（机械电子工程专业论文）大型液压源温度控制系统研究.pdf

摘要 摘要 为某大型液压试验台进行液压源温度控制系统设计，使其油温控制精度达 到国家标准( g b t7 9 3 5 2 0 0 5 ) 规定的b 级精度要求( 2 ) 。液压源温度控 制系统设计包括：温度控制装置设计、温度控制算法设计和p l c 控制系统设计 三大部分。 温度控制装置设计由冷却元件选型和冷却水路设计两部分组成。冷却元件 选用可拆卸式板式换热器，以液压系统在不同工况下的最高发热功率为选型依 据确定板式热交换器的型号和板片数量，从而保证系统的冷却能力；冷却水路 采用三通比例流量阀分水原理进行冷却水量的连续调节。温控系统通过调节三 通阀阀芯开度来调节通过板式换热器的冷却水流量，进而改变板式换热器的换 热能力，以此达到温控的目的。 在温度控制算法设计方面，由于液压源温度控制系统是非线性、时变的大 滞后系统，故采用参数自整定模糊p i d 控制算法，通过模糊推理在线调整p i d 三大参数，避免p i d 控制依赖系统模型，对时变参数敏感以及模糊控制稳念精 度较差等缺点，使系统在快速性、稳定性和准确性上获得更加优良的性能。通 过计算机仿真对参数自整定模糊p i d 控制算法进行了辅助设计和性能分析。 p l c 控制系统设计方面，采用s 7 s c l 编程语言编写温控程序，使用组态 软件s t e p 7 完成系统组态和程序调试，最终在p l c 系统平台上编写完成参数 自整定模糊p i d 温度控制程序。 通过对该液压源温度控制系统在各种工况下进行的验证试验发现： ( 1 ) p i d 的初始参数k p o ，k 1 0 k d o 的选定依然很重要，不能选取使系统 振荡或发散的值，同时也要综合考虑量化因子和比例因子的选取。在实际系统 的设计中，要通过现场试验反复整定，选择最佳值才能达到较好的控制效果。 ( 2 ) 使用p l c 控制器实现程序算法时，模糊推理规则的维数一般不能太 多，否则计算缓慢并影响控制的实时性。为保障实时性，可以通过离线计算将 模糊推理规则构造为模糊推理表，在实际的控制过程中通过查表的方式，实现 快速地模糊推理。 ( 3 ) 模糊控制对人的经验依赖很大，其整定规则的制定要建立在对系统的 反复试验基础上，其参数特别是量化因子和比例因子要通过试验进行优化。 ( 4 ) 在p l c 控制系统的设计过程中，提高系统的抗干扰能力是一个关键 问题，其对温度控制性能的影响很大，特别是p i d 控制器中的微分环节对干扰 特别敏感。为防止系统振荡，应采取必要措施降低干扰。 关键词：液压源；温度控制；自整定模糊p i d 控制；系统设计；仿真；p l c a b s t r a c t a b s t r a c t i nt i f f sp a p e r , t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi sd e s i 弘e df o rh y d r a u l i cs o u r c ei n l a r g eh y d r a u l i ct e s t i n gb e n c h t h ea c c u r a c yo ft e m p e r a t u r ec o n t r o lc a l lr e a c ht h e g r a d eb ( 士2 。c ) o ft h en a t i o n a ls t a n d a r d ( g b t7 9 3 5 - 2 0 0 5 ) t h ed e s i g no f t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mf o rh y d r a u l i cs o u r c ei n c l u d et h r e ep a r t s ：t h ed e s i g no f t e m p e r a t u r ec o n t r o ld e v i c e ，t h ed e s i g no ft e m p e r a t u r ec o n t r o la l g o d t h ma n dt h e d e s i g no f p l cc o n t r o ls y s t e m c o o l i n gc o m p o n e n t ss e l e c t i o na n dd e s i g no ft h ec o o l i n gl i n ea r et w op a r t si n t h ed e s i g no ft e m p e r a t u r ec o n t r o ld e v i c e p l a t eh e a te x c h a n g e ri ss e l e c t e df o r c o o l i n gc o m p o n e n t s t h et y p ea n dn u m b e ro fp l a t ef o rh e a te x c h a n g e ra r e d e t e r m i n e db yc a l c u l a t i n gt h em a x i m