（车辆工程专业论文）车辆动力学参数测试试验台计算机控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 本论文在对国外、国内车辆动力学实验系统运用计算机控制的情况进 行调查研究的基础上，根据车辆动力学参数测试的方法和对测试的具体要 求，介绍了试验台的总体结构，研究了控制系统及其相应的控制策略以及 控制系统执行机构作动元件的设计优化选型，同时还对计算机的数据采集 处理系统硬件的选择、连接和软件的设计并结合实验对车辆动力学参数测 试系统的计算机控制系统进行研究和设计。 首先介绍了车辆动力学测试试验台的特点及其控制系统，对车辆动力 学参数实验控制系统在安全性、可靠性和实时性方面有一定了解之后，给 出了动力学性能参数测试控制系统的总体设计思路。 然后对当今流行的计算机控制系统种类和控制规律进行了研究，并对 本试验台使用的控制算法和控制系统进行了设计，给出了控制算法的计算 机程序框图；对作动元件即液压伺服系统采用p i d 控制策略进行优化设计 及计算机仿真分析。 本实验控制系统采用研祥工控集团公司生产的p c l - - 8 1 8 h d 多功能数 据采集卡作为数据采集器件。该器件性能可靠、使用方便、功能强，能很 好地满足系统的要求。软件的设计采用功能模块化的思想，利用基于 w i n d o w s 9 5 ( 9 8 ) 的面向对象的编程技术，在b o r l a n dc + + 5 1 环境下完成。 人机对话采用基于对话框的视窗形式，在主界面上实现了对整令系统被测 参数的动态模拟和显示。数据文件的生成、处理由软件自动完成。扣膏一一 关键词试验台：控制系统；电液伺服阀：计算机仿真；数据采集 西南交通大学硕士研究生学位论文第| | 页 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ea p p l i c a t i o no f t h ec o m p u t e rc o n t r o li nt h ev e h i c l et e s ts t a n d s y s t e m o f i n s i d ea n do u t s i d eh a sb e e nr e s e a r c h e da c c o r d i n gt ot h em e t h o d so f t h e v e h i c l ed y n a m i ca n dt h ed e t a i lr e q u i r e m e n to fm e a s u r e m e n t ，i n t r o d u c et h ew h o l e s t r u c t u r eo ft h et e s ts t a n d ，s t u d yt h ec o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o ls t r a t e g y , w h i c h i n c l u d e st h ed e s i g no fp e r f o r m i n gc o m p o n e n t s ，t h ec h o o s i n go fp a t t e r n s ，t h e o p t i m i z i n go f m o d e l s a tt h es a m et i m e ，t h ec h o i c e ，l i n k i n go ft h eh a r d w a r e ，t h e c o m p u t e r sc o l l e c t i n g a n dd e a l i n go ft h ed a t aa n dt h es o f t w a r e d e s i g n a r e p r e s e n t e d w i t ht h ea c t u a l s t a t u so ft h et e s ts t a n d ，w h i l et h ec o m p u t e rc o n t r o l s y s t e mo f t h e v e h i c l ed y n a m i c p a r a m e t e r t e s ts y s t e mi sd i s c u s s e da n ds t u d i e d ，i ti s d e s i g n e d f i r s t ，t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo fv e h i c l ed y n a m i ct e s ts t a n da r ei n t r o d u c e d t h ew h o l ed e s i g nt h r e a do ft h ed y n a m i cp a r a m e t e rt e s ts t a n dc o n t r o l l i n gs y s t e m h a sb e e ng i v e na f t e rt h es e c u r i t y , r e l i a b i l i t y ，r e a lt i m ef e a t u r eo f t h et e s ts t a n dh a s b e e nu n d e r s t a