改造，使 得这些部件的使用寿命更长。 ( 6 ) 对零构件进行不同的对比实验，进而为用户以后的试验设计提供数据参 考。 ( 7 ) 通过多组实验来确定哪些因素对疲劳强度的影响较大。 ( 8 ) 依据疲劳试验来研究结构或元件的疲劳寿命。 1 1 2 2 疲劳试验系统的现状 疲劳试验中自动化技术的新进展，无疑是这个领域中的最吸引人的发展【。 目前，几乎所有的疲劳试验系统都是在计算机控制的基础上进行试验的。计算机 控制系统由于有着运算速度快、精度高、性价比高等优点，在疲劳试验台中得到 了广泛的应用，也给疲劳试验带来了革命性的变化 脉冲疲劳试验是一种进行压力测试的试验，通过将所需要产生的压力施加在 试件上来检测试件能否满足强度要求。脉冲疲劳试验台主要有计算机、控制单元、 电气连线、输入输出( i o ) 设备、压力源以及相应的软件程序组成。其中控制单元 是整个试验系统的核心，负责信号和数据的采集、分析、处理和发送【1 1 】。控制器 的设计也是设计疲劳试验台的难点，一直以来，很多学者都对如何设计疲劳脉冲 试验台中的控制器进行了研究。尽管采用的控制策略不同，大部分的研究都是采 用p l c 、嵌入式控制器和单片机等控制单元来对试验台进行压力控制。在文献【1 2 】 中，聂绍龙、王宣银和陶国良开发了一种多功能压力试验机控制器，他们所设计 的控制器由单片徼处理器、信号放大器、键盘、打印机驱动电路、l c d 及其驱动 电路、时钟及数据存储器组成；文献【1 3 】中，江灏，王庆丰搭建了一种液压综合 试验平台测控系统，该系统以p l c 为控制核心，通过触摸屏来实现人机之间的交 流，通过p l c 与上位工控机的通讯，实现了数据的高速采集、分析和处理；文献 【1 4 】中，刘玉虎等设计了一种液压加载方式的高压气瓶疲劳试验系统，该系统通 过i p c 与p l c 之间的通讯实现了疲劳测试的自动控制以及现场数据的采集与实时 显示；文献【1 5 】中，周辉等设计了一种基于p l c 二级混合控制的液压脉冲试验机 控制系统，所设计的控制系统具有很好的实时性，抗干扰性能强，更加稳定可靠。 为了设计压力跟踪精度更高的控制器，王元设计了一种基于模糊p 控制的机油 冷却器疲劳性能脉冲试验系统【1 6 1 ，李杰将重复控制应用在散热器脉冲疲劳试验 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 台的压力控制中【1 1 】。本论文的内容是基于以上研究成果的进一步研究。 集散型控制系统又称分布式控制系统( d i 妯b m e dc o n 仰ls y s t e m s ，简写为 d c s ) ，它是以微处理器为基础的、应用于过程控制的、工程化的分布式计算机 控制系统【1 7 1 。d c s 自1 9 7 5 年问世以来，经历了几十年的发展，已经由过去只在少 数大型企业的控制系统中的应用，发展到了电力、石油、化工、冶金、建材、制 药等行业的最普通的控制工具【1 8 1 。 生产过程控制的方式最好是分散进行，而监视，操作和最佳化管理应以集中 为好。因此，“管理要集中，控制要分散”的实际需求极大地推动了集散控制系 统的迅速发展。本文所研究的机油冷却器脉冲疲劳试验台是基于集散型控制系统 的理念来设计的。 1 2 电液比例控制技术 广义上来讲，只要是能够接受模拟信号或者数字信号，使得系统中的输出压 力或者流量能够成比例地并且连续地受到控制的液压系统，都可以被称作是电液 比例控制系统。例如脉宽调节( p w m ) 控制系统、数字控制系统以及一般意义上 的电液比例控制系统【1 9 1 。依靠着其本身特有的优点，电液控制技术已经成为了 流体传动与控制学科中的重要分支，同时也是现代控制工程中的重要组成部分。 1 2 1 电液比例技术的发展概况刚 帕斯卡定律在1 7 世纪的提出，为液压传动理论的发展打下了基础。尽管流体 传动的发展经历了很长时间，但直到第二次世界大战时期，电液控制技术才真正 的步入了发展时期。当时由于军事的需求，很多国家都花大量的精力去研究飞行 器和武器自动控制系统，并取得了非常大的进展。