u m h e a t i n gp o w e ro fh y d r a u l i cs y s t e mi nt h e d i f f e r e n tc o n d i t i o n s , t h u st h ea b i l i t yo f t h ec o o l i n gs y s t e mi se n s u r e d ；t h ef l o wr a t i o o fc o o l i n gw a t e ri sa d j u s t e db yt h r e e - w a yv a l v ec o n t i n u o u s l y b ya d j u s t i n gt h e t h r e e w a yv a l v es p o o lp o s i t i o n ，t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mc a nr e g u l a t et h ef l o wo f w a t e rt h r o u g ht h eh e a te x c h a n g e r , w h i c hw i l lc h a n g et h eh e a tt r a n s f e rc a p a b i l i t yo f 胁船fe x c h a n g e r 刀st h ep u r p o s eo f t e m p e r a t u r ec o n t r o li sa c h i e v e d o nt e m p e r a t u r ec o n t r o la l g o r i t h md e s i g n ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo f h y d r a u l i cs o u r c ei san o n l i n e a r , t i m e v a r y i n ga n dl a r g e l a gs y s t e m p i dc o n t r o l a l g o r i t h mi s s e n s i t i v et o t i m e v a r y i n gp a r a m e t e r so ft h es y s t e m ，i td e p e n d so n s y s y t e mm o d e l t h es t e a d y - s t a t ea c c u r a c yo ff u z z yc o n t r 0 1i sn o ti d e a l i no r d e rt o a v o i dt h es h o r t c o m i n g so f t h e m ，s e l f - t u n i n gp a r a m e t e r sf u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h m i su e s d b yo n l i n ef u z z yr e a s o n i n g ，t h r e ep i dp a r a m e t e r sa r ea d j u s t e d t h i sw i l l e n s u r et h es y s t e mt oh a v em o r ee x c e l e n tp e r f o r m e n c ei nr e s p o n s i v e n e s s ，s t a b i l i t y a n da c c u r a c y s y s t e mw i t t lp i da l g o r i t h ma n dp a r a m e t e r ss e l f - t u n i n gi sd i s i g n e da n d a n a l y z e dw i t hc o m p u t e ra i d e d i nt e r m so fp l cc o n t r o ls y s t e md e s i g n s 7 - s c ll a n g u a g ei su s e df o rw r i t i n g t e m p e r a t u r ep r o g r a m s m o r e o v e r , ag u ii sd e s i g n e db yc o n f i g u r a t i o ns o t t w a r et o i m p l e m e n ts y s t e md e b u g g i n g u l t i m a t e l yr e a l i z i n gt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o g r a m b a s e do np i da l g o r i t h ma n dp a r a m e t e r ss e l f - t u n i n go np l c p l a t f