（机械电子工程专业论文）模糊控制在跳汰机模型液压伺服控制中的应用研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文y 5 _ f 8 3 4 0 模糊控制在跳汰机模型液压伺服控制中的应用研究 摘要 风阀自动控制一直是跳汰机控制的难点，而风阀控制性 能的好坏直接影响着床层的分层效果，因此，对风阀控制的 研究尤为重要。本文旨在设计一种基于液压伺服控制的实验 室装置，对跳汰机风阀工作状态进行模拟，从而为风阀自动 控制提供硬件基础。 本文针对电液伺服系统具有非线性往复运动和负载时变 等特征，且其精确动力学模型难以得到的情况，提出了用模 糊控制方法来实现其控制。 在课题研究过程中，本文首先论证了模糊控制解决此类 非线性问题的优越性，设计了基本模糊控制器，并提出了几 种模糊控制的改进算法，然后利用m a t l a b 对系统进行了仿真 研究，确定了模糊控制算法的控制效果。最后通过系统硬件 和软件设计，实现了实验室单室跳汰机液压伺服系统的模糊 控制，达到了对跳汰机风阀工作状态的有效模拟，实验结果 表明，模糊控制的改进算法，明显的减小了系统超调，使系 太原理工大学硕士学位论文 统响应时间变短，增强了系统响应的快速性和稳定性。 关键词：模糊控制风阀跳汰机伺服控制 太原理工大学硕士学位论文 t 胍s t u d y0 ft 陋a p p l i c a t i o n0 ff u z z yc o n t r o li n 可强 h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o lt 0ji g g e rm o d e l a b s t r a c t t h ea u t o - c o n t r o lo fa i r - v a l v ei sad i f f i c u l tp r o b l e mi nt h e j i g g e r c o n t r o l p r o j e c t ，t h ec a p a b i l i t y o ft h ea u t o - c o n t r o lo f a i r - v a l v ea f f e c t st h ed e l a m i n a t i o no ft h ec o a lb e d d i r e c t l y s o ，i t i si m p o r t a n tt os t u d yt h ec o n t r o lo ft h ea i r - v a l v e t h ep u r p o s eo f t h i st h e s i si st od e s i g na ne x p e r i m e n t a ld e v i c eb a s e do nh y d r a u l i c s e r v oc o n t r o lt os i m u l a t et h ew o r k i n gs t a t eo f t h e j i g g e ra i r - v a l v e t h e nt op r o v i d ea u t o c o n t r o lo f a i r - v a l v ew i t hh a r d w a r eb a s e d u et ot h en o n - - l i n e a rr e c i p r o c a t i o no ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i c s e r v o s y s t e ma n dt h e t i m ev a r i a t i o no ft h el o a d ，a n da st h e a c c u r a t ed y n a m i c sm o d e li sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s h ，f u z z yc o n t r o l t or e a l i z et h i sg o a li sp r o p o s e di nt h i st h e s i s 。 