在战争进入后期阶段的时候， 喷气技术取得了突飞猛进的进展。由于喷气式飞行器的飞行速度很高，因此对飞 行器控制系统中的各种特性( 如快速性、精确性等) 都提出了更高的要求。现代电 液控制技术能够取得如此大的发展，很大程度上要归功于工程的需求。1 9 4 0 年， 由伺服电机拖动滑阀的电液伺服系统首次应用在了飞机上，但是由于伺服电机的 惯量过大，系统的动态特性受到了一定程度的限制进入5 0 年代后，人们研制出 了永磁式力矩马达，该马达有着很高速的响应特性5 0 年代后期，又出现了先导 级为喷嘴挡板阀的电液伺服阎，极大的提高了电液伺服系统的响应特性和控制精 度。1 9 5 8 年，美国麻省理工学院的教授们公布了他们的研究工作，这些研究工作 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 成为了现代电液伺服系统理论和实践的基础。6 0 年代，电液伺服阀的结构开始多 样化，电液伺服技术的发展日趋成熟，电液伺服阀的性能也被进一步提高。其中 典型的代表就是级间力反馈以及干式力矩马达的电液伺服阀的出现。此外，电液 反馈技术也被更多的应用在不同的系统中。电液伺服系统在航空航天、军用武器 以及一些民用自动化设备中起着越来越重要的作用。6 0 年代末期，随着人们经验 的增长和生产设备性能的提高，人们对生产中的各种工艺过程有了更为深入的了 解，因此也提出了关于工艺的更加精确的数学模型，同时也对工艺过程的控制提 出了更高的要求。而随着微电子技术和计算机控制技术等电子技术的飞速发展， 工程系统中已经开始应用低价而且实用的各种电子设备。这种变化带来的直接后 果就是进一步刺激了各类民用工程对电液控制技术的需求。但传统的电液伺服阀 也有着它的缺陷，比如对流体介质的污染程度敏感，制造以及维护的成本和费用 高，系统的功耗大等，因而难以被工业用户们所接受。因此，人们对性价比更高、 可靠性更好、控制更精确以及动态性能更加稳定的工业控制系统的需求进一步的 推动着电液控制技术的发展。 工业伺服的主要特点是：采用高性能的伺服阀，改进伺服阎的结构( 使其尽 量简单) ，增大电力与机械之间的转换功率，提高伺服阀的抗污染特性，并尽可 能的降低制造成本。比例阀的主要特点是：以传统的液压工业压控制阀为基础， 采用简单、价位低廉的电一一机械转换器，并设计与之相对应阎内结构，以尽量 低的成本来获得压力损失少，油质要求低，而性能又能满足绝大部分工业生产要 求的比例元件。 比例技术的发展可以分为三个阶段： 比例技术的诞生要追溯到6 0 年代末到7 0 年代初，其标志为k l 比例复合阀的 生产( 瑞士的布林格尔公司) 和压力比例阎以及比例溢流阀专利的申请( 日本油研 公司) 。这个阶段的比例阀只是将开关电磁铁或调节手柄用比例型的电一一机械 转换器来取代，设计原则和方法与过去没有任何区别，阀内的结构也几乎没有变 化。由于此时的比例阀大多数都不包含有受控参数的反馈环节，而且工作频率与 稳态滞环等特性都不理想，因此多用于开环控制 比例技术发展的第二阶段是在1 9 7 5 年到1 9 8 0 年之闻。这段时间内，内反馈原 理开始被应用在比例元件中，人们生产各种耐高压比例放大器以及耐高压比例电 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 磁铁的技术也逐渐成熟，比例元件的各种特性，如工作频宽( 5 1 5 h z ) 、稳态滞 环( 3 ) 等都得到了提高。比例元件的应用领域不仅局限在开环控制中，也被大 量的应用于闭环控制系统。 比例技术在8 0 年代进入了一个新的发展阶段。这个时期，人们对比例元件的 设计方法有了更深层次的认识，开始采用多种方法来提高比例阀的特性( 如压力 内反馈、流量内反馈和位移内反馈等) ，进一步的提高了阀的稳定性和动态响应。 比例阀的稳态和动态特性已经开始和工业伺服阀没有差别，除了它在中位仍然保 留死区。此外，电液比例插装技术( 即比例技术和插装技术的结合) 得到发展，多 种功能和规格不尽相同的二通和三通型比例插装阀被开发出来，显示了比例技术 在8 0 年代的另一项重大进展。