o r m i nt h ec e r t a i n t ye x p e r i m e n to ft h i sh y d r a u l i cs o u r c et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m w i t ha l lk i n d so f p o w e ra n df l o w , s o m er e s u l t sa r ef o u n da sf o l l o w i n g s ： 1 i t sv e r yi m p o r t a n tt oc h o o s et h ep r o p e ri n i t i a lp a r a m e t e r si np i dc o n t r o l m e t h o d ，i n c l u d i n gk p 0 ，k i 0a n dk d o n e i t h e rc h o o s i n gt h ep a r a m e t e rt h a tw i l lm a k e s y s t e mo s c i l l a t e da n dd i v e r g e n t m e a n w h i l ei t sp r o p e rt oi m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e r t h es e l e c t i n go fs c a l i n gf a c t o r a st ot h e i ra p p l i c a t i o ni na c t u a l s y s t e m ，t h e s e p a r a m e t e r sa r er e p e a t e d l ya d j u s t e di nf i e l dt e s tt oe n s u r et h em o s tp r o p e rv a l u e sf o r t h eb e s ts y s t e mp e r f o r m a n c e 一i i 摘要 2 t h ed i m e n s i o no ff u z z yl o g i c a lr u l e si sb e t 【e rt ob e a p p r o p r i a t ew h i l e r e a l i z i n gp r o g r a ma l g o r i t h mw i t hp l cc o n t r o l l e ro rt h eo p e r a t i n gw i l lb es l o w e d d o w na n dt h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eb a d l ya f f e c t e d 3 f u z z yc o n t r o li sg r e a t l yd e p e n d e n to nh u m a ne x p e r i e n c e t h ed e v e l o p m e n t o ft u n i n gr u l e si se s t a b l i s h e do nr e p e a t e d l yt e s to fs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h e s e p a r a m e t e r s ，e s p e c i a l l yt h es c a l i n gf a c t o r , s h o u l db eo p t i m i z e di nt h i sp r o g r e s s 4 i t sak e yq u e s t i o nt oi m p r o v et h es y s t e ma n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yd u r i n gt h e p r o c e s so fp l c c o n t r o l l e ds y s t e md e s i g n ，w h i c hw i l la f f e c tt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e d p e r f o r m a n c eg r e a t l y m o r e o v e r , t h ed i f f e r e n t i a ll i n ki se s p e c i a l l ys e n s i t i v et ot h e i n t e r f e r e n o e s os o m em e a s u r e ss h o u l db et a k e nt or e d u c et h ei n t e r f e r e n c ef o rt h e p u r p o s eo f a v o i d i n gs y s t e mo