i nt h e s t u d y o ft h i st h e s i s ，t h eb a s i c f u z z yc o n t r o l l e r i s d e s i g n e d ，s e v e r a lm o d i f i e df u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ci sp r o p o s e d t h e ns i m u l a t i o nt ot h es y s t e mb ym a t l a bi sc a r r i e da n dt h e c o n t r o le f f e c to ft h ef u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ci sa s s u r e d t h r o u g h 太原理工人学硕士学位论文 t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h es y s t e m ，t h e f u z z y c o n t r o lo fs i n g l er o o mj i g g e r b y t h e h y d r a u l i c s e r v o s y s t e ma n dt h ee f f e c t i v es i m u l a t i o no f t h ew o r k i n gs t a t eo ft h e ji g g e ra i r v a l v ei sr e a l i z e d t h ee x p e r i m e n ts h o w s ：t h em o d i f i e d f u z z y c o n t r o la r i t h m e t i cc a nd e c r e a s et h ef l u c t u a t i o na n dt h e r e s p o n s et i m ea n db u i l du pt h ec e l e r i t ya n dt h es t a b i l i t yo f t h e s y s t e mr e s p o n s e k e yw o r d s ：f u z z y c o n t r o la i r - v a l v e j i g g e r s e r v o c o n t r 0 1 i v 太骧理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一节课瑟的提出 课越研究静鸶景及意义 目前，我豳选煤厂的主要选煤设备是跳汰机，跳汰机工作状态的 好坏直接影响到生产效率的高低，也靛影响到企业的经济效益。霞此 对跳汰机工作状态的研究就显褥尤为重爱。 跳汰机的主要部分包括：机体、筛板、风阀、溢流堰、排料装置、 检测控制装置等。其中，风阉楚跳汰瘸期的产生源。飙阉躅期 生地使 空气室与风包或与大气相连或隔绝，从而在跳汰室造成脉动水流。l 阕结构及其工 擘刳疫，在攫大程度上影旗着承浚在跳汰规中静攘动特 性以及物料的分层效果，因此，风阀是跳汰机非常关馔的部件，风阀 控铽是掰l 汰视掇带l 的核心。 风阀有滑动风阀、旋转风阀和电磁风阀三种。其中，电磁风阀调 整灵活，可根掭工作需爱迅速调整风阀周期特性，随着物料的变化， 创造良好的庶屡松散、分层条件。以获碍较好的分选效果。因此，在 国内外，广泛采用电磁风阀来调整和控制跳汰周期。 在飙阗熬控制系绞中，疼联分层状嚣积廉堪松教袋是嚣个重要的 参数。床层分滕是指在分选过程中物料按比重分层的观象。