n dt oa l le x t e n td e g r e e t h e n ，t h ec o n t r o l l i n ga l g o r i t h m i ca n dt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo f t h et e s ts t a n d a r ed e s i g n e da f t e rs t u d y i n gt h ec u r r e n tt y p e so ft h ec o m p u t e r c o n t r o l l i n gs y s t e m a n d c o n t r o l l i n gp r i n c i p l e 1 1 1 ec o m p u t e rp r o g r a m f l o w p i c t i l r ei sg i v e n i nt h e p a p e r t h es i m u l a t i o na n d d e s i g no f t h ee l e c t r i c i t y l i q u i ds e r v os y s t e m w h i c hm a k e su s e o ft h ep i d c o n t r o l l i n gs t r a t e g y , i no t h e rw o r d s ，t o t h ep e r f o r m i n gc o m p o n e n t s ，i s a n a l y s e da n do p t i m i z e d i nt h et e s ts t a n ds y s t e m ，t h ep c l - - 8 1 8 h da d v a n c e dm u l t i - f u n c t i o nd a t a a c q u i s i t i o nc a r do fa d v a n t e c hc o l t d i nt a i w a ni sr e g a r d e d a st h ed a t a c o l l e c t e da p p l i a n c e i t sr e l i a b i l i t y ，e a s y a p p l y i n g ，s t r o n gf u n c t i o n s f e a t u r e si s s u i t a b l ef o rt h er e q u i r e m e n to f t h e s y s t e mt h ed e s i g no f t h es o f t w a r ew h i c ht a k e s t h ei d e ao ff u n c t i o nb l o c k i n ga n dt h eo b j e c to r i e n t e di nw i n d o w s 9 5 ( 9 8 ) a r e e m p l o y e d t h e p r o g r a m a r e i m p l e m e n t e d u n d e r t h e b o r l a n d c + + 5 1 t h es e s s i o n b e t w e e nt h eh u m a n b e i n ga n dt h ec o m p u t e rb a s e so nt h ew i n d o w m o d eo ft h e d i a l o g i nt h em a i ni n t e r f a c et h ed y n a m i cs i m u l a t i o na n dd i s p l a y i n go fa l lt h e t e s t e dp a r a m e t e ro ft h es y s t e mi sr e a l i z e d t h ec r e a t i n ga n d t a c k l i n go f t h ed a t a f i l e si sa u t o m a t i c a l l y c o m p l e t e db y t h ep r o g r a m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 随着国家经济的不断增长，对在国民经济中起着极其重要作用的交通 运输业提出了更多更高的要求。而在交通运输业中，铁路、公路、航空这 三种主要的运输方式，即互为补充又相互竞争，随着全国范围内高速公路 的不断修建和各种不同大小规模机场的修扩建，这种竞争趋势日趋激烈， 对铁路运输业提出了严肃的挑战。铁路运输业要适应这种竞争，在竞争中 不断完善并得以快速发展，那么它的各子系统必须充分利用现有的科学技 术成果不断完善扩展，铁路机车车辆更是如此。 铁路机车车辆作为铁路运输业的基本物质载体，面对公路、航空的快 速运输的竞争，对其就提出了更高的要求，也就是对它的产品提出了更高 更严的要求，也就是对新产品的开发设计提出了要求，那就是设计出来的 机车车辆产品对客车来讲必须高速，而对货车来说不仅多载货物( 即重载) 而且还要具有较高的速度，对机车即要功率大，也要有与客、货车相匹配 的速度。