s c i l l a t i n g k e y w o r d s ：h y d r a u l i cs o u r c e ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；s e l f - t u n i n gf u z z yp i d c o n t r o l ；s y s t e md e s i g n ；s i m u l a t i o n ；p l c i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：徐砝寿签字同期： 刀刃年7 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥姿盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权迸江盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 签字日期：刀诃年7 月哆护日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 导师签名 枢彳劳 签字日期：痧7 年7 月幻日 电话 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 液压源是液压系统的重要组成部分，其为液压系统提供必须的压力与流量， 并调节油液参数使之满足系统性能的要求。在液压源调节的参数中，温度参数 是油液重要的控制参数之一，温度将直接影响液压油的另一关键性能参数 粘度，液压油的粘度一温度特性曲线如图1 - 1 所示。 图1 - 1 液压油枯度一温度特性曲线 由图1 1 可知，各种类型的液压油的粘度皆随温度的升高而降低”。因此 为保证液压系统的性能，有必要对其温度进行控制，防止油温过高导致油液粘 度下降，进而造成系统压力调节不稳，泄漏增加，油液氧化加剧甚至导致气穴 产生，系统工作性能下降。一般工业应用液压油的温度控制要求见表1 - l 。 表1 - l 一般工业应用液压油温控标准 8 5 危险温度范围绝对不可使用 7 0 极限温度领域 液压油的寿命短，必须设 置油冷却器，每上升一度 5 5 注意温度领域 寿命减低一般 4 5 安全温度领域在此温度之间 3 0 理想温度领域调节至适当温度 启动时没有危险，但由于 1 0 常温领域 粘度增加而效率降低 0 低温领域启动时有危险 如表1 1 所示，液压系统工作温度一般在：3 0 5 5 为宜【2 】，由于温控范 一1 一 人型液眶源温度控制系统研究 围很宽，控制难度不高。在液压试验台的应用场合中，由于需要严格控制液压 元件的性能指标( 例如液压阀的泄漏量、泵的容积效率等) ，这对液压油的温度 控制提出了更高的要求。如表1 2 所示 3 1 。 表1 2 液压元件试验台被测参量平均显示值的允许变化范围 测量参量 各测量准确度等级对应的被测参量平均显示值的允许变化范围 ab c 国家标准将液压元件测量时的温控要求分为三个等级：a 级l ，b 级 2 c ，c 级5o c 。设计满足国标b 级要求的大型液压温控系统是本论文的研究 重点。 液压源温控系统一般由加热器和冷却器组成。对于大功率液压系统，由于 液压系统效率较低，仅依靠系统自循环发热即可达到快速升温目的，故大功率 液压源温控系统设计时也可省略加热器，通过冷却器平衡系统发热达到温度控 制的目的。在大功率液压温控系统的冷却器通常采用管壳式热交换器或板式换 热器。液压源温度控制系统本质上是一种大时滞、非线性、时变系统，对于此 类系统的控制方法有：p i d 控制、模糊控制、模糊p i d 复合控制、自适应神经 网络控制等。在对复杂时滞系统的控制过程中，采用模糊p i d 复合控制算法， 即使用p i d 算法进行实时控制，同时采用模糊规则对p i d 参数进行在线自整定a 这种方法结合了p i d 控制稳念过程无静差与模糊控制不依赖系统数学模型、抗 干扰能力强两种控制算法的优点，具有较强的实用价值。 1 2 热交换器的分类与特点 热交换器是一种将某种流体的热量以一定的传热方式传递给他种流体的设 备，广泛应用于工业生产中流体冷却，余热回收，热能输送等场合。按照传递 热量的方式来分，热交换器分为：间壁式、混合式、虚热式三大类。间壁式： 即热流体和冷流体间有一层固体壁面，一种流体恒在壁的一侧流动，而另一种 流体恒在壁的他侧流动，两种流体不直接接触，热量通过壁面进行传递。混合 式( 或称直接接触式) ：这种热交换器内依靠热流体与冷流体的直接接触而进行 传热，例如冷水塔及喷射式热交换器。蓄热式( 或称回热式) ：其中也有固体壁 面，当两种流体并非同时而是轮流地和壁面接触。当热流体流过时，把热量储 蓄于壁内，壁的温度逐渐升高；而当冷流体流过时，壁面放出热量，壁的温度 逐渐降低，如此反复进行，以达到热交换的目的，例如炼钢厂的热风炉。由以 上介绍可知：适用于液压温控系统的是间壁式热交换器。下面介绍几种常见的 - 2 浙江人学硕i 二学位论文 间壁式热交换器及其特点【4 1 。 ( 1 ) 沉浸式热交换器，常用直管( 或称蛇管) 或螺旋状弯管( 或称盘香管) 组成传热面，将管子沉浸在液体的容器或池内，如图1 - 2 所示。