物料按比 重进行有效熬分层，怒舞 瓣静蓠据。溺辩，藤缮分层获态魏努坏，壹 接影响着重产物能否准确、及时和连续地排出，能否保证床层稳定和 得到较好的浇选效果。而床层松敖度怒跳汰过程的重簧参数，它是判 太原理工犬学硕士学位论文 别跳汰操作制度好坏的重骚依据。实际袭明，适当的床层松散情况， 鸯剩于痰瑟按密发遗毒亍分瑟。黧菜床层孝凳散不好，裁会蠢现床瑟过死 或跳汰机上部出现物料没有分层；如果床层过于松散，则会出现床层 在下降稻密实期备重产物不能待到充分分离，从而增蕊辫l 汰产品豹相 互污染甚曩破坏融分好的床层。所以，搽作的主票目的，是为了使床 屡处于有釉于分选的工作状态，并使之保持稳定。而这主要决定于风 阀控制系统的工l 乍状态蛇合理与琴。因此对风闲控制系统的磅究竣显 得尤为重要。 二。漂题瓣提出 研究风阀参数与床层松散度及分层状态的关系，需要进行大嚣的 实验研究，诚然，浣渫厂现场是羧理想豹研究场掰，僵它受到许多因 素的制约。一方胤，实验祭件要受生产条件的制约，不能根据实验需 求人为魄改变某些运行参数，否爨目将会直接影嫡制产品的质量和效率， 从而造成眨大的缎济损失，这是厂方所不自接受的：另一方匿，在现 场进行研究，情况较为复杂，影响的因素很多，送也不利于研究的顺 剥开展。亚是鉴于憩葶孛精况，我髓在实验室中黠麟汰极王终状态遴行 模拟。 实验室霹秀究方案：建立攀室雾l 汰橇菰动承装饕，透过魄滚餐溅箨割 模拟现场风阀的开启特性，其过稳是利用油缸伸缩带动脉动水装鼹的 滔褰，使水流形成脉动。 由于现场脉动水流靠风阀控制，具有很快的开关响应特性( 风阀 打开时间小于o 0 2 s ，最快达o 0 1 3 s ) ，现在拟采用电液伺服系统进行控 裁，因此，怎样实现与琨场据当鼹响应速度帮效聚，成为该控割系绶 的难点。为此，提出单室跳汰机脉动水装嚣的控制方法研究作为本文 豹毳拜变建容。 太琢瑾工文学硕士掌链论文 繁二萤控制方案的选取 液愿控铡系统的特点一是存在非线性，如廷送滞环、瘴仑黪攘等。 通常线行化方法将液压控制传统作为线性系统处理，某些系统非线性 严重，此时再撼系统 謦线性处疆裁不会适了；二是本文所研究鹣控制 对象的负载是网液两相流体，在活塞往复运动的过程中，负载是时变 的，这给建立被控对象的精确数学模鼙造成困难；三怒系统舔应获， 要求在3 0 0 r a m 行程的上升时间在几十纛秒以内，这样才能达到模拟真 实跳汰机风阀开启状态的目的。 在实际的电液伺服系统中最常见、最简单的控制方案是p i d 或 p i 控制。然而，这种方法在强非线性和不确定性的电液伺服系统面前， 其控制犍戆 # 零套限。因憩，一些先遴的控制算法被引入到这类控制 系统中，如鲁棒控制器、自适j ! 藏控制器、滑模控制器等。例如文献 4 搓出了耱滢横控裁器寒减夸惫滚饲簸系统懿菲线性秘不确定性：文 献 3 给出了一种鲁棒控制器用于直接消除系统的不确定性，以降低系 统参数对外部扰动静灵敏度，然而，备棒控翻嚣通常辩要知道系统懿 动力学模型以及不确定性参数的上界；文献 5 ，6 给出的是自适应控 制器，其中文献 5 所述的自整定自适应控制器是用予金属疲劳实验中 消除液压枫由予低频产，圭的振荡现象，文献 6 用一个l y a p n u o v 形式 的参考模型自适应控制器来减小随机的外部扰动，上述两类自适应控 翻一般零只是警系统戈线性懿躐者是参数漫慰燮熬馕形下才有比较好 的效果；文献 7 给出这种方法在电液伺服系统中的实际应用。总的来 着，尽管这些羧潮算法在挺离窀液伺黢系统的控澍穰爱方瑟取缮了积 极的成果，但大多都要求已知系统的精确数学模型，或是假定系统是 慢时变的，戬降低系统不确定一陡的影响，对予电液伺服系统的高度非 太原理工大学硕士学位论文 线性和模型的不确定性，还不是行之有效的控制方法。、 被称为第三代控制理论的智能控制的出现，使得液压系统参数时 变和动态特性差的缺陷有望得到解决；同时，由于微机技术的迅速发 展，为智能控制算法应用在液压控制系统中提供了实现的可能。 