（机械制造及其自动化专业论文）伺服阀控液压马达速度控制系统性能研究.pdf

山东大学硕七学付论文 摘要 随着控制理论和计算机技术的发展，阀控马达速度控制系统被广泛应用 于矿山、港口、工厂、建筑、海洋等诸多领域在某些应用场合，系统的负 载变化频繁。速度容易受外界干扰的影响。系统的参数会随着工作过程的变 化而变化，因此是一类典型的非线性不确定系统。更好的控制系统的速度， 使之克服外负载和系统模型变化所产生的干扰成为目前研究的一个重要课 题。 论文首先对负载敏感液压综合开发平台阀控马达模块建立了数学模型， 在此基础上介绍了p i d 控制和模糊控制器的基本原理，分别采用积分分离p i d 控制和普通模糊控制方法对实验系统进行仿真，分析了仿真效果。最后提出 了一种基于模糊神经元网络的阀控马达控制方案。采用模糊逻辑和神经元网 络控制策略，设计了新的控制算法来解决阀控马达控制问题系统中，将模 糊控制技术与神经元网络技术相结合，构建了模糊神经元网络控制器，该控 制器结合模糊控制与神经元网络各自的优点，使其既具有模糊控制器简单和 有效的非线性控制作用，又具有神经元网络学习和适应能力。利用神经元网 络实现模糊逻辑推理，神经元网络通过对训练样本的学习，产生、修正并优 化输入输出之间的模糊规则，提高了阀控马达控制系统的自适应能力，改善 7 控制系统的性能。 m a t l a b 仿真结果表明，模期神经元网络控制器应用于阀控马达速度控制可 以获得比传统p i d 控制和普通模糊控制更好的适应能力和稳态性能，从而保证了 阀控马达控制系统的稳定性，满足了实际应用的要求。模糊神经元网络控制器 调试的成功，可作为拓展其他相关研究和实验的有利参考。 关键诃电液伺服；阀控马达；模糊控制；模糊神经网络 生銮盔主堡主兰丝垒塞 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lt h e o r ya n dc o m p u t e rt e c h n i q u e ， v a l v e c o n t r o l l e dm o t o rv e l o c i t ys e r v oc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n ya r e a s ，s u c ha s ：m i n e ，p o r t ，f a c t o r y , b u i l d i n gs i t e ，o c e a na n ds oo n t h e s y s t e m ss p e e dc a n tk e 印s t a b l ew h e ni t sl o a dc h a n g e s a n ds o m ep a r a m e t e r sm a y c h a n g ed u r i n gw o r k i n gp r o c e s s ，s ov a l v e - c o n t r o l l e dm o t o rs y s t e mi s at y p i c a l c o m p l e xn o n l i n e a rs y s t e m t h e r e f o r e ，a tp r e s e n t ，i ti s a ni m p o r t a n tt a s kf u r c o n t r o l l i n gs y s t e m ss p e e da n dc o n q u e r i n gt h ei n t e r f e r e n c e sc a u s e db yt h ec h a n g e s o fl o a da n di t sm o d e l i nt h ep a p e r f i r s t l y , t h em a t hm o d e lo fv a l v e c o n t r o l l e dm o t o rm o d u l eo f e x p e r i m e n t a lf a c i l i t y w a se s t a b l i s h e da n da n a l y z e d b a s e do nt h i s ，t h ep a p e r i n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fp i dc o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o l l e r , a d o p t e d i n t e g r a la p a r tp i da n df u z z ya l g o r i t h m st oc o n t r o lt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h e n a n a l y z e da n dc o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a tl a s t ，an