同时，受到电子技术微型化的影响，电液一体化的 比例元件也开始出现，电液比例技术逐渐向集成化的方向发展。另外，在8 0 年代 还出现了各种比例执行元件和比例控制泵等电液比例容积元件，成为了这个阶段 电液比例技术发展的又一个进展。 除了模拟式电液比例元件之外的另一种电液比例元件是数字式电液比例元 件。这类元件从6 0 年代起就引起了人们注意。该元件的优点是工作可靠性高、抗 污染性能好，批量生产的产品性能一致性好；缺点是控制信号的频宽与模拟器件 相比偏低。数字式电液元件的电一一机械转换器的驱动方式有两种：由按脉冲方 式工作的动铁或者动圈式力马达驱动和由步进马达驱动。从本质上来说，数字式 电液比例系统是一种控制精度由每一次脉冲的当量步长或者调制精度来决定载 频调制系统。 1 2 2 电液比例系统的控制策略 电液比例位置控制系统的控制特性和参数往往会由于受系统油温和负载压 力( 或负载力) 等工况的影响发生改变，在工况变化较大时，系统预期的良好特 性很难保持【1 9 1 。另外，非线性、外部干扰及参数变化等因素也影响着电液控制 系统的功能。为解决电液比例控制中遇到的问题，几十年来，学者们提出了各种 控制方法来改善控制性能。近代电液控制策略主要采用的方法有p m 控制【2 1 】【2 2 1 、 模糊控制瞄2 7 】、自适应控制脚3 1 和鲁棒控制3 伯司等控制策略。由于单纯的某一种 控制方式往往无法满足系统想要达到的控制精度，各种控制算法的结合，比如鲁 棒自适应控制粥6 】，基于遗传算法的模糊控制口6 】，自适应滑模控制【3 7 】、神经模 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 糊控制算法1 等也相继被提出来解决电液系统的问题。这里主要说明p i d 控制， 自适应控制以及鲁棒控制等控制策略。 1 2 2 1p m 控制 尽管在控制理论的领域中出现很多新颖的算法，p d 控制仍然是生产过程中 普遍采用的控制方法【3 8 】。不仅仅是因为p d 控制器简单的结构，而且还因为p i d 控制已经广泛的应用在了各种行业中。对于一般的电液伺服系统来说，p i d 算法 可以达到所要求的控制精度。然而当设备的负载很大时，系统的非线性以及其他 不确定性因素就会增强，在最极端的情况下甚至可能导致电液系统的性能变差。 在这种情况下，传统的p d 控制无法解决实际系统遇到的这些问题，因此我们需 要采用其他策略来进一步完善p d 控制策略。近些年来，各种新型的p d 控制算 法，如自适应p d 控制、模糊p i d 控制、神经网络p d 控制、预测p i d 控制和p i d 控制器的自整定技术等都被学者们提出以解决实际工程遇到的问题。文献 2 2 】 中提出了一种优化整定p i d 控制的一种方法，这种方法能够提供优化的p i d 参数， 使得即使是在系统的动力特性是时变的情况下也能够满足系统所需要的某些特 性。文献 3 9 】提出了一种模糊逻辑p d 控制器的设计方法，解决了传统的p d 控 制无法解决的系统的非线性问题。 1 2 2 2 自适应控制【柏】 自适应控制的思想的提出是为了解决控制对象的参数在大范围内变化时系 统仍能自动地保持在接近某种意义下的最优运动状态的问题。其研究的对象是具 有一定程度不确定性的系统，这里所谓的。不确定性竹是指被控系统的数学模型 和系统所处的环境事先不完全知道，或者是被控对象的结构和参数随着工作情况 的环境的变化而改变，且受到外界环境的干扰。 自适应控制的基本结构如图1 2 2 2 所示，其中的可调系统可以理解为这样一 个系统，即它能够调整它的参数或者输入信号的方法来调整系统特性。 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 给 已知扰动 图1 2 2 - 2 自适应控制系统的基本结构 从实用角度讲，自适应控制系统一般可分为3 大类，即模型自适应控制系统、 自校正控制系统和其他形式的自适应控制系统。 