而传统的机车车辆设计方法是项目论证，草案设计，施工图设计， 然后是试制，零部件实验，线路运行考验，线路实验，这样不仅产品开发 周期长，而且( 由于铁路产品的特殊性，在生产过程中容易出现较多的误 差) 往往因为所设计的参数在整车落成前得不到验证，对设计出的产品到 底如何，设计人员心中没数，只好等待实验来验证。然而就目前中国铁路 机车车辆行业，绝大多数工厂把所有的实验( 包括参数测试实验和产品验 证实验) 都委托给仅有的一、两家专业实验室来完成，这样一方面花费在 实验中的费用不仅高，而且实验时间也很长，有时还会因为专业实验室太 忙而无法进行实验，这无形中又增加了产品的开发周期，这有可能使自已 开发出的新产品还没有进入市场就丧失了竞争力。随着机车车辆产业的市 场经济化，机车车辆产品的更新换代周期缩短，这一点显得更加重要。 因而，在铁路车辆制造行业，建造车辆动力学参数试验台，把委托给 专业实验室的实验分离开来，对车辆的参数( 包括动力学参数，这些参数 是供设计开发人员使用) 由制造商家自行完成，而对客户所需要的验证性 参数才交由专业实验室来完成。这样，在车辆新产品开发( 或对旧产品的 改进) 过程中，设计时在理论上已把各项参数进行过了优化，但这种优化 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 参数是否真切地在产品实物中体现出来，这只能通过实验才能得以验证。 车辆制造商家建立一机车车辆动力学参数测试试验台，不仅能为设计新产 品提供有力的技术支持，而且能够极大缩短产品开发周期，为产品开发制 造商节约大量委外实验费用，增加制造商家们的竞争实力。因此，对车辆 制造商家而言，要更快更好地进行新产品的开发以及对旧有产品的改进， 建立车辆动力学参数试验台是很有必要的，而且是重要的，它带给车辆制 造商家的只会是丰厚的回报。 整个车辆动力学参数测试试验台系统包括两大系统：试验台机械系统 和试验台计算机控制系统。本文在对试验台机械系统进行说明基础上，重 点对车辆动力学参数测试试验试验台的计算机控制系统进行了研究。本章 首先对车辆动力学参数测试试验台的特点作了介绍，并给出了适于车辆动 力学参数测试试验台的控制规律和计算机控制系统的总体组成形式。 1 2 车辆动力学参数测试试验台简介 1 2 1 试验台总体结构 1 2 1 1 试验台控制系统结构 试验台控制系统可分为两部分：计算机控制系统和数据采集系统。而 计算机控制系统又由控制计算机和执行元件即液压伺服系统组成；数据采 集部分由硬件接口和软件接口组成。试验台控制系统组成图如图1 1 。 图1 1 试验台控制系统组成 1 2 1 2 试验台机械系统结构 车辆动力学参数测试试验机械系统按三个相对独立的试验台设计：第 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 一部分是车体强度测试试验台，其主要完成车体纵向的加载试验，试验车 辆的最大长度( 指车钩间距离) 可达到2 55 m ，最大加载载荷可达4 5 0 0 k n ( 拉、压两种工况) ；第二部分是转向架动力学参数测试试验台，在该部分 i 要完成转向架：悬挂系统的横向刚度、纵向刚度，构架抗菱形刚度，转向 架心盘( 或旁承) 回转力矩等测试任务；第三部分是零部件疲劳试验台， 它可完成转向架构架、侧架、摇枕和其它零部件的疲劳试验工作，最大试 验载荷可达1 0 0 0 k n ( 两个5 0 0 k n ) 。 车体强度测试试验台通过两个承力墩( 作动器放在承力墩与车体之间) 来对车体进行纵向力加载，该纵向力通过横截面为箱形的纵向梁借助地基 的约束作用使纵向梁与地基同时承载。 转向架参数测试试验台有固定部分和活动部分两部分，固定部分紧邻 车体试验台，活动部分自成一独立的系统，在它上面借助作动器和疲劳试 验台上的龙门架可独立完成相应试验，也可与固定部分一起使用完成其它 的试验。零部件疲劳试验台由龙门架和两个平台组成，在龙门架的激振梁 下可安装不同的作动器以完成不同部件、不同力的试验。该试验台已在株 洲车辆厂建成，车辆动力学参数测试试验台机械部分总体实物图如图1 2 。 图1 2 车辆动力学参数测试试验台机械部分总体实物图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 2 车辆动力学参数测试的主要参数 对车辆来讲，主要测量的参数包括力学参数、运动参数和振动参数。 由丁二现在车辆一般分为车体部分与走行部分两部分，对于车体主要完成静 强度即各种力包括压力、应力和应变等的测量；而对于走行部分的总体测 试参数主要包括：一系和二系悬挂垂向刚度、横向刚度、纵向刚度， 前、后轮对间剪切刚度、弯曲刚度，抗菱刚度，减振器的减振特性， 转向架与车体间回转摩擦力矩特性；对上述两个部分的参数测量基本近 似于静态测量，对信号的采样频率要求不高，但有时对某一个参数的测量 根据标准需分几个加载等级。 从上述所要测试的参数可知，车辆动力学参数测试试验台应具有水平 x 、y 两个方向平动和绕垂向z 轴旋转的运动功能。所以该动力学参数测试 试验台采用三层设计，底层为与基础相连的支撑结构，中层为实现平动和 转动的关键构件，上层为实验元件安装的固定平台。为实现平动和转动时 力的对称性，实验时使用一组1 0 0 k n ( 或5 0 0 k n ) 的液压作动器作为加载 元件( 施加载荷大小由计算机控制) 。 