e wc o n t r o ls c h e m eb a s e d o nf u z z yo a u s s i a nn e u r a ln e t w o r k ( f o n c ) f u rv a l v e - c o n t r o l l e dm o t o rw a sp u t f o r w a r d b yu s i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so ff u z z yl o g i ca n dn e u r a ln e t w o r k s ，an e w c o n t r o la l g o r i t h mw a sd e s i g n e dt os o l v et h ec o n t r o lp r o b l e m s t h ef g n c c o n t r o l l e rc o m b i n e df u z z yc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r kt e c h n i q u e i tp o s s e s s e dn o t o n l yt h es i m p l i c i t ya n dt h en o n l i n e a rc o n t r o la b i l i t yo ff u z z yc o n t r o lb u ta l s ot h e l e a r n i n ga n da d a p t i v ef u n c t i o n sb yu s i n gn e u r a ln e t w o r k n e u r a ln e t w o r ki su s e d t oa c h i e v ef u z z yc o n t r o lr e a s o n i n ga n dt oc r e a t e ，c o r r e c ta n do p t i m i z ef u z z yr u l e s b e t w e e ni n p u ta n do u t p u tb yl e a r n i n gf r o mt r a i n i n gd a t a f g n cc o n t r o l l e rc a n r a i s et h ea d a p t a b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e so f v a l v e c o n t r o l l e dm o t o rs y s t e m s i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a lr e s u l t si nm a t l a bs h o w e dt h a tt h ec o n t r o l s y s t e mb a s e do nf g n c c a l la c h i e v eb e t t e rc o n t r o le f f e c t st h a nm a to np i dc o n t r o l o rf u z z yc o n t r o li nt e r m so fa d a p t a b i l i t ya n ds t e a d y s t a t ea c c u r a c y t h es y s t e m h o l ds t a b i l i t ya n ds a t i s f i e da p p l i c a t i o nr e q u e s t s t h es u c c e s si nd e b u g g i n gt h e f g n cc a n p r o v i d ef a v o r a b l er e f e r e n c ei ni n t e r r e l a t e dr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t k e y w o r d s ：e l e c t r o n i c - h y d r a u l i cs e r v o ；v a l v e - c o n t r o l l e dm o t o r ；f u z z yc o n t r o l ； f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叁盘壶日期：竺：12 j 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：燃导师签名 日期：彬川庐 山东大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 液压伺服控制系统的发展概况 液压伺服控制技术是一门比较新的科学技术，它不但是液压技术中的一个分 支，而且也是控制领域中的一个重要组成部分。