因此，本文针对电液伺服系统具有非线性往复运动和负载时变等 特征，且其精确动力学模型难以得到这种情况，提出了用模糊控制方 法来实现其控制。与传统控制方法比较，模糊控制有两大优点：一是 模糊控制可以有效且便捷的实现人的控制策略和经验，高效地对复杂 事物作出正确的判断和处理；二是模糊控制可以不需要被控制对象精 确的数学模型即可实现较好的控制，取得了精确与简明之间的有机平 衡，使问题的描述更具有实际意义。 第三节课题研究的内容 本课题主要通过对现场跳汰机工作过程研究，掌握跳汰机风阀工 作特性，用实验室单室跳汰机脉动水装置，模拟现场风阀的工作状态， 从而为跳汰机风阀自动控制的研究提供手段，为进一步研究床层松散 度与分层状态的关系奠定基础。本文研究的目标是通过模糊控制算法 控制单室跳汰机脉动水装置的电液伺服系统，完成对风室压缩与膨胀 的模拟。本文的主要内容是： a ) 单室跳汰机脉动水装置的实验建模与仿真 b ) 模糊控制器的设计 c ) 模糊控制器的几种改进方法研究 d ) 单室跳汰机脉动控制系统的硬件设计与软件开发 e ) 实验结果分析 太原理工大学硕士学位论文 第二章单室跳汰机脉动水装置的数学模型 第一节单室跳汰机脉动水装置 一跳汰机风阀的工作原理 跳汰机的主要部件包括：机体、筛板、风阀、溢流堰、排料装置、 检测控制装置等，其中，风阀是重要的具有可控特性、较为常用的操 作对象，是跳汰周期的产生源。风阀周期性地使空气室与风包或与大 气相连或隔绝，从而在跳汰室造成脉动水流。风阀结构及其工作制度， 在很大程度上影响着水流在跳汰机中的振动特性，因此，风阀是跳汰 机最关键的部件。 风阀有滑动风阀、旋转风阀和电磁风阀三种。本系统选用电磁风 阀。 1 电磁风阀 电磁风阀是七十年代设计的一种新型风阀结构。这种风阀调整灵 活，可以任意调整跳汰周期，进气、排气的变换速度极快。因此，可 以精确地控制脉动周期和吸缀过程地时间，获得良好的床层松散度和 精度较高的分选效果。为跳汰机大型化和跳汰制度自动化创造了方便 的条件。 电磁风阀的工作系统示意见图2 l 。整个工作系统由三部分组成： i 气路系统。包括高压风管至气缸的气动管路； 2 ，数控装置。通过控制电磁风阀的通、断电时间，实现大范围内无级 调节频率和跳汰周期特性； 3 进、排气阀。进、排气阀由气缸和阀盖组成。 电磁风阀的工作原理如下： 太原理工犬学硕士举位论文 强3 一l 为电磁筑润述气时敷演况，霹避气阕打歼，蓑 气瓣关 蠢。这时， 两个电磁风阀的动作过程是：进气电磁风阀的电磁线圈断电，铁芯被 弹簧捻下，关刍拜上部避气道，闯时打开上部静排气道，放出阀俸上部 的气体，丽下部则给入高压空气于进气阏( 如图中箭头方向所示) ，推动 进气阀的活塞向上运动，打开进气阀馒分配箱内的低聪空气经进气管 进入空气室。这时，撼气电磁阉的动 乍与递气瞧磁阀的动 乍翊反，即 电磁线圈通电吸上铁心，关闭上部排气道，打歼上部谶气道，高压空 气进入终气躅肉，雄动溪塞疑下运藜，关 i l 撼气管。东气室黪蓑 气过 程与上述过程相反，排出的气体经消音排气包排出厂外。 老湾聋港t 0 把 1 _ 1 一。1 1 1 1 一 一。一i 摊气窀g 鞠 l i 一 u 一一 一一。j1 毹啼靛唑坠 图2 一】电磁风阀工作系统示意图 l 一濑雾器2 一调悉阀3 一滤气嚣 风阀工作厩力( 低压) o 0 3 5 0 0 5 m p a 。 风闽打开时闽小予o 0 2 s ，摄快达o ，0 1 3 s 。这样可以提高承漉上升 初加速度，延长膨胀期，有利于物料按鬻度进行分选。 太暴理z 夫学颈圭擘垃沦文 2 ，风阉在跳汰机中的工 乍过稷 般跳汰机工作过程可描述如下简图2 + 2 ，即一个跳汰周期中风阀的工 佟壤况。 s 开孔面积 进气阀开进气阀关 卜舱断外钏帙 图2 - 2 风闲工作示意图 图中第一阶段，进气风阀开启，压力风进入跳汰室，然后压力胍 膨涨搜承垂于黎受压力嚣产生敝动，此辩承土舞，痣瀑技东浚顶超， 逐渐松散，床屡中的矿产物按锫自特性的不同，彼此作相对运动。这 时康基汪开始分层。