1 3 试验台计算机控制系统特点 在车辆动力学参数测试试验台的发展过程中，最初对车体是进行各项 静力参数( 如强度、变形等) 的测试，而对转向架是对主要零部件进行静 力参数( 强度) 和动力参数( 疲劳强度) 的测试，在这一阶段主要采用人 工控制油压千斤顶加力方式和记录仪进行数据记录的方式，再在实验完成 后由实验人员进行数据处理分析。这种方式，测试的数据不全，数据处理 过程较慢而且也不够客观，对于产品鉴定来讲，还是可行的，但是对于作 为新产品的开发是远远不够的。因而就必然对实验参数测试的种类、测试 的实时性以及测试数据处理的实时性提出了更高、更新、更多的要求。 近年来建立的车辆动力学参数测试试验台除了能完成上述的各项参数 测试外，还能进行转向架前后轮对间抗剪刚度、抗弯刚度、抗菱刚度；一 系、二系弹簧的横向刚度、纵向刚度；减振装置的减振特性；转向架与车 体回转摩擦力矩特性：车体侧滚自振频率、摇头自振频率的数据测试。因 此，车辆动力学参数测试试验台计算机控制系统除具有下述计算机控制系 统一般特点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 1 ) 进出计算机的信号均为数字信号，需要进行a d ( 模数转换) 和d a ( 数模转换) ，该两个过程将会对系统的静态和动态特性产生影响。 ( 2 ) 控制信号通过软件加工处理，充分利用计算机的运算、逻辑判断和记 忆功能，因而改变控制算法只要改编程序而不必改动硬件电路。 此外。还应具有： ( 1 ) 由于测量参数多样化，导致计算机数据处理的多样化，即针对不同的 参数需要编制不同的程序进行处理。 ( 2 ) 控制信号多样化，有对平滑信号的控制，也有交变信号的控制。 ( 3 ) 控制参数多，采用一台计算机，一块a d ( d a ) 卡。计算机不仅要 起到控制的作用，而在此同时还要进行数据的采集和处理。 1 4 试验台计算机控制系统分析 1 4 1 计算机控制系统的组成 一般地含有计算机并由计算机完成部分或全部控制功能的控制系统就 可称作计算机控制系统。严格讲，计算机控制系统是建立在计算机控制理 论基础上的一种以计算机为手段的控制系统。 计算机控制系统一般组成可由图1 3 所示的框图来说明。 图1 - - 3 计算机控制系统组成 1 4 2 试验台计算机控制系统分析 车辆动力学参数测试试验台计算机控制系统中传入控制计算机的数据 有些是需经处理后作为控制信号再传出的；而另外一些参数只需对其进行 数据处理和存储，即按一定的规律进行数据处理得到相应结果，而不需作 为控制信号传出。因而控制计算机不仅只是单纯用于控制，同时还要进行 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 数字运算和图形处理等，在编制相应的软件应注意该问题。该试验台控制 系统的总体组成如图1 4 。图中c r t 、l e d 为显示器，s i - i 为多路变送器， z o h 为反多路变送器。a d 为模数转换器，d a 为数模转换器。 变送器 图1 4 试验台控制系统总体组成 1 5本论文所作的工作 车辆动力学参数测试试验台是一个完整的系统，它包含了几个子系统， 其中主要的两个子系统是机械系统和计算机控制系统。每一个子系统又包 含相应的硬件系统和软件系统，对于机械安装系统即为安装及紧固实验对 象以及控制系统的作动元件和各参数测试的实验方法的研究；对计算机控 制系统又分为执行系统和数据采样处理系统。本文的重点在于对试验台控 制系统的应用研究。本论文主要完成的工作： ( 1 )根据实际情况对控制系统整体方案进行分析，由此得出控制系统的 控制方案及车辆动力学参数试验台控制系统的总体结构。 ( 2 )对控制执行系统主要是液压伺服系统进行优化设计。分析负载特性， 优化动力元件参数，进行系统响应分析，并对系统进行了计算机仿真。 ( 3 ) 试验台测控系统数据采集处理的实现，给出了整个测控系统软、硬 件实现思路，介绍了用于试验台数据采集处理系统的硬件，对测控系统的 软件设计作了介绍和说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章试验台控制系统方案及结构研究 从前述分析说明可知，车辆动力学参数测试系统需要对不同工况进行 控制，同时还要对众多采集的信号( 包括控制信号的反馈信号) 进行计算 处理。这种系统的测量控制方案多种多样，本章根据具体情况对整体方案 作进一步的分析，最后得出系统的控制方案和总体结构。 2 1 试验台计算机控制系统设计流程图2 1 。 泾制系统、控制算法研究 上 试验台控制系统形式确定 上 试验台控制算法确定 上 确定控制参数 上 试验台控制系统硬件组成 0 控制系统控制软件分析 图2 1 控制系统设计流程图 2 2 计算机控制系统的典型形式 计算机控制系统所采用的形式与其所控制的生产( 实验) 过程的复杂 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 程度密切相关，对不同的被控对象和不同的要求，要有不同的控制方案 计算机控制系统一般有下面几种典型形式。 2 2 1 操作指导控制系统 操作指导控制系统的构成如图2 2 。该系统不仅具有数据采集和处理 功能，而且能够为操作人员提供反映生产( 实验) 过程的各种数据，并给 出相应的操作指导信息，供操作人员参考。 数字量输入( d i ) 通道i 一 生 计 产 算 一 j人员卜_ 叫调节器r 验 机 匝叫l 一 v 过 程 i 模拟量输入( a 1 ) 通道j 图2 2 操作指导控制系统 操作指导系统属于开环控制结构。