该此类热交换 器优点是：构造简单，制作、修理方便，容易清洗等，缺点是：传热系数低， 体积大。由于更换方便，适用于有腐蚀性的流体。 fii 1 藿 l ( a ) 螺旋状弯管 图i - 2 沉浸式热交换器示意图 ( b ) 直管 ( 2 ) 喷淋式热交换器，将冷却水直接喷淋到管的外表面上，使管内的热的 流体冷却或冷凝，其结构如图1 3 所示。其优点是：结构简单，易于制造和检 修，便于除垢，传热效果较好，适用于高压流体和腐蚀性流体。缺点是：冷却 水较少时，下部管子不能被涧湿，几乎不参与换热，石油产品和有机体的冷却 不宜采用这种换热方式：其金属消耗量也比较大。 ( 3 ) 套管式热交换器，将不同直径的两根管子套成的同心套管作为元件， 把多个元件加以连接而成的一种热交换器，其结构如图1 - 4 所示。优点是：结 构简单，适用于高温、高压流体，特别是小流量流体的传热，也适用于易生污 垢的流体。缺点是：流动阻力大，金属消耗多，体积大，占地面积大。 图1 - 3 喷淋式热交换器图1 4 套管式热交换器 ( 4 ) 管壳式热交换器( 或称列管式热交换器) ，是在一个圆筒形壳体内设 置许多平行的管子( 或称管束) ，让两种流体分别从管内空间( 或称管程) 和管 外空间( 或称壳程) 流过进行热量的交换。其结构如图1 - 5 所示。管壳式热交 一3 一 大型液压源温度控制系统研究 换器的优点是：结构简单，造价较低，选材广泛，能适应高温高压的要求，可 对含固体颗粒介质换热。缺点是：体积大，占地大，传热系数相对较低，检漏 困难。管壳式热交换器是目前工业生产中应用最为广泛的一种热交换设备。 - ( a ) 管壳式热交换器结构示意图 ( b ) 实物图 图1 5 管壳式热交换器 ( 5 ) 板式热交换器，是由一系列互相平行、具有波纹表面的薄金属板相叠 而成，按结构可细分为：可拆卸式( 密封挚式) 、全焊式和串焊式三类。其中可 拆卸式板式换热器结构如图1 - 6 所示。板式热交换器的优点是：传热系数相对 较高，占地面积小，末端温差小，污垢系数低，清洗方便。缺点是：工作压力 低( 2 5 m p a ) ，工作温度在2 5 0 以下，不宜进行易堵塞介质的换热，一般应 加装过滤器。板式换热器是新型高效紧凑的热交换器，在工业生产中得到广泛 应用【5 1 。 图1 6 可拆卸板式热交换器结构图 1 固定压紧板2 连接口3 垫片4 板片 5 活动压紧板 6 下导杆7 上导杆8 夹紧螺栓 9 支柱 其他类型热交换器还有：螺旋板式换热器、板翅式热交换器、翅片管热交 一4 一 浙江大学硕上学位论文 换器、热管热交换器、蒸发冷却器、微尺度热交换器等。不同换热应用场合应 使用不同类型的热交换器，在液压温度控制系统中得到广泛应用的主要是：管 壳式热交换器和板式热交换器两大类。 1 3 大滞后温度控制算法的研究与发展 1 3 1 继电器控制 传统的继电器调温电路简单实用【6 7 1 ，通过继电器的通断来控制加热状态， 但由于继电器动作频繁，可能会因触点不良而影响正常工作。文献1 6 j 提出改进 的电路，采用主回路无触点控制，克服继电器接触不良的缺点，且维修方便， 其共同的缺点是继电器只有“0 ”、“l ”两种状态，所以超调较大，精度不高， 温度控制范围较小。 1 3 2 p i d 控制 p i d 控制即比例、积分、微分控制。自1 9 世纪4 0 年代被提出以来，广泛 应用在工业生产中，由于其结构和算法简单实用，在相当广泛的过程控制中可 以达到满意的控制效果。p i d 调节器有位簧式和增量式两种控制算法，由于增 量式实时性和安全性都优于位置式，因而得到了广泛的应用。p i d 控制器使用 误差e 作为输入量，并根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制量， 实现闭环控制。p i d 控制算法中三个组成部分控制作用特点如下： ( 1 ) 比例环节p ，系统一有误差e ，控制器立即就有控制作用，使被控对象 朝着误差减小的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数郧，加大印可减 少静差，但郧过大会导致系统超调增大，使系统的动态性能变坏。 ( 2 ) 积分环节，只要存在误差e ，就对误差进行积分，有利于消除系统的静 差。但积分控制作用具有滞后特性，积分系数局太大会使系统动态品质变差， 以至于导致闭环系统不稳定。 ( 3 ) 微分环节d ，通过对误差e 进行微分，便于对误差的变化趋势及早判断， 增大微分系数k o 可以加快系统响应速度，使超调量减小。缺点是对系统干扰 同样敏感，降低了系统对干扰的抑制能力。 p i d 调节器的缺点是现场p i d 参数整定麻烦，须较精确的被控对象模型， 本质上是一种线性控制，外界干扰和参数时变会使控制漂离最佳状态忙j 。 1 3 0s m i t h 预估控制 s m i t h 预估控制是得到广泛应用的时滞系统的控制方法【9 i o o 该控制方法是 预先估计系统在基本扰动下的动态特性，然后对时滞进行补偿，使延迟的被调 量超前反映到调节器，调节器就会提前动作，从而抵消时滞特性所造成的影响， 减小超调量，提高系统稳定性，加速调节过程，提高系统快速性。 从理论上分析，s m i t h 预估器可以完全消除时滞的影响，成为一种对线性、 时不变和单输入单输出时滞系统的理想控制方法。