液压伺服控制系统是由液压控制 组件和液压执行组件作为动力机构组成的控制系统。它不仅具有液压传动所固有 的一系列优点，同时还具有高精度、高响应等显著优点1 1 l 。 早在第一次世界大战前，液压伺服控制已经开始应用于海军舰艇中，作为操 舵装置。第二次世界大战期间及其以后，由于军事的需要，自动控制特别是武器 和飞行器控制系统的研究开发工作得到了进一步的发展。液压伺服控制系统由于 体积小、质量轻、响应快、精度高，抗负载的刚度大而特别受到重视。近几十年， 由于整个工业技术的发展，尤其是军事和航空航天技术的发展，促使液压伺服控 制得到迅速发展，使这门技术无论在元件和系统方面，还是在理论与应用方面都 日趋完善和成熟。 机械液压伺服控制出现较早，用在飞机上作为液压助力器，操纵飞机舵面。 二十世纪四十年代，首先在飞行器上出现了电液伺服系统，但该系统中作为电液 转换器的滑阀由伺服电机驱动，。由于伺服电机时间常数较大，因此限制了电液伺 服系统的响应速度。五十年代初，出现了快速响应的永磁力矩马达，力矩马达与 滑阀结合，形成了电液伺服阀。五十年代末，又出现了以喷嘴挡板阀作为第一级 的电液伺服阀，进一步提高了伺服阀的快速性。到六十年代，各种结构的电液伺 服阀相继出现，其性能日趋完善。 目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统已经成为武器自动化和工业自动化 的一个重要方面。凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统都已经有了应用。 在国防工业中，应用于飞机的操纵系统、导弹的自动控制系统、火炮操纵系统、 坦克火炮稳定装置、雷达跟踪系统和舰艇的操舵装置等系统中【2 l 。在一般工业中， 用于机床、冶炼、轧钢、铸锻、动力、工程机械、矿山机械、建筑机械、船舶等 系统中同【4 l 。 1 2 液压伺服控制的分类 液压伺服控制系统可按不同的原则分类，每一种分类的方法都代表系统一定 特点嘲。 ( 1 ) 按系统输入信号的变化规律分类 山东大学硕+ 学位论文 液压伺服控制系统按输入信号的变化规律不同可分为：定值控制系统、程序 控制系统和伺服控制系统。 ( 2 ) 按被控物理量的名称分类 按被控物理量的名称不同可分为：位置伺服控制系统、速度伺服控制系统、 力控制系统和其他物理量的控制系统。 ( 3 ) 按信号传递介质的形式分类 按系统中信号传递介质的形式或信号的能量形式可分为：机械液压伺服系统、 电气液压伺服系统和气动液压伺服系统等 ( 4 ) 按液压动力元件的控制方式或液压控制元件的形式分类 液压伺服系统可分为：节流式控制( 阀控式) 系统和容积式控制( 变量泵控 制或变量马达控制) 系统两类。其中，阀控系统又可分为阀控液压缸系统和阀控 液压马达系统两种；容积式控制系统又可分为伺服变量泵系统和伺服变量马达系 统两种。 阀控系统的优点是响应速度快、控制精度高，结构简单；缺点是效率低。由 于它的性能优越，得到了广泛的应用，特别是在快速、高精度的中、小功率伺服 系统中应用很广泵控伺服系统的优点是效率高，缺点是响应速度较慢、结构复 - 杂。另外操纵变量机构所需要的力较大，需要专门的操纵机构，还常需要单独的 能源，使系统复杂化。泵控系统适用于大功率而对响应速度要求不高的场合。 1 3 液压伺服控制技术的发展趋势 随着计算机和电子技术的发展。液压伺服控制正朝着如下几个方向发展嘲【7 】： ( 1 ) 高压大功率 高压的目的是为了减轻系统的重量及结构尺寸，大功率是为了解决大惯量与 重负载的拖动问题。高压大功率系统的研究与应用对航空航天技术显得尤为重要。 ( 2 ) 可靠性 液压控制设备一般都是高性能的机器，对油的污染和温度的变化都很敏感， 把这种机器应用于飞行器上，一开始可靠性就是一个重要课题。在现在飞行器应 用功能越来越复杂的情况下。可靠性也就显得越来越重要。为了提高可靠性，除 一方面对机器本身的研究与改良以及增加检测与诊断技术外，目前正在采用余度 技术与重构技术，采用了三通道或四通道的余度构成系统。 ( 3 ) 理论解析与特性补偿 电液伺服控制的理论解析在二十世纪五、六十年代前半期曾盛行一时，就伺 服机构本身的理论可以说大体上已经解决了近期的研究倾向是利用计算机对复 杂系统( 如多变数液压系统) 、复杂因素( 非线性及时变等) 进行仿真分析研究，其 山东大学硕士学位论文 中大量的研究是围绕动态特性进行的。随着系统应用的目的多样化，控制对象也 越来越复杂，大惯量、变参数、非线性及外干扰在实际应用中经常遇到。要使这 些系统具有满意的性能，必须研究系统的性能补偿问题并运用近代控制策略。 ( 4 ) 同微机的结合与高精度 目前电液伺服控制己从模拟控制转为以微机控制与数字控制为主，把微机放 入控制回路之内进行实时控制时就有很多问题需要研究。例如计算机速度问题， 电液伺服机构如何与计算机配置的问题，以及离散化带来的一些问题。直接与数 字机结合需要发展液压数字技术，目前已产生了各种形式的数字阀、数字缸及高 速开关阀等。众所周知，利用计算机可以进行更复杂的功能控制。电液伺服控制 与计算机的结合，提供了计算机创造的全部奇迹与大功率液压伺服控制之间牢固 的、精确的、高性能的联系，产生了各种所谓智能化的电气液压伺服控制系统。 