每隔一定时间，计算机根据一定的 控制算法，依赖测量元件进行一次数据采集，经a d 转换后送入计算机加 工处理，计算出供操作员选择的最优操作条件及操作方案，操作人员根据 计算机输出信息去改变调节器的给定值或直接操作执行机构。这种控制系 统结构简单，控制灵活和安全；但要人工操作，速度受到限制，不能对多 个对象进行控制。 2 2 2 直接数字控制系统 在直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 系统的初期，其功能简 单效果也不明显，还由于计算机自身的各种性能达不到预期的要求，其运 用并不广泛，随着计算机的不断发展，特别是微型计算机的问世和发展， d d c 的概念亦发生了深刻的变化。 d d c 系统的构成框图如图2 - - 3 。计算机首先通过模拟量输入通道( a i ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 和开关量输入通道( d i ) 实时采集数据，然后按照一定的控制规律进行计 算，最后发出控制信息，并通过模拟量输出通道( a o ) 和开关量输出通道 ( d o ) 直接控制生产( 实验) 过程。d d c 系统属于计算机闭环控制系统， 是计算机在工业生产( 实验) 过程中最为普遍的应用方式。 i ! ! 卜_ 一蒜卜 生 匣卫- 计 产 厂、 算 实 验 机 v 过 程 i 塑兰卜。 i ( 芝，d o i 陌丽酣 i)l 图2 3 直接数字控制系统框图 由于d d c 系统中的计算机直接承担控制任务，这就要求计算机要实时 性好、可靠性高并且适应性强。同时为充分发挥计算机的功能，一台计算 机要控制一个或几个对象的几个或几十个回路，就需要合理地对应用软件 进行设计，使之能更好地完成其任务。 2 2 3 监督控制系统 计算机监督控制系统简称s c c ( s u p e r v i s o r y c o m p u t e r c o n t r 0 1 ) ，在d d c 系统中，是用计算机代替模拟调节器进行控制的。而在s s c 系统中计算机 根据原始工艺信息( 或给定的参数信息) ，按照描述生产( 或实验) 过程的 数学模型或其它方法，自动地改变模拟调节器或以直接数字控制方式工作 的微型机中的给定值，从而使生产( 实验) 始终处于最优状态。因而，有 时也称其为设定值控制s p c ( s e tp o i n tc o n t r 0 1 ) 。监督控制系统有两种不同 的结构形式，一种是s c c + 模拟调节器如图2 4 ，另一种是s c c + d d c 控 制系统如图2 5 。 s c c 加上模拟调节器控制系统是由微型机系统对各物理量进行巡回检 测，并对生产( 实验) 工况进行分析、计算后得出控制对象各参数最优给 定值送给调节器，使工况保持在最优状态。当s c c 微机出现故障时可由模 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 拟调节器独立完成操作。 图2 4s c c + 模拟调节器系统 图2 5s c c + d c c 系统 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 2 2 4 集散型控制系统 集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 又称分布式控制。 它把一个状态变量数目很多的大系统分成为若干个子系统，以便于处理。 采用分散控制、集中操作、分级管理和综合协调的设计原则，把系统从上 到下分为分散过程控制级、集中操作监控级、综合信息管理级，形成分级 分布式控制，其结构原理图如图2 6 。 图2 6d c s 结构示意图 2 2 5 现场总线控制系统 现场总线控制系统( f i e l dc o m r o ls y s t e m ，f c s ) 是新一代分布式控制结 构，f c s 的系统结构如图2 7 。它打破了传统控制系统的结构形式。传统 模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接；位于现 场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、 开关、马达之间均为一对一的物理连接。而对d d c 、s c c 、d c s 来讲，虽 都为数字控制形式，但d d c 、s c c 系统是一个相对独立的控制系统；而d c s 结构模式为：“操作站一控制站一现场仪表”三层结构，系统成本较高，且 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 各厂商的d c s 标准各不相同，不能互联。f c s 是连接现场仪表和控制系统 之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，是由控制系统和现场仪 表组成。f c s 系统采用数字信号代替模拟信号，可实现一对电话线上传输 多个信号，同时又为多个设备提供电源：现场设备以外不再需要a d 、d a 转换器件，因此可为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种 安装、维护费用创造了条件。 