但是s m i t h 预估器需要确定 一5 一 大型液压源温度控制系统研究 被控对象的精确数学模型，当预估模型和实际对象不匹配时，控制效果较差； 当对象参数变化范围较大时，s m i t h 预估器将完全失效，甚至不及常规反馈控 制方法：对于干扰的控制效果很差，这些问题影响了s m i t h 预估器在实际应用中 的控制性制1 “。 1 3 4 大林算法 大林算法是由美国i b m 公司的d a h l i n 于1 9 6 8 年针对工业过程控制中的纯 滞后特性提出的一种控制算法。该算法设计了一个数字调节器，整个系统的闭 环传递函数相当于带有纯滞后的一阶惯性环节，而且要求闭环系统的纯滞后时 间等于被控对象的纯滞后时间。d a h l i n 算法比较简单，只要能设计出合适的且 可以物理实现的数字调节器，就能够有效地克服纯滞后的不利影响，因而在工 业生产中得到广泛应用。但是采用d a h l i n 算法设计的系统，其快速性受到限制， 当期望闭环传递函数的时间常数比较小时，调节器输出产生严重的振铃现象， 当消除振铃极点后，其调节时间增加i l z j 。 实际存在的问题是：该控制方法需要被控对象的精确模型。如果在设计控制 系统时，依照某一对象传递函数进行设计，一旦对象参数在运行过程中发生变 化或对象的传递函数不精确，按原参数设计的预估器就不能完全补偿对象的纯 滞后卅。 1 3 5 神经网络控制 神经网络作为当前重要的一种人工智能信息处理技术与方法，采用数理模 型的方法模拟生物神经细胞结构及其对信息的记忆和处理过程。神经网络的最 小组成功能单元称为神经元，由大量的神经元广泛连接形成各种复杂网络，其 运算功能由各种不同的算法实现，其中误差反向传播算法( 即b p 算法) 应用最为 广泛。神经网络以其高度的非线性映射，自组织与自学习及联想记忆等功能， 可对复杂的非线性时变系统建模，通过训练方法实现神经网络的自学习过程， 即根据事先定义好的学习规则，按照提供的学习实例，调节网络系统各节点之 间相互连接的权值大小，从而达到记忆，联想，归纳等目的眇1 7 】。神经网络的 缺点是算法较复杂，执行的是一个非线性梯度寻优过程，故收敛较慢，且容易 陷入局部极小点。 1 3 6 模糊控制 模糊控制是基于模糊逻辑描述过程的控制算法，主要依据操作人员的经验 和专家知识，适用于控制较难取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化 的对象。对被控对象参数的变化具有较强的鲁棒性，对于外界的干扰具有较强 的抑制能力等特点。模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制 策略又是人们通过学习、试验及长期经验积累而逐渐形成的，存贮在操作者头 脑的一种技术知识集合。模糊控制一般是根据测量值与设定值的偏差和偏差变 化率进行离线制表、在线查表来取得控制输出量，从而达到控制对象的目的。 一6 一 浙江人学硕j ：学位论文 模糊控制具有多值逻辑模型，其输入输出特性具有多值继电器特性，显然 动静态控制性能要优于二值继电器。同传统的p i d 控制相e e ，模糊控制响应快， 超调量小，参数变化不敏感，可有效克服温控系统的大滞a t l 8 - 2 0 ，缺点是不易 实现稳态控制无静差。 1 3 7f u z z y - p i d 复合控制 p i d 控制以其结构算法简单，稳态无静差等优点而广泛应用于实际工业过 程。由于工业过程都不同程度地存在非线性、纯滞后，同时有些过程很难建立 或不能建立精确的数学模型，甚至伴随参数时变，因而常规p i d 无法实现精确 控制，其主要缺点在于系统响应时间与超调之间存在不易解决的矛盾；而模糊控 制最大的优点在于响应速度快，超调量小，适应能力强，缺点是：由于模糊等级 所限，稳态精度不够高。f u z z y - p i d 复合控制将二者的优点统一起来，如在温 度控制系统中，当温度偏差较大时采用f u z z y 控制，响应速度快，动态性能 好，当温度偏差较小时采用p i d 控制，使其得到较好的静态性能，满足系统控 制精度，从而f u z z y p i d 复合控制具有更好的控制性能1 2 ”。另外，模糊p i d 参数自整定也是智能p i d 参数自整定的一个热点，该方法是以偏差( e ) 和偏差变 化率0 c ) 为依据，根据 、鼢、j 甜整定规则及专家的经验知识，分别确定的调 整规则，经模糊推理和模糊运算判决出参数的数值，以达到在线智能自整定的 作用，从而实现快速响应特性与超调量最优的统一，相关参数整定思想如下： ( 1 ) 差值e 较大时，为加快跟踪性能，应取较大j p 和较小k d ，为了避免出 现大的超调，常取k i = o 。 ( 2 ) 差值e 中等时，为减少超调 应减小些，此时k d 、k i 取值须适当。 ( 3 ) 差值e 较小时，为了较好的稳态性能，p 和船应取大些，同时为避免 系统在设定值附近出现振荡，应适当选择k d 。 1 3 8 自适应神经网络模糊推理系统 温控系统由于被控过程常常伴有严重的非线性、时变性、大滞后以及大量 现场干扰，这使得基于精确数学模型的传统控制方案很难获得满意的动静态控 制效果【2 o l 。