1 4 课题的提出和本课题的主要工作 1 4 1 课题的提出 液压马达速度伺服系统是工程上常用的伺服控制系统，它具有响应速度快、 功率重量比大、负载刚性高和性能价格比高等特点，能实现高精度、高速度和大 功率的控制，因此在航空航天、冶金、船舶、机床、动力设备和煤矿机械等工业 领域得到了广泛采用。在工程实际中，经常要对控制对象进行速度调节，要使控 制对象以一给定的速度运动，并且对这一速度提出了较高的要求，即控制体的速 度在被控制期间要恒定，当受到外界负载波动影响时，速度波动值尽可能小，速 度要平稳。例如在机床的进给运动中，对工作台的速度精度要求很高，如果速度 达不到控制要求，致使工件和刀具的相对位置产生变化，形位误差将加大，加工 精度降低，速度波动大时，加工表面容易产生波纹，降低表面粗糙度，并会产生 噪声，使加工环境恶劣。另外液压绞车目前广泛应用于海洋拖曳、电梯轿厢提升、 矿山调度等场合，由于外界环境因素的影响，如海浪、海流、货物重量等的不断 变化，它的负载也在不断变化，这就对绞车的稳定运行造成了很大干扰，尤其是 海洋绞车或水下绞车，由于工况比较复杂，受到的干扰更大。如果不采取有效的 控制手段，绞车的收放速度就不可能稳定，有时甚至无法正常工作嗍。 为提高控制精度和动态性能，液压伺服系统一般在闭环情况下使用。随着控 制理论的发展，涌现出许多新型的具有良好控制性能的控制理论唧，但是液压伺服 系统普通存在非线性，且至今没有能够很好地解决这一难题。液压伺服系统的非 线性主要由电液转换与控制元件( 伺服阀，比例阀或数字阀) 的节流特性，包括阀 零位附近的不灵敏性、最大开口附近的流量饱和特性、阀流量方程的非线性以及 山东大学硕+ 学伊论文 温漂等，和液压动力机构的滞环、死区及限幅等因素引起【1 “。对于由后者引起的 非线性( 通常称为本质非线性) ，采用描述函数法己能获得较好的结果；而对前者 日前还没有比较满意的统一处理方法，现有的处理方法是将描述系统特性的动态 方程中的非线性项在工作点附近增量线性化( 即取台劳级数展开式的一次项) 。从 而把非线性系统近似转化为工作点附近的增量线性系统【1 1 1 。这种处理方法对于系 统给定量较小，且外负载不大，经常工作在额定工作点附近的电液伺服系统是可 行的。然而近代液压伺服系统往往要求系统具有点点跟踪任意非线性函数的能力 并且能够承受较强的外负载干扰，因此工作过程中系统的工作点在较大范围内变 化，从而增量线性化理论难于奏效【1 2 1 目前解决这一问题可参考的方法有两种： 一种是基于对象线性模型，采用具有较好自适应性和智能性的鲁捧控制策略来处 理工作点变化和系统非线性引起的不定性；另一种是对非线性对象在大范围内精 确线性化，采用非线性系统的几何控制理论来设计非线性状态反例 i 。 智能控制的概念主要是针对被控系统的高度复杂性、高度不确定性和人们要 求越来越高的控制性能指标提出来的【1 4 1 1 5 1 。模糊逻辑控制和神经元网络控制都是 智能控制的重要方法，它们在信息的加工处理过程中，均表现出很强的容错能力。 从工程角度来看，对神经元网络与模糊系统的研究，主要是为了处理那些由于不 确定性、不精确性以及噪声所引起的困难。神经元网络是从生理结构上模仿人脑 神经元的功能，可作为一般的函数估计器，能够映射输入输出关系，它具有自学 习能力和大规模并行处理能力，在认知上比较擅长。而模糊逻辑则是模仿人脑的 逻辑思维机理，用于处理模型未知或不精确的控制问题，它能够充分利用学科领 域的知识，以较少的规则数来表达知识，在技能处理上比较擅长。 神经元网络控制和模糊控制各有其自身的优缺点口6 】。神经元网络控制以神经 元网络连接主义理论为基础，在智能实现方面更能接近人脑的自组织和并行处理 等功能，具有较强的学习能力其缺点是它的内部知识表达方式物理意义不明确， 不能利用必要的初始经验知识，权值的收敛速度慢。易陷入局部极值。模糊控制 以模糊逻辑和语言规则为基础，抓住人脑思维的模糊性特点，来模仿人的推理过 程进行模糊推理，善于表达近似与定性的知识。但是模糊控制缺乏学习能力。只 能凭主观或通过试凑的方法确定隶属函数和模糊规则，不能根据积累的经验自动 地改善系统地性能。而人思维的容错能力，正是源于思维方法上的模糊性以及大 脑本身的结构特点两个方面的综合。所以，将神经元网络与模糊系统相结合，便 成为一种很自然的趋势。 。 1 4 2 本论文的主要工作 液压伺服控制系统中，关于阀控液压缸对位移或输出力控制系统的研究较多， 山东大学硕士学伊论文 而对阀控马达的高转速控制研究则相对较少本论文利用实验室的现有设备 负载敏感液压综合开发平台，充分利用计算机控制的优越性，对阀控液压马达转 速控制进行了深入综合研究。由于阀控马达系统具有非线性、时变、受外界扰动 作用影响较大的特点，因此是一个典型的复杂非线性不确定系统。论文首先对实 验台阀控马达模块建立了数学模型，在此基础上采用基于对象模型的积分分离p i d 控制和普通模糊控制方法对实验系统进行了仿真，最后提出了一种基于模糊神经 元网络的阀控马达控制方案。