2 3 控制算法 卜 现场设备 图2 7f c s 系统结构图 控制算法是控制器的核心，从模拟控制系统开始，到数模混合控制系 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 统及计算机控制系统的长期发展过程中，形成并发展了许多行之有效的控 制理论和控制方法。 2 3 1 数字程序控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 统及计算机控制系统的长期发展过程中，形成并发展了许多行之有效的控 制理论和控制方法。 2 3 1 数字程序控制 数字程序控制是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的 工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动 控制，数控系统一般由输入装置、输出装置、控制器和插补器等四部分组 成，它们都由计算机来完成。数字程序控制可分为开环数字控制和闭环数 字控制两大类。对闭环控制，其结构复杂，较难调整和维护，使用较少。 而开环数字程序控制由于计算机技术的发展，采用步进电机作驱动元件， 使得系统的可控性变得更加灵活，更易实现各种插补运算和运动轨迹控制， 在数控机械方面得到了广泛的运用。 2 3 2 p i d ( 比例一积分一微分) 控制 根据偏差的比例( p ) 、积分( i ) 、微分( d ) 进行控制，是控制系统 中应用最为广泛的一种控制规律，具有几十年的应用历史。实际运行的经 验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时， 都能得到满意的效果。p i d 控制原理图如图2 8 。 p i d 算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，而且 其配置几乎最优。其中比例( p ) 代表了当前的信息，起纠正偏差的作用使 过程反应迅速。微分( d ) 在信号变化时有超前控制作用，代表了将来的 信息。在过程开始时强迫过程进行而在过程结束时减少超调，克服震荡， 提高系统的稳定性，加快系统的过渡过程。积分( i ) 代表了过去积累的信 息，它能消除静差，改善系统静态特性。上述三种作用配合得当，可使动 态过程快速、平稳、准确，收到良好的效果。许多工业控制回路比较简单， 控制的快速性和精度要求不是很高，特别是对于那些1 2 阶的系统，p i d 控制能得到满意的效果。 根据p i d 算法设计的p i d 控制器可分为模拟p i d 调节器和数字p i d 控 制器。一般来说，数字p i d 控制器是模拟p i d 控制算法数字化，即模拟p i d 控制是数字p i d 控制器的基础，但用计算机实现p i d 控制，不是简单地把 模拟p i d 控制规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 p i d 控制更加灵活，更能满足生产( 实验) 过程提出的要求。 + ， r l占i 设定 e 一、 区卜奄7 l jl u 图2 8p i d 控制原理图 数字p i d 控制器实现方式一般有数字p i d 位置型控制算法和数字p d 增量型控制算法两种形式。在控制系统中，如果执行机构采用调节阀( 或 其它位置调节、控制器) ，则控制量对应阀门的开度，表征了执行机构的位 置，这种情况应采用数字p i d 位置式控制算法型，其控制系统结构框图如 图2 9 。如执行机构采用步进电机，每个采样周期，控制器输出的控制量， 是相对于上次控制量的增加，此时控制器应采用数字p i d 增量型控制算法， 其控制系统结构框如图2 一l o 。 图2 9p i d 位置算法原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图2 1 0p i d 增量算法原理图 2 3 3 施密斯( s m i t h ) 预估控制 工业过程中的许多对象具有纯时间滞后特性。对象的这种滞后特性常 引起系统产生超调或振荡。施密斯提出了一种纯滞后补偿模型即预估控制， 利用计算机可以方便地实现对纯滞后的补偿。 施密斯预估控制的原理如图2 1 1 ，在图2 1 1 所示的单回路控制系 统中，d ( s ) 表示调节器传递函数，用于校正g ，( s ) 部分；g ，( j ) 口一4 表示被 控对象的传递函数，g 。( j ) 为被控对象中不包含纯滞后部分的传递函数， e 1 为被控对象纯滞后部分的传递函数。施密斯预估控制的原理是：与 d ( s ) 并接一补偿环节，用来补偿被控对象中的纯滞后部分。这个补偿环节 称为预估器，其传递函数为g 。( j ) ( 1 一e ”) ，r 为纯滞后时间，补偿后的控 制系统框图如图2 1 2 。 图2 1 1 带纯滞后环节的控制系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 图2 1 2 带施密斯预估器的控制系统 由施密斯预估器和调节器d ( s ) 组成的补偿回路称为纯滞后补偿器，其 传递函数为d ( j ) ，即 2 而若斋丽 经补偿后的系统闭环传递函数为 掷) = 器= 而d ( s ) 丽g p ( s ) e ” (221-i-d s ) e 1 ) 驴i sj = j 一= ”【1 ) 一7 ( s ) g 。( 1 1 + d ( s ) g 。( s ) 式( 2 2 1 ) 说明，经补偿后，消除了纯滞后部分对控制系统的影响。