第= 除段，迸气藏闽关闭，承流露于惯穗作庵， 此时可能还要继续上升，床层继续松散、分层，当水流到达顶点时由 于惯佳不会马上下降而凳还要停留一段时间，此时床屡继续松散、分 层。第三阶段，排气阑打开，水漉开始下降，矿物颗粒亦随之下降， 床层开始回落，床层逐渐紧密并继续分层。第麟阶段，排气阀关闭， 水流终止下降，矿扬落避媾扳，铸全部矿粒都沉垮到筠援土以后，素 层又恢复了紧密状态，这时大部分矿粒彼此间以丧失了相对运动的可 缝毪，分层俸爝凡手完全箨壹。只有那些辍绍黻粒，稳可隧穿过床层 的缝隙继续向下运动( 这种细粒的运动称作钻隙运动) ，床层完垒密实， 分层结策。可觅，黟t 汰械裰据风阀的开痞丽完成不同的凡段动作，床 层经历了从紧密剿松散，在从松散到紧密的过程，最终使床层按矿物 颖粒大小、密度、形状的不同而达到分艨的目的。经过多次重复后， 太原理工火学硕士学位论文 分层逐渐完善。分层结果是密度低的矿粒集中在上层，叫轻产物；密 度高的矿粒集中在最底层，叫重产物。在生产中，随着物料的不断给 入，轻、重产物不断地从跳汰机中排出，构成了连续的跳汰过程。 正是基于以上分析，试图通过实验室装置来模拟上述风阀的工作 过程，从而为研究床层的松散度与分层状态的关系而提供必要的手段。 二单室跳汰机脉动水装置的结构与工作原理 1 单室跳汰机伺服控制系统的结构 单室跳汰机的结构如图2 3 所示， 图2 3单室跳汰机的结构设计图 1 一安装操作平台2 一加压水缸3 一螺栓4 一螺母5 一垫圈6 一驱动装置7 一 上机体8 螺栓9 一螺母1 0 一地脚螺栓1l 一下机体 单室跳汰机主要由上机体( 跳汰室) 、下机体( 活塞室) 、筛板、驱 动装置等部分组成，跳汰机体被筛板分为两部分：跳汰室和活塞室。 1 ) 驱动装置的结构 驱动装置的结构如图2 - 4 所示， 太原瑶工大学硕士学位论文 蚕2 4 葶窒魏汰瓿驻魂装鬟缝杩 1 一液压缸，2 一双端法兰，3 一活塞，4 一螺母，5 销，6 一位移传感器 驱动装置的作用是给跳汰枞工作掇供动力，推动游塞动 乍，它是 使水产生脉动响应的鸯接作用源。它主要由油缸、活黎通过活塞杆造 接形成。 2 ) 液雁缸( 油缸) 结构 滚疆鑫结誊鼋鲣蚕2 5 获示，囊裣溅裂懿位移耱感器苍号决定饲服润 开合程度的大小，从而提供不同的压力油，进而使液联缸根据压力油 懿交琵执行裙疲的动 管，为驱动装置撬供原始动力。 太原理工大学硕士学位论文 图2 5 液压缸结构 液压缸，2 一空一t l , 短柱，3 一伺服阀座，4 一实心短柱，5 一金属油管，6 一位移传感器 3 ) 上机体结构 上机体模拟的是现场跳汰机的跳汰室，它由筛板和水箱组成。筛 板尺寸大小是：长宽= 6 8 0 m m 4 8 0 m m 。水箱尺寸大小是：长宽 高= 6 8 0 m m 4 8 0 m m 5 0 0 m m 。筛板主要用来承载矿物质，在脉动 水流的作用下，筛板上的煤层( 即床层) 被托起或落下，从而实现物 料按密度进行分层。 4 ) 下机体结构 下机体是一个直径为6 3 0 r a m 的曲柱体，它用来承放水，作为脉动水 通道，它是连接上机体和加压水缸的腔体。当油缸活塞向下运动时， 推动水流通过下机体压向上机体，当油缸活塞向上运动时，水由于自 重而下降，从上机体又流回下机体。 太原理二 犬学硕士举位论文 5 抽聪承袈 加压水缸也叫活塞室，它是一个直径为6 3 0 m m 简为5 5 0 m m 的网柱体， 在这里，驱动装置的力由活塞船给鸯舀聪水缸中鲍承体，扶而把动力传 给下机体。 2 单煮跳汰机工作原理 单索跳汰枫工作原理如图2 - 6 所示。本装置的耳的就是能通过实验 童条件模拟现场跳汰机的工作过程，模拟风阀工作特性实现水裴置的 躲动黪矬，为进一步研究疼虽分层壤况提珙物矮基礁。 圈2 - 6 单燮掣汰枫工作原理图 1 - 位移传感器2 - 油缸3 金属油管4 伺服阀 5 活塞6 雾汰室媒承混合貔7 活塞塞( 东靛) 8 - 1 箨螽9 簿扳 其工作过程是：由计算机组成的控制器给出控制信号，通过伺服阀 4 控制漓缸2 动作。