采用模糊逻辑和神经元网络控制策略，设计了新的 控制算法来解决阀控马达控制问题系统中，将模糊控制技术与神经元网络技术 相结合，构建了模糊神经元网络控制器，利用神经元网络实现模糊逻辑推理，神 经元网络通过对训练样本的学习，产生，修正并优化输入输出之间的模糊规则， 提高了阀控马达控制系统的自适应能力，改善了控制系统的性能。模糊神经元网 络控制器的成功调试，为拓展其它相关研究和实验奠定了坚实的基础，同时具有 较高的工程应用价值。 山东大学硕士学付论文 第2 章阀控马达速度控制系统建模研究 2 1 阀控马达速度控制系统液压原理 本课题针对山东大学“9 8 5 ”一期重点建设项目负载敏感液压综合开发平 台中阀控马达模块进行研究。负载敏感液压综合开发平台主要包括以下几个功能： ( 1 ) 能够进行伺服控制的泵控马达、阀控马达的科研开发和教学实验工作。 ( 2 ) 能够进行位置( 转角) 、速度( 角速度) ，力( 力矩) 、加速度等控制系 统研发工作，并能实现液压缸、液压马达的同步控制。 ( 3 ) 能够进行液压泵、液压缸，液压马达、板式液压阀的主要性能测试。 ( 4 ) 能够进行液压比例方向阀、压力阀、流量阀的主要性能测试。 其中的阀控马达速度控制模块实物如图2 一i 所示。 图2 一l 阀控马达速度控制模块实物 阀控马达速度控制模块液压原理如图2 2 所示电动机l 带动主泵3 通过过 滤器2 吸油，伺服阀7 的输入电压信号为【一i o v ，1 0 v 】，加载泵1 0 ，单向阀桥1 l ， 比例溢流阀1 3 以及补油泵1 2 共同组成模拟负载部分。工作时加载泵一直处于强 制卸荷状态，通过改变比例溢流阀的输入电压信号，既可以使马达8 获得不同的 负载，通过实时调节伺服阀的输入电压信号从而可以改变阀芯位移，使马达进油 腔的流量保持不变，以此来获得恒定的转速。 山东大学硕士学位论文 5 图2 - - 2 阀控马达速度控制模块液压原理图 1 电动机；2 啦滤器；卜主泵；4 - 一溢流阀；卜压力表；6 _ 啦滤发讯器：7 伺服阀；8 - - 马达；9 _ 啭矩转速传感器；l 卜加载泵；1 1 单向阔；1 2 丰卜油 泵；l 卜比例溢流阀 2 2 阀控马达动力机构传递函数 阀控液压马达原理图如图2 - - 3 所示，由零开口四边滑阀和液压马达组成i 切 图2 3 阀控马达原理图 山东大学硕+ 学位论文 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ _ _ - - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - 一i l l _ _ _ - 2 2 1 基本方程 根据基本方程，即液压控制阀的流量方程，液压马达的流量连续性方程和液 压马达与负载的力平衡方程，推导阀控液压马达的传递函数。 ( 1 ) 滑阀的流量方程 假定：阀是零开口四边滑阀，四个节流窗口是匹配和对称的，供油压力见恒 定，回油压力岛为零；阀的线性化流量方程为 舰= k 嘶一k 舰( 2 - 1 ) 式中k _ 流量增益 疋流量一压力系数 为了简单起见，仍用变量本身表示它们从初始条件下的变化量，则 q l = k 却一k c p l ( 2 - - 2 ) 位置伺服系统动态分析经常是在零位工作条件下进行的，此时增量和变量相等。 由于液压马达的外泄漏和压缩性的影响，使流入液压马达的流量g i 和流出液压马 达的流量吼不相等，为了简化分折，定义负载流量为 q l = 掣粤 ( 2 3 ) ( 2 ) 液压马达流量连续性方程 假定：阀与液压马达的连接管道对称且短而粗，管道中的压力损失和管道动 态可以忽略；液压马达每个工作腔内各处的压力相等，油温和体积弹性模量为常 数；液压马达内、外泄漏均为层流流动。 流入液压马达进油腔的流量g i 为 吼= 域誓+ 一见) + 乞a + 著鲁 ( 2 - 4 ) 从液压马达回油腔流出的流量吼为 口：= 巩警+ 巳( a p 2 ) 一气p ：一薏鲁 ( 2 - 5 ) - 8 - 山东大学硕士学位论文 式中巳液压马达的转角； 见液压马达的排量 液压马达内泄漏系数； e 。掖压马达外泄漏系数； k 液压马达进油腔的容积( 包括阀、连接管道和进油腔) ； k 液压马达回油腔的容积( 包括阀、连接管道和回油腔) ； 屈有效体积弹性模量 在式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 中等号右边第一项是推动马达运动所需的流量，第二项是 马达的内泄漏流量，第三项是马达的外泄漏流量，一第四项是油液压缩和腔内变形 所需的流量。 液压马达工作腔的容积可写为 k = + 见色( 2 - 6 ) 7 22 一以( 2 7 ) 式中。进油腔的初始容积： 回油腔的初始容积。 由式( 2 - - 3 ) ( 2 - - 7 ) 得流量连续性方程为 吼= 半= 吃警+ 吒( p l 训+ 争p l 训 + 2 - 另( v o t 百d p l 一+ 箦謦+ 争 s ， 在式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 中，外泄漏流量c 二a 和c k 见通常很小，可以忽略不计 如果压缩流量甍鲁和丑p , 亟d r , 相等，贝i j 碍l - q 2 因为阀是匹配对称的，所以通 过滑阀节流口1 、2 的流量也相等。