将施密 斯预估器与控制器并联，理论上可以使控制对象的时间滞后得到完全补偿， 控制器的设计就可不再考虑对象的时间滞后了。 2 3 4 自适应控制 自适应控制策略是针对对象特征的变化、漂移和环境的干扰对系统的 影响提出来的。其基本思想是通过在线辨识，使这种影响逐渐降低以至消 失。从应用方面它大体可分为模型参考自适应控制和自校正控制。 模型参考自适应控制的基本思想是在控制器控制对象组成闭环回 路外，再建立一个由参考模型和自适应机构组成的附加调节回路，模型参 考自适应控制原理图如图2 1 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图2 一1 3 模型参考自适应控制原理图 模型参考自适应控制特点是对系统性能指标的要求完全通过参考模型 来表达，即参考模型的输出( 状态) 就是系统的理想输出( 状态) 。当运行 过程中对象的参数或特性变化时，误差进入自适应机构，经过自适应规律 所决定的运算，产生适当的调整作用，改变控制器的参数或对控制对象产 生等效的附加控制作用，力图使被控过程的动态特性( 输出) 与参考模型 一致。 自校正控制的附加调节回路由辨识器和控制器组成，自校正控制原理 图如图2 1 4 。对象参数的估计值日作为对象参数的真值日，送入控制器设 计机构，按设计好的控制规律进行计算，计算结果v 送入可调控制器，形 成新的控制输出，以补偿对象特性的变化。 自适应控制是一种逐渐修正、渐进趋向期望性能的过程，适用于模型 和干扰变化缓慢的情况。对于模型参数变化快的工业场合，以及比较复杂 的工业过程，就难以应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 3 5 模糊控制 模糊控制系统常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置 和被控对象组成。其控制系统组成如图2 1 5 。模糊控制器是模糊控制系 统的核心，一个模糊系统的性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构，所 采用的模糊规则、合成推理算法以及模糊决策的方法等因素。而模糊控制 器主要包括输入量化模糊化接口、知识库、推理机、输出清晰化接口四个 部分，其框图如图2 1 6 。 图2 一1 5 模糊控制系统组成 西南交通大学硕士研究生学位论文 第19 页 圈 皇 一模糊化接口 + 臣堑塞叫清晰化接口一 模糊控制器 图2 1 6 模糊控制器组成 2 4 试验台系统控制方案设计 2 4 1 试验台系统控制形式与算法的选定 2 4 1 1试验台系统控制形式的选定 前面分析的五种典型控制系统中：操作指导系统结构简单，控制灵活 和安全，但要人工操作，速度受到限制，不能对多个对象进行控制；直接 数字控制系统中计算机直接承担控制任务，其实时性好，可靠性高并且适 应性强，一台计算机可控制几十个回路：集散型控制系统安全可靠，通用 性灵活性强，具有最优控制性能和综合管理能力，是工业控制过程中的新 方式；现场总线控制系统是用现场总线连接工业过程现场仪表和控制系统 之间的全数字化、双向、多站点的串行通信网络，实现了现场总线通信网 络与控制系统的集成，它和集散型控制系统是控制系统的发展方向：计算 机监督控制系统用计算机代替模拟调节器进行控制，由微型机系统对各物 理量进行巡回检测，使工况保持在最优状态，其可靠性较高。 根据各控制系统的特点和所设计试验台的具体要求，试验台控制系统 方案选用计算机监督控制系统，计算机监督控制系统的制造成本相对集散 型控制系统和现场总线控制系统来说低很多，并且在条件成熟时可方便地 升级到集散型控制系统和现场总线控制系统。计算机监督控制系统是操作 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 指导系统和直接数字控制系统的综合和发展，它的控制算法可以改变，使 用更加灵活。该系统实际是一个两级计算机控制系统：一级为监督控制级， 另一为首接数字控制级。监督控制级计算机用来计算最佳给定值并及时送 给下一级的直接数字控制计算机，直接数字控制计算机用来把给定值与测 量值进行比较，其偏差出直接数字控制计算机进行数字控制计算，然后输 出到执行机构，对实验进行控制。当直接数字控制级微型机出现故障时， 可由监督控制级微型机完成直接数字控制计算机的控制功能，其可靠性较 高。 2 4 1 2 试验台系统控制算法的选定 根据本实验系统具体情况，控制算法选用p i d 控制算法。在第三章液 压伺服系统的设计中采用的是电液伺服阀，控制的主要目标是伺服阀的阀 门开度。虽可直接选用位置式p i d 控制算法，但由于位置式算法所有的工 作都由计算机完成，占用了较多的计算机资源，有可能对实时数据采集产 生影响。考虑上述因素，采用增量式p i d 控制算法，它与位置式算法没有 本质的区别：只不过增量式算法把一部分本应由计算机完成的工作交由其 它元件完成。增量式算法优点是：第一，只与最近几次采样值有关，不需 进行累加，因而不易产生积累误码差，控制效果较好：第二，计算机只输 出增量，误差动作( 计算机故障或干扰) 时影响小；第三，由于执行机构 本身有保持作用，所以易于实现手动自动的无扰动切换。而位置式p i d 控制算法要累加偏差e ( 0 ，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于程序 的编制。