1 模型参考自适应控制系统 模型参考自适应控制系统( m o d e lr e 触n c e a d a p t i v ec o n 仃o l ，m r a c ) 的基本 结构如图1 2 2 2 1 所示。 图1 2 2 2 1 模型参考自适应控制系统的基本结构 系统包含了一个理想模型( 参考模型) ，该模型的输出虼代表了该系统期望 的动态响应，即表征了系统的性能要求。当系统的理想模型与实际输出存在差异 时，自适应机构( 适应算法) 就会做出决策，并由系统的执行机构来改变可调系统 控制器参数来消除误差，使实际系统( 即可调系统) 的动态响应与参考模型保持一 致 模型参考自适应控制系统由两个环路组成，内环由控制器与控制对象组成可 调系统，外环由参考模型与自适应机构组成。当控制对象受干扰的影响使运行特 8 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 性偏离了参考模型输出的最优轨迹，则优化的参考模型的输出与控制对象的输出 相比较就产生了广义误差占，它通过自适应机构根据一定的适应规律产生反馈作 用，用来修改控制器的参数或产生一个辅助输入信号，促使可调系统与参考模型 的输出一致，从而使广义误差s 趋向极小值或减小到0 。 2 自校正控制系统 自校正控制系统( s e l t 1 m i n gc o n 们l ，s t c ) 系统的一般结构如图1 2 2 2 2 所 示。 图1 2 2 2 2 自校正控制系统的一般结构 自校正控制系统有两个回路，一个回路包括控制对象和控制器，称为内环， 它类似与通常的反馈控制回路；另一个回路由递推参数估计器和控制器参数计算 器组成，称为外环。因此，自校正控制系统将在线参数辨识与控制器的设计有机 地结合在了一起。在运行过程中，首先根据控制对象的输入输出信息，利用递推 参数估计器，对控制对象进行在线辨识，然后由辨识结果得来的过程模型参数和 事先指定的性能指标，在线地综合控制作用，使控制效果最终达到某个预定的目 标。通常要考虑随机扰动和量测噪声对系统带来的影响，即当控制对象大幅度变 化时，仍然能使其动态品质达到预定的品质要求。 3 其他形式的自适应控制系统 除了上面所述的自校正控制系统和模型参考自适应控制系统以外，自适应控 制系统还有很多其它的形式，比如多变量过程自适应系统、非线性自适应控制系 统、全系数自适应控制系统以及基于先进理论的自适应控制系统。近几年来，学 者们提出了很多先进的理论并将这些理论应用在了自适应控制系统中，被采用的 先进理论包括：模糊集合论、神经网络，智能控制、玩控制、结构控制、鲁棒 控制等由此也产生了上述先进理论与白适应控制相结合的白适应控制系统。 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 3 鲁棒控制【4 1 】 在系统中总是存在着各种不确定性，比如对象模型的不确定性和外界干扰的 不确定性，这些不确定性往往会影响到系统的整体性能。鲁棒控制理论正是为了 解决系统的不确定性而提出的一种控制理论，它所研究的主要问题就是如何描述 系统的不确定性、如何对系统进行鲁棒性的设计和分析以及如何将鲁棒控制理论 应用到实际工程当中。鲁棒控制理论不仅适用于单输入单输出的领域，也可以应 用在多输入多输出的系统中。 反馈控制系统鲁棒性设计和分析方法主要有也控制方法、结构奇异值方 法、在l q g 控制基础上使用u r ( l 0 0 p 向i 汝o v e r y ) 技术的l q g 几r r 方法、 基于参数分解的方法、二次镇定方法和基于平衡实现原理、卡里托诺夫定理等。 这些设计和分析的方法正在不断的完善，使得鲁棒控制的整个知识体系有了越来 越清晰的框架。虽然鲁棒控制的设计和分析方法有很多种，但是鲁棒控制理论发 展最突出的标志是也控制方法、结构奇异值方法。 