因此动态时见= p j + 见仍近似适用。由于 见= p i p ：所以a = 垦去丝，见= 毕从而有 山东大学硕士学位论文 血；三亟。一亟( 2 9 ) d t2d td f 要使压缩流量相等，就应使液压马达两腔的初始容积。和相等，即 矿 = = = ( 2 - - 1 0 ) 式中液压马达腔的平均容积； k 总压缩答积。 由于巩吃“，鲁+ 警枷，则式( 2 唱) 可简化为 吼= 见鲁+ 巳见+ 老誓 式中c k 液压马达总泄漏系数，c 埘= c 埘+ 争。 式( 2 - - 1 1 ) 中右边第一项是推动液压马达转动所需的流量， 流量。第三项是总压缩流量。 第二项是总泄漏 ( 3 ) 液压马达负载力平衡方程 液压马达动力元件的动态特性受负载特性的影响。负载力一般包括惯性力、 粘性阻尼力、弹性力和任意外负载力。 液压马达的输出力与负载力的平衡方程为 。见凡= 正争+ 凡警蝇+ 乏 ( 2 - 1 2 ) 式中z 液压马达和负载折算到马达轴上的总惯量； 峨液压马达和负载的粘性阻尼系数； g 负载的扭转弹簧刚度： 瓦作用在马达轴上的任意外负载力矩。 此外还存在库仑摩擦力等非线性负载，但采用线性化的方法分析系统的动态特性 时，必须将这些非线性负载忽略。 2 2 2 传递函数推导 对式( 2 2 ) 、( 2 一l i ) 、( 2 - 1 2 ) 取拉氏变换为 一 q l = k 。x r k c p ( 2 - - 1 3 ) 山东大学硕士学位论文 骁= 见蛾+ c 埘只+ 茜叱( 2 - - 1 4 ) 气= 移杀毒鞍沪咖磊壤舞精沪1 6 ) 式中磁= 疋+ 巳总流量一压力系数； b 、 图2 - - 4 阀控马达系统方框图 在式( 2 1 6 ) 中，阀位移k 是系统的输入量，外加负载力矩瓦是干扰量， 山东大学硕士学位论文 外干扰量也是一种输入量，只是它的作用与输入量的作用相反。从式中可以看出 液压马达对阀的位移和负载力矩输入的响应特性。分子中的第一项可以看成是无 负载时的速度，第二项则是因负载而造成的速度降低 2 2 3 传递函数的简化 另外，粘性阻尼系数吃一般很小，当g ：o ，且墨争“l 时，动态方程可简化为 以= 笔- - x v - - - g r 字( 1 + - - s ) f l 俨m = 厶液压阻尼比 。厶= 每厣+ 去历 通常负载粘性阻尼系数吃很小，可用式( 2 2 0 ) 表示 = 每厣 由式( 2 - - 1 7 ) 可得液压马达轴的转角对阀芯位移的传递函数为 墨 盟：堡 以j ( 乓+ 盗州) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 山东大学硕士学位论文 澈压与达硼阴转角对外负载力矩嗣传愿幽毅为 生：垃。：屹， 五s 占+ 堑川) 研 因马达角速度国：华，故可以得到马达的角速度印对阀芯的位移j o 的传递 讲 函数为： 笠 ， 旦；= 堡( 2 2 3 ) 4 + 盗$ + 1 吒 马达的角速度对外负载力矩z 之间的传递函数为： 旦：- - 叁- 万( 1 + - - = ! 叁= s ) 瓦 ，3 2 + 盗s + 1 研 2 3 阀控马达模块传递函数计算 2 3 1 伺服阀传递函数 ( 2 2 4 ) 在大多数伺服系统中，伺服阀的动态响应往往高于动力元件的动态响应为 了简化系统的动态特性分析与设计，伺服阀的传递函数可用二阶振荡环节表示。 如果伺服阀二阶环节的固有频率高于动力元件的固有频率，伺服阀的传递函数可 以用一阶惯性环节表示当伺服阀固有频率远大于动力元件的固有频率时，伺服 阀可看成比例环节l 。课题中研究的伺服系统的固有频率在l o h z 附近，伺服阀的 响应时间小于l o r e s 所以伺服阀传递函数可简化为比例环节 车：k ( 2 2 5 ) ， 丌 2 3 2 伺服放大器及转速传感器传递函数 伺服阀驱动电路伺服放大器为高输出阻抗的电压电流转换器，频带比 液压固有频率高得多，可将其简化为比例环节i 删，即 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 由于实验台伺服阀离马达实验模块距离较远，因此管道的容积须单独计 算，测得圆管内径为d = 1 5 7 m m ，总长l = 8 8 8 0 m m ，得到连接管道总的容积为 矿；! ! 罂：1 7 2 。1 0 。州3 ，考虑到实验台马达排量较小，马达两腔相对于管道可以 忽略，因此马达两腔及连接管道总容积k * v = 1 7 2 x 1 0 4 m 3 ( 6 ) 伺服阀总的流量压力系数玩= 疋+ c 乙 马达总泄漏系数c _ 与很多因素有关，一般可由实验的办法求得，在设计阶段 只能取经验值，根据参考文献 2 1 对比，本系统中取乞= 7 x 1 0 q 3 m n s 为了维持系统的转速，并同时克服干扰力矩，伺服阀阀芯必须经常偏向某一 边，用以产生所需要的流量和压力疋在整个动态过程中随工作点变化而不断变 化，不是一个常数。为了使用比较成熟的线性常系数理论，只能近似看成常数， 通常选择工作机会最多的点，或者对系统稳定性最不利的点作为工作点。同时疋直 接影响系统的动态品质，且k 越小，动力机构的相对阻尼系数也越小。