因此，为增加可靠性和便于实现手动自动的无扰动切换，在 本控制系统中实际的控制算法采用增量式p i d 算法。 2 4 1 3 自动测量控制方案 本试验台控制系统的核心是测量电液伺服阀的位置开度，从而可换算 出提供给执行元件的力，而伺服阀的位置开度又是以工况为前提的。在位 置开度的测量过程中，数据采集及执行元件力的计算，采用计算机自动完 成，各装置的控制及试验工况的调节均由计算机控制。在前面，已讨论了 试验台所采用的控制算法，即其控制策略为增量式p i d 控制，根据这一策 略，在具体的控制系统设计时采用了直接数字控制系统。系统的具体结构 如图2 1 7 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图2 1 7 伺服阀的位置等原始数据，通过相应传感器、变送器，送至原始数据 的显示系统。然后再通过多功能数据采集卡的a d 口送入计算机。由于现 场运用控制工况的部件为开关信号控制的电动调节阀，它根据实时采集到 的信号来控制对应的设备工作。经计算机处理过的数字数据被直接送入驱 动系统及功放系统对电动调节阀进行控制，从而达到控制及调节试验工况 的目的。这种自动控制系统如果是全自动，其优点是，整个系统，不需人 员干预，能使工况稳定在要求的范围内。如果是半自动的，计算机不参与 控制，整个系统控制工作由操作人员根据显示系统显示的数据进行操作， 以达到调整、控制的目的，此时实际是一个操作指导系统；而在该系统中 的数据采集及处理则由计算机自动完成。 2 4 2 试验台控制系统加载特性及控制要求 载荷的施加是实验过程中不可缺少的一环，利用计算机对加载进行控 制，可获得精确的载荷和良好的工作环境。 2 4 2 1 系统的加载特性 试验台共有四个由伺服阀控制的作动器，其中两个为5 0 0 k n ，另两个 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 为1 0 0 k n 。5 0 0 k n 伺服阀的加载特性可视为静态，不过需分为几个等级加 载，加载特性如图2 1 8 ( a ) ；l o o k n 伺服阀要求要具有频率1 3 h z ，载 荷o 1 0 0 k n ( 最大) 的动态特性，加载特性如图2 1 8 ( b ) 。 图2 1 8 载荷特性图 。弋。、 靠 斋 t ( b ) 2 4 2 2 系统的控制要求 ( 1 ) 系统共有四个伺服阀控制四个作动器，该四个控制阀根据不同实 验要求同时使用数量个数不同。对每个伺服阀及作动元件测量五个参数， 即作动器输出、输入油压力，伺服阀输入、输出油压力及伺服阀阀门位置 开度，后三个参数可通过相应变换可得到相应力的大小。 ( 2 ) 自动控制各个伺服阀输出的载荷按图2 一1 8 进行，各参数的控制 误差不大于相应参数大小的0 5 。 ( 3 ) 系统具有自动控制、现场手动控制及遥控室遥控三种工作方式。 ( 4 ) 具有掉电保护、报警、参数设置和工况曲线修改设置功能。 2 4 3 试验台控制系统数字控制器设计 2 4 3 1 试验台控制系统控制算法设计 根据分析采用p i d 位置增量式算法设计数字控制器。 设计数字控制器时，一般是先对该系统进行假想的模拟控制器设计， 在模拟控制器基础上与计算机的逻辑判断功能结合，并使用向前差分法、 【基一 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 向后差分法或双线性变换法等方法可将模拟控制器离散化从而得到数字控 制器，在本系统中数字控制器的设计方法即为此方法。 2 4 3 2 模拟p l d 控制器设计 采用位置式p i d 算法的模拟p i d 控制器的原理图如图2 9 ，其控制规 律为 “( o = k e 【e ( 叶軎小竽】 ( 2 川 对应的模拟调节控制器的传递函数为 ) = 寒毡朋+ 去s ) ( 2 4 2 ) 其中k e 为比例增益，k p 与比例带占成倒数关系即k ，2 吉，l 为积分时阳j 常数，为微分时间常数，“( ，) 为控制量，口( f ) 为偏差 2 4 3 3 数字p 1 0 控制器设计 1 数字p i d 位置式控制算法 首先把位置式模拟算法转换为位罱式离散算法，把( 2 4 1 ) 式变为差 分方程并作如下近似 je ( r 矽，“窆扎( f 1 ( 2 4 3 ) 叠。e ( 1 2 ) - e ( k - 1 ) ( 2 4 4 ) 上两式中，丁为采样周期，k 为采样序号。 由( 2 4 1 ) 、( 2 4 3 ) 、( 2 4 4 ) 式可得数字p i d 位置式控制算式为 “( ) ：k ，【e ( t ) + 三爹p ( f ) + 靠e ( k ) - e ( k ( 2 4 5 ) “( ) = 酢阶) + 争p ( f ) + l= ，- 1 ) 1 ( 2 4 5 ) 1 ，= o ( 2 4 5 ) 式所示的控制算法提供了执行机构的位置”( 七) ，如液压伺服 阀的阀门开度。 2 数字p i d 增量式控制算法 增量式算法的实质是指计算机控制阀的开度在原来开度上的改变量， 即增量，增量式控制算法是在位置式算法基础上经改进而得来的。 根据( 2 4 5 ) 式可写出控制阀前一次u ( k 一1 ) 的表达式，即 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 u ( k 一1 ) = k ， e ( k 一1 ) + 将( 2 4 5 ) 式与( 2 4 6 ) 式相 a u ( k