近些年来模糊逻辑控制取得了巨大成功。但是模糊控制所基于的 专家经验不易获得，并且模糊建模的主观性对控制效果的影响相当大。因此模 糊控制开始向自适应方向发展。自适应神经网络模糊推理系统提供了一种非常 有效的途径，利用神经网络的学习能力计算出隶属度函数的参数以及相应的模 糊规则，以得到所需模糊系统的核心模糊推理规则库，从而可以达到更高 的控制精度，具有极强的鲁棒性和自适应能力。通常采用三层前向模糊b p 神 经网络，选择温度采样误差值、误差积分以及变化率作为网络输入，用模糊控 制理论赋予隐层含义，确定神经元个数；用高斯函数作为节点激励函数，忽略远 离中心的神经元输出，计算隐层输出；通过给定的教师学习，以调整网络权值， 使目标函数最小，由于模糊隶属度函数参数具有明确的物理意义，因此就更容 易找到一个较好的方法来选择初始参数，从而大大加速了学习过程的收敛速度 大型液压源温度控制系统研究 1 3 1 3 9 ) 。此类控制算法鲁棒性强，适应性好，但计算量大，程序复杂，对控制设 备要求较高。 1 4p i d 控制器参数自整定研究与发展 p i d 三大参数( 比例系数、积分时间、微分时间) 整定的好坏，直接影响p i d 控制器的控制性能，对控制器的鲁棒性具有重要影响。在现代工业控制系统中 存在大量时变、非线性的系统因素和干扰因素，这些因素造成了系统模型参数 的变化甚至模型结构的突变，使得已整定的参数无法保证系统继续稳定工作， 这就要求p i d 控制器具有在线整定参数的功能，其是p i d 控制领域里的研究热 点和难点。 p i d 参数自整定可分成两大类：辨识法和规则法i 柏】。基于辨识法的p i d 参 数自整定，被控对象的特性通过对被控对象数学模型的辨识来得到。基于规则 的p i d 参数自整定，则利用系统临界点信息或系统响应曲线上的特征值来整定 控制器参数。 1 4 1 辨识法 这类方法的本质是自适应控制理论与系统辨识的结合。辨识法适用于模型 结构已知，模型参数未知的对象，采用系统辨识的方法得到过程模型参数，并 结合基于参数估计值调整参数的确定性等价控制规律，综合出所需的控制器参 数；如果被控过程的特征参数发生变化，可以通过最优化某一性能指标或期望 的闭环特性，周期性地更新控制器参数【4 。 在获得对象模型的基础上设计p i d 参数时常用的原理，经典的有：极点配 置法、零极点相消原理、幅相裕度法等；现代的则利用计算机，运用最优化方 法或线性二次型指标等，寻找在某个性能指标下的控制器参数最优值。 ( 1 ) 极点配置法是通过合理选择传递函数零极点位胃，来改善系统的动 态特性和稳定性，使系统具有良好的响应特性。该方法适用于在线辨识参数不 多的二阶或二阶以下对象。 ( 2 ) 零极点相消原理是利用控制器传递函数中的零极点抵消被控对象传 递函数的某些零极点，从而使整个闭环系统工作在期望的状态上。 ( 3 ) 幅相裕度法是利用幅值裕度和相角裕度整定p i d 参数，这能使系统 具有良好的控制性能和鲁棒性能”j 。 ( 4 ) 现代的p i d 参数设计法，在控制器参数需要整定时，给系统一个小 的干扰信号，以估计对象参数，然后运用i s e 指标设计p i d 参数【4 4 j 。 基于被控过程的数学模型求取控制器参数值，关键是要较为精确地获得被 控对象的数学模型，然而对与工业过程中辨识所得到的数学模型一般都含有近 似的部分，不可能做到完全精确，这对控制精度带来影响。再加上辨识工作量 大，计算费时，不适应系统的快速控制，限制了这类方法的应用。 一8 一 浙江大学硕士学位论文 1 4 2 规则法 基于规则的自整定方法，主要有：临界比例度法、阶跃响应曲线模式识别 法和基于模糊控制原理法等方法。 ( 1 ) 临界比例度法 1 9 4 2 年z i e g l e rj g 和n i c h o l sn b 提出了临界比例度法【4 5 j 。它不依 赖于对象的数学模型，通过实验由经验公式得到控制器的近似最优整定参数。 其先在单纯比例作用( p ) 下，将比例增益逐步增a n ( 亦即将比例度逐步减小) ，直 到被控变量出现等幅振荡为止。此时的比例度称为临界比例度，振荡周期称为 临界周期。然后按照一定的公式，由临界比例度和临界周期计算出在采用p 、 p i 或p i d 控制算法时应选取的比例增益( 或比例度) 、积分时间和微分时间的参 数值。 a s t r o m 等人m 提出用继电特性的非线性环节代替z _ n 法中的纯比例控制 器，使系统出现极限环，从而获取所需要的临界值。基于继电反馈的自动整定 法避免了z n 法整定时阳j 长、l 临界稳定等问题，保留了简单的特点，目i ；i 已成 为p i d 自动整定方法中应用最多的一种，4 ”。 ( 2 ) 阶跃响应曲线模式识别法 模式识别的主要出发点是为了避开过程模型问题，用闭环系统响应波形上 的一组能表征过程特性的特征量作为状态变量，以此作为设计通用自整定方法 的依据。在整定过程中，过程连接一个p i d 控制器，构成闭环系统，控制器参 数根据实测的阶跃响应模式与理想响应模式的差别来进行整定1 4 u j 。 ( 3 ) 基于模糊控制的方法 将模糊控制与常规的p i d 控制相结合，利用模糊控制器在线整定p i d 参数， 就构成了模糊p i d 自整定控制器。