为了保 证系统不致于失稳或品质太坏，e 应取工作范围内的最小值。因为 疋；丝；红 a 吃2 ( p s 一只0 ) 故疋最小值发生在q 。、最。均为最小的时候系统空载最低转速时晓。、忍。最小， 实验台最低平稳转速为1 2 0 转分，所以 纨( m i n ) = 丝铲一2 5 6 x 0 1 2 0 x 1 0 - - 6 - - 5 x 1 0 - ，m s s 巴。可以根据经验”9 1 取= 去毒= 1 1 0 6 p a ，由此可得 疋= 且2 ( g - e 。o ) ；瓦丽5 x 1 0 - s = 2 7 8 x l o - n m s ( j ) 2 ( 1 0 1 ) 1 0 6 ”一7 因此最终伺服阀总的流量压力系数为： k = k + c i = 2 7 8 x 1 0 。2 + 7 x l o - 1 3 = 3 4 8 x 1 0 - 1 2 所5 ( n - j ) 综上所计算的各个技术参量值如表2 - - 1 所示 山东大学硕七学付论文 表2 1 阀控马达技术参数表 参数名称参数符号参数值参数单位 液压马达理论排量 3 9 8 x 1 0 - 6m 3 r a dd _ 负载及马达转芯转动惯量 3 t 7 2 5 x 1 0 - 3 堙m 2 伺服阀阀1 3 流量一压力系数 疋 2 7 8 x1 0 1 2m s | n s 液压马达总泄漏系数 c - 埘 7 x l o 一3m n s 伺服阀总的流量一压力系数 k 3 4 8 x1 0 1 2m ，n j 阀腔、马达腔及连接管道总容积 k 1 7 2 x 1 0 4研， 油液的有效体积弹性模量 p n - 9 t 7 1 0 。p a 根据以上各参数由式( 2 1 8 ) 可得出：阀控马达的固有频率为： 魄= = 6 0 r a d | s 厶= 每厣一。州z 国 3 0 0 丽2 7 c 1 1 3 x l o s 罟=丁彘=s2+564s+36002x0047 u 嘉+ 百+ l 马达的角速度对外负载力矩五之间的传递函数为： 竺；! 1 2 ：鱼! ! 竺! 山东大学硕士学位论文 数c i 、吃、k 等的值也会发生变化，因此，阀控马达速度控制系统具有非线性、 时变的特点。 2 4 本章小结 本章介绍了负载敏感液压综合开发平台中阀控马达模块液压原理，根据三个基 本方程详细推导了阀控液压马达的传递函数，并对阀控马达模块建立了数学模型 传递函数中流量增益兄的值会随着伺服阀阀口压差的变化而变化，转速公式中的 总泄漏系数c - 栩，吃、k 等的值也会随着液压系统油温、压力等参数的变化而发生 变化，因此，阀控马达速度控制系统具有非线性、时变的特点，对系统控制策略 的研究和选择，对于获得良好的控制性能显得尤为重要。 山东大学硕士学位论文 第3 章阀控马达速度系统p id 控制 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，它将系统误差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。由于它具有算法简 单、鲁棒性好和可靠性高等优点，被广泛应用于工业过程控制【2 2 1 3 1pj d 控制原理 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是p i d 控制，常规p i d 控制系 统原理图如图3 - i 所示【2 3 】，系统由模拟p i d 控制器和被控对象组成。 偏差 图3 - 1 模拟p i d 控制系统原理框图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，( ，) 与实际输出值y ( ，) 构成控制 p ( ，) = ，( ，) 一，( ，) ( 3 - - i ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被 控对象进行控制。其控制规律为 ”= k e + 毒f 印，如+ t o d 出e ( t ) j c 3 一z ， 或写成传递函数的形式 g = 器矧+ 去哪) ( s - 3 ) 式中“( r ) f 时刻的控制量； 髟比例系数； 乃积分时间常数： 死微分时间常数。 山东大学硕士学位论文 3 2 位置式p l d 控制算法 在计算机控制系统中，使用的是数字p i d 控制器，数字p i d 控制算法通常又 分为位置式p i d 控制算法和增量式p i d 控制算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量， 因此式( 3 2 ) 的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理以一系列的 采样时刻点七r 代表连续时间t ，以和式代替积分，以增量代替微分，则可作以下近 似变换： 生熊。e ( k t ) - e ( k - 1 ) t 国 2 ：e ( k ) - e ( k - 1 ) 丁 ( 3 4 ) 式中r 采样周期。 离散化过程中，采样周期r 必须足够短才能保证有足够的精度。