玩控制有着下述的几个特点： ( 1 ) 结合了经典控制理论中的频域概念和现代控制理论中状态空间分析方 法，形成了一套在频域内进行回路成形( l 0 0 ps l l a p 堍) 的技术及手段，克服了传 统控制理论和现代控制理论的缺陷； ( 2 ) 利用以控制的求解方式可以更好的模拟实际情况，从而使得所设计的 控制系统满足实际需求； ( 3 ) 玩控制器的设计可以通过求解碓c c a t i 方程或者线性矩阵不等式来实现， 由于玩控制考虑了不确定性给系统带来的影响，因此所设计的控制器不仅稳定 性良好，一些性能指标也得到了显著的提高； ( 4 ) 与最优调节的参数设计方法相比，也控制的参数设计方法更加直接， 它是频域内的最优控制理论。 实际问题中，我们所建立的系统的数学模型与实际系统通常存在着误差。不 确定性的描述就是指对这种误差的描述。鲁棒控制系统设计的目的就是要把这些 结构化的不确定性考虑在内，从而提高系统的实用性和可靠性1 9 8 2 年，多伊尔 提出了结构奇异值方法的基本思想利用这种方法，可以很好地降低系统设计 l o 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 时的保守性，综合考虑系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。方法的基本思想是把控 制系统中的各个环节( 包括输入输出、传递函数和不确定性等) 进行回路成形， 将问题转化为求解结构奇异值的问题再进行设计。 当对系统进行非结构的不确定性设计时，也控制是一种很实用的控制方法； 而当处理结构不确定问题时，结构奇异值方法则可以克服设计上的保守性，设 计出综合性能更加良好的控制系统。 虽然风控制方法和结构奇异值方法在设计鲁棒控制系统时的适用范围不 同，但两者并不是完全对立的。结构奇异值所具有的普遍性质以及方法与风 控制之间的联系，使得控制系统的设计可以使用基于也控制的综合法。 1 3 论文背景及研究内容 1 3 1 论文背景 浙江银轮机械股份有限公司是一家专业设计、制造、销售热交换器产品的民 营股份制企业，于2 0 0 4 年与本研究所合作搭建了散热器脉冲疲劳试验台，建立了 散热器测试中心，以用来对机油冷却器进行脉冲疲劳试验。随着市场的需求和科 技的进步，公司对脉冲疲劳试验台的控制精度要求越来越高，本论文的研究工作 是在这个合作项目的进一步延伸和发展，是根据公司的要求对试验台进行的进一 步的研究。目前存在着很多不同的脉冲疲劳试验台，它们的控制方式和工作原理 也各不相同，本文的研究成果可以为新型试验台监控系统控制器设计提供一定的 参考 1 3 2 研究内容 本论文的主要工作内容如下： ( 1 ) 分析了机油冷却器的主要功能，疲劳试验台的工作原理以及对机油冷却 器进行疲劳试验的必要性。介绍了电液比例技术的发展状况以及电液比例技术中 采用的控制策略 ( 2 ) 介绍了重复控制、鲁棒重复控制的基本原理以及鲁棒重复控制器的设计 方法和步骤，明确了鲁棒重复控制器设计中的关键问题和设计策略 ( 3 ) 确定了系统的设计方案以及技术路线，按照d c s 的思想设计了机油冷却 器脉冲疲劳试验台的硬件环境并说明了系统的工作原理。分析了系统硬件执行元 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 件的放置方式。搭建了系统的软件环境，说明了软件的工作流程 ( 4 ) 提出比例溢流阀的数学模型，根据数学模型确定了鲁棒重复控制器的补 偿器，进而设计了系统的鲁棒重复控制器。 ( 5 ) 在m a t l a b s i i 砌i n k 中建立了鲁棒重复控制器、重复控制器以及p i d 控制 器的仿真模型。将p i d 控制器与重复控制器，重复控制器与鲁棒重复控制器进 行比较，验证了所设计的鲁棒重复控制器对于压力跟踪的精确性；修改了系统的 参数，验证了鲁棒重复控制器对于系统参数变化的鲁棒性；改变了输入信号的周 期，并对比了鲁棒重复控制器和重复控制器对于改变了周期的输入信号的跟踪情 况，说明了鲁棒重复控制器对于周期信号变化的适应性。 ( 6 ) 根据重复控制器和鲁棒重复控制器的对比结果，总结了重复控制和鲁棒 重复控制对于跟踪周期信号的共同点和不同点，进一步说明了所设计的鲁棒重复 控制器的优越性。 ( 7 ) 将所设计的鲁棒重复控制器进行离散化，并在计算机上编程实现了该控 制算法，验证了鲁棒重复控制的控制效果。 ( 8 ) 根据设计中遇到的问题以及解决的问题，对本论文的工作进行了总结， 并对未来进一步的研究工作进行了展望。 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章鲁棒重复控制理论 第二章鲁棒重复控制理论 2 1 重复控制理论 重复控制是2 0 世纪8 0 年代根据实际控制工程的需要提出的一种新型控制系 统设计方法，被证明是一种能很好解决实际控制问题的实用控制方式。目前已经 成功的应用于机器手臂控制【4 2 4 3 】、电力系统控制1 、机床【4 5 】、磁盘，光盘m 以 及其它【4 7 4 8 1 实际工程控制系统中。 2 1 1 内部模型原理 在图2 1 1 所示的反馈控制系统中，内部模型原理m 可以描述如下，其中 g r ( s ) 是目标输入的产生模型。 图2 1 1 含有目标输入产生模型的控制系统 、假设图2 1 1 的闭环系统是稳定的，这时控制对象的输出y ( f ) 无稳态偏差地 跟踪目标输入，( f ) 的充分必要条件是系统中闭环内的开环传递函数 g ( j ) = p ( s ) c ( s ) 中包含有目标输入的产生模型嗥( s ) 。 2 1 2 重复控制系统的基本结构【4 1 1 重复控制系统通过模仿人类的学习行为，通过循序渐进地学习来达到高精度 控制的目的。其结构如图2 1 2 所示。 重复补偿器 一一一一一一一一一一一一一一一一一 空匍l 对象 图2 1 2 重复控制系统结构 1 3 浙江大学硕士学位论文 第二章鲁棒重复控制理论 图2 1 2 中点画虚线部分称为重复补偿器，其传递函数为 耶) = 专 ( 2 _ 1 ) 频域特性为 刚国) = 专= 五忑拓 ( h ) 其中为周期参考信号基波成分的周期，该信号含有如下的频率成分 缈：七孥，j j 扎1 ，2 ， l ? 一? 由于 f ( 歹彩) = v j j = o ，1 ，2 ， 重复控制器在周期信号的直流及各次谐波成分的频率处具有无穷大的增益。 另一方面，含有直流成分及谐波s i n ( 2 后斫) 和c o s ( 2 后册) 的周期信号可由 含有如下极点 ! ，二兰至生! 墨，兰! 墨! 墨七：1 ，2 。 s js + i 2 巧k | l ：s i 2 霄k l ： 的信号发生器产生。把上式中的所有因子相乘得 啪，丢彝怨 c 瑚， 山本证明，上式中 g ( s ) = 此也彪专 ) 由于p 厶胆只是一个时滞项，因此最终可以将任意周期信号的内模取为 g ( 5 ) 2 专 2 5 ) 显然，重复补偿器正是周期信号发生器的内部模型。基于内模原理，如果重 复控制系统是稳定的，则该系统可以实现对周期信号的无稳态误差跟踪。 2 1 3 基本重复控制系统 基本重复控制系统如图2 1 3 所示通过上面的分析，系统能无稳态误差地 跟踪任意的周期为的参考信号 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章鲁棒重复控制理论 重复补偿器 一1 稳定化补偿器 图2 1 3 基本重复控制系统 由于重复补偿器含有一个纯滞后正反馈环节，若设x ( f ) 为系统的状态，则图 2 1 3 所示系统的状态空间可以描述为 x ) + 4 x o 一三) = 4 x o ) + 4 x o 一三) + 肼o ) ( 2 - 6 ) 其中4 。o 。这种时滞系统称为中立型时滞系统，而以：= 0 的时滞系统称为滞 后型时滞系统。中立型时滞系统的镇定非常困难，对很多实际控制问题都无法设 计一个稳定的重复控制系统。因此，必须考虑改善系统稳定性的方法。 2 1 4 改进型重复控制系统 虽然重复控制系统可以跟踪周期参考信号的任意高频成分，但设计一个稳定 的重复控制系统非常困难。对常见的控制对象，都几乎不能设计一个渐近稳定的 重复控制系统。为了改善系统的稳定性条件，在基本重复控制系统的基础上进行 一定的改进，在系统中引