模糊控制器实现p i d 参数自整定的方法有两 种：一种是直接将模糊控制器构造成具有p i d 控制功能，另一种则用模糊控制 器完成p i d 参数的在线整定。 将模糊控制器构造成具有p i d 功能，这种方式具有多种结构形式，可以将 p i d 控制器三大参数中的任意一个或几个改造成模糊控制器【5 5 1 ，例如：模糊 p i d 、模糊p d + 传统i 、模糊p + 传统i d 等等。这类控制器还可以进一步通过调 整量化因子、比例因子来进行类似于p i d 参数调整的在线自校正p “。 用模糊控制器在线调整p i d 控制器的参数，一般是根据比例系数、积分时 间和微分时间对误差及误差变化的不同作用，由误差及误差变化来调整参数 5 7 1 ；也可以由误差及响应时间来调整参数【5 8 】。另外，也可用响应曲线上的其他 特征量来调整p i d 参数p “。 基于规则的p i d 自整定控制，不依赖于系统的数学模型，具有易于执行且 鲁棒性较强的特点。它能利用专家经验进行整定，其程序设计以逻辑型语句为 主，需要的计算时间较少，可以用于处理较快的控制过程。但这类方法也存在 一些不足，方法的指导原则仍然停留在较弱的理论基础上，它需要丰富的控制 知识，其性能的优劣取决于开发者对控制回路参数整定的经验，以及对反馈控 9 大型液压源温度控制系统研究 制理论的理解程度。 1 5 本文主要完成的工作 本文研究内容是为某大功率液压源设计完成一套高精度的油液温度控制装 置及其控制系统，其控制精度达到国标b 级( 2 ) 要求。本文主要工作分 为如下五个部分进行讨论。 第一章，绪论部分。主要针对热交换器的分类与特点，大滞后温度控制算 法的研究与发展，p i d 控制器参数自整定研究与发展状况进行说明。对题目的 背景与意义及本文的工作进行阐述。 第二章，液压源温控装置设计。介绍大功率液压源的系统构造和组成特点。 对板式热交换器的冷却水路设计方案展开讨论，通过计算校核完成温控装置的 设计，同时对该温控系统的工作原理进行说明。 第三章，参数自整定模糊p i d 温控方法研究及仿真分析。介绍p i d 控制器 及模糊控制器的原理特点和关键问题，引出自整定模糊p i d 复合控制的原理与 设计步骤，最终针对该大功率液压源系统对象设计一种参数自整定模糊p i d 控 制算法并进行仿真分析。 第四章，液压源电控系统实现及温控试验分析。在介绍液压源电控系统的 基础上，引出油液温度控制程序实现的硬件平台p l c 控制系统并给出温控 程序的流程图，液压源油温控制装置与算法在各种工况下进行了验证试验，结 合试验曲线对其性能进行分析，得出结论。 最后对液压源温度控制系统的研究进行全面总结，并对验证试验结论以及 未来可能出现的问题和对策进行讨论。 一1 0 一 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章液压源温控装置设计 本章主要目的：介绍控制对象，明确控制任务，验算系统发热功率及冷却 能力，设计完成温度控制装置。主要内容如下： 介绍大功率液压源的系统构造和组成特点。对板式热交换器的冷却水路设 计方案展开讨论，最终确定合理方案完成水路设计，同时对该温控系统的工作 原理进行说明。本章还计算了不同工况下液压系统的发热功率，最后对换热器 的冷却能力进行校验。 2 2 控制对象分析及温控装置设计流程 2 2 1 液压源设计参数及技术难点 该液压源为某大型液压元件测试试验台供油，液压系统为全封闭系统，采 用闭式压力油箱。其工作参数如表2 - 1 所示。 表2 - 1 液压源主要： 作参数 由上表可知：该大功率液压源，配电功率高达7 0 0 k w ，控制供油最大流量 为3 5 51 m i n ，动力供油流量1 8 0 21 m i n ，则系统总回油流量高达2 1 5 7l m i n ，油 一1 1 大型液压源温度控制系统研究 温控制目标为4 5 c ，控制精度士2 ，冷却水流量为4 5 岔m ，液压源大功率、 大流量的特点对其温控系统设计提出了很高的要求。 液压源共有八大子系统保障其性能指标，它们是：1 动力供油系统，2 控制 供油系统，3 f 氐压蓄能系统，4 弹性模量检测系统，5 抽真空系统，6 补泄油系 统，7 辅助补油系统，8 温度控制系统。本液压源具有三大难点：( 1 ) 压力波动 指标( 5 ) ，( 2 ) 油液弹性模量指标( 术1 0 0 0m p a ，对闭式系统的防泄漏要 求很高) ，( 3 ) 温控精度指标( 士2 ) ，如图2 - 1 所示。 液压源系统三大难点 、 压力波动指标弹性模量指标( 防泄漏) 温控精度指标 关键子系统! 关键子系统 关键子系统 图2 - 1 液压源技术难点及相应关键子系统 液压源的安装布置图，如图2 2 所示。 图2 - 2 液压源安装布置图( 试验阶段) 一1 2 一 圣票 一一一一 雾 浙江大学硕士学位论文 液压源系统参数，如表2 2 所示。 表2 - 2 液压源主要系统参数 2 2 2 液压源控制系统架构 此液压源共有大小电动机1 2 台；现场用于测量压力、位移、温度等模拟量 的传感器有1 7 个；各种监测手动阀门状态的行程开关以及油液污染发讯器等数 字量输入装置4 2 个；需要直接进行控制的装置有接收4 - 2 0 m a 模拟量信号的电 液比例阀1 个以及数字量电磁阀2 4