为书写方便， 将e ( k r ) 简化表示成e ( ，即可得到位置式p i d 控制算法： “c d = 巧 c 。+ 号砉e + 争k c 。一酗一。寸 c s 或 “( 七) = k ，p ( 七) + 蜀圭p ( d + k ( 后) 一p ( _ i 一1 ) 】 ( 3 6 ) 式中七采样序号，k = 0 ，1 ，2 o u ( k ) 第k 次采样时刻的计算机输出值； p ( 七) 第丘次采样时刻输入的偏差值； e ( k - 1 ) 第k 一1 次采样时刻输入的偏差值： k ，积分系数； j 微分系数。 图3 - 2 为位置式p i d 控制算法的程序框图。 山东大学硕士学位论文 役置各参数值巧乃，丁 l 采入，( 、y l 计算偏差值口( 七) = r ( 七) 一y ( 助 i 计算k ，( 七) 专a i 丘 计算巧口+ z 弓4 j - o i 计算孟q 口( 七) 一p ( 七一1 ) 】+ 4 一z 上 p ( 七) 专口 一1 ) l 输出且 即“( 七) 图3 - 2 位置式p i d 控制算法程序框图 3 3 数字p i o 控制算法的改进 在计算机控制系统中，p i d 控制规律是用计算机程序来实现的，因此它的灵活 性很大。一些原来在模拟p i d 控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后，就 可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法，以满足不同控制系统的需要。如： 积分分离p i d 控制算法、遇限削弱积分p i d 控制算法、不完全微分p i d 控制算法、 微分先行p i d 控制算法和带死区的p i d 控制算法等 2 4 1 。 在普通的p i d 控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度。 但在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统会产生很大偏差， 加上系统经常有滞后，会造成p i d 运算的积分积累，致使算得的控制量超过执行机 构可能最大动作范围对应的极限控制量，最终常会产生严重的积分饱和现象，这 往往造成很大的超调和长时间的振荡，这是某些生产过程中绝对不允许的。为了 克服这个缺点，可以采用积分分离手段，即在被控量开始跟踪时，取消积分作用， 山东大学硕七学付论文 而当被控量接近新的给定值时才将积分作用投入。采取这一措施后，可以充分发 挥积分作用在消除静差、提高精度方面的优点，避免由于加强积分作用而带来的 系统稳定性变化和最大偏差增大的缺点 积分分离控制算法可表示为： u ( k ) = k e e ( | | ) + 局p + 足。k ( | j ) 一口( k - d 】 ( 3 7 ) 式中积分项的开关系数 ； ：l 篆 沪s ， 根据积分分离式p i d 控制算法得到其程序框图如图3 - - 3 所示 图3 3 积分分离式p i d 控制算法流程图 积分分离控制的具体实现步骤： ( 1 ) 根据系统实际情况设置分离用的阈值占 0 。 ( 2 ) 当k | 占时，也即偏差值p ( t ) 比较大时，删除积分作用，采用p d 控制，可 以避免过大的超调，又使系统有较快的响应。 - 2 l 一 山东大学硕士学位论文 - _ - - _ - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - - - - _ _ _ _ - - _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一ii - _ _ _ _ 一 ( 3 ) 当k l 占时，也即偏差值p ( 七) 较小时，方引入积分作用来消除静差，系统 采用p i d 控制，这样，可以使控制量不易进入饱和区：即使进入了，也能较快退出， 所以系统的输出特性得到了改善 3 4 阀控马达速度控制系统p i d 控制器的设计与仿真 3 4 1p i d 控制器的设计 阀控马达速度控制系统框图如图3 4 所示，当外负载变化引起马达转速发生 变化时，测速传感器将测得的信号经过a d 转换，与给定的控制信号相比较，比 较所得的偏差信号作为控制器的输入，控制器的输出作为控制量经过d a 转换， 通过放大器后作用在伺服阀的阀芯上，通过调节阀芯的位移，来改变阀的开口度， 从而改变进入液压马达的流量，使液压马达能够克服外负载力矩的干扰，保持恒 定的转速 针对实验系统，采用积分分离p i d 控制器，设定阈值占= 0 8 作为积分项的开 关系数。当误差h 占时，将积分项删除，采用p d 控制，当误差l d e | ：， - ll 01234567891 d t i r n e ( s ) 图4 - - 1 6 无负载时正弦响应曲线 为了便于观察将图4 - - 1 6 的局部放大如图4 - - 1 7 所示。 1 0 8 06 0 4 0 2 0 l 少厂 飞 l 尹； 矽 | 、 冬 0 51 1 5 2 2 5 3 t i m e ( s ) 图4 1 7 无负载时局部放大曲线 3 5 从图4 1 7 中可以看出模糊控