当活塞向下逶动时，黟汰袄中酶承蠢活塞室7 被压 向跳汰宠6 ，在跳汰室产生上升水流，此时进入跳汰的第一阶段，在上 太原理工大学硕士学位论文 升水流的作用下，筛板上的物料被水流托起，物料按自身密度、颗粒 大小、形状的不同开始松散和分层，当活塞到达最低点时，跳汰第一 阶段结束，第二阶段开始。此时，水流由于惯性的作用不会马上停止 而是继续上升然后要滞留一段时间，床层继续松散、分层。当活塞丌 始向上运动时，水由于自重从跳汰室又流回活塞室，在跳汰室产生下 降水流，跳汰过程进入第三阶段，此时床层逐渐紧密并继续分层，当 活塞回到顶点时，水流基本停止，第三阶段结束，第四阶段开始。此 时床层还未完全落回筛板，床层继续密实并进行分层。待全部矿粒都 沉降到筛板上以后，床层又恢复了紧密状态，这时大部分矿粒彼此问 以丧失了相对运动的可能性，分层作用几乎完全停止。只有那些极细 颗粒，尚可以穿过床层的缝隙继续向下运动。下降水流结束后，分层 暂告终止，至此完成一个跳汰周期的分层过程。这样活塞室中的水流 就形成了脉动，随着油缸动作周期及振幅的改变可以得到不同的水流 脉动特性，从而得到不同的床层松散和分层效果。 第二节单室跳汰机脉动水装置液压伺服系统建模 一单室跳汰机液压伺服控制原理 单室跳汰机液压伺服系统构成如图2 - 7 所示，系统主要有：液压缸、 位移传感器、伺服阀、液压机构等部分组成。 太原理工大学硕士学位论文 、 f 。 ! j6 图2 。7 荤室虢汰祝液疆侮碾系统 1 液压缸，2 - 伺服阀，3 - 油泵，4 减雁阀，5 位移传感器6 - 油箱 图中油泵3 是系统的能源，以恒定的压力向系统彳共湎，傺泊压力 出溢流耀4 调节。液压驱动装置由伺服阚和液压缸组成，饲服阀主要 是通过滑阀开口大小的改变为液压缸撬供压力油，控制着液压缸的动 车速度；液压敷作麓执行结稳，捶动负载动馋，使负载运动跟随输入 的变化。达到动态跟踪输入信母的目的。 系统工作蘸理翅图2 _ 8 掰示。图中输入信号f 与经传感器捻溺容豹 反馈信号比较得到比较信号，比较信号送入模糊控制器后，经模糊运 算控制嚣输出一个精确控铺董( 数字蔫号 ，藏数字信号经d a 转换成 模拟信号( 电压信号) 送入伺服放大器输入端，信号缝伺服放大器处 理后送给伺服阀；伺服阀根据此信号判断淆阀的开口鬟和方向 太原理工大学硕士学位论文 图2 - 8荸室瑚e 汰机液压伺服系统模糊控制框图 从而输出压力油，压力油驱动浊缸动作，输出一个位移：然后在下一 个采样时刻到来时重复上述过程，依此类推，循环往复，从而完成了 对簸入售号豹动态跟踪过壤。 二。单室跳汰机液压伺服系统各个部分模理的建焱 | 液压敬一受载环节转遂甄数 由液压缸结构图查知本系统中液压缸参数如下： 。液噩敬活塞壹径d = 8 5 m m ，活塞杆直径d = 3 0 m m 活塞行程h = 3 5 0 m m ，液压敷有效工佟嚣积“，= 冬( 乃2 一菇2 ) 5 0 c m 2 ( 1 ) 液压缸( 包撼惯性负载) 固有频率甜， 埘。由参数m ，、一、a 。、屈来决定。 掰。怒出负载条件决定。主要为惯往负载，摩擦及粘滋负载较小， 没窍外作耀负载及弹性负载。活塞室中水为1 0 0 予克，瑷塞质量为2 0 千克，故负载总质曩m ，= 1 2 0 千克。 i 为系统总压缩容积( 液压缸和阔至液压锻两铡管路总容积) 。 太原瑾工夫学硕士举位论文 彰= 硎，+ ，英中* 1 0 6 3 c m 3 ，繇以鬈z 3 5 5 0 + 1 0 6 3 。2 8 1 3 c m 。 为提高渡压缸固有频率哆，k 戍尽量小，因此应尽可能采用短于亍程液 压缸和连接管路，伺服阀布置应尽量接近执行油缸。 成为液压滚体积弹往模数。当漓液中混入空气对，液压漕体积簿 牲模数显著下降，但随着压力增高而增大，因此应当减少空气的混入， 并避免使用软管。实际计算时，鼠= 7 0 0 0 x 1 05 牛米2 可以获得比较满 意的效鬃。 所以液压缸( 包括惯性负载) 围有频率以为 嫂= 。f 4 x 7 0 0 0 x 1 0 5 。1 5 0 _ 1 0 - ) 2 一；4 5 5 4 弧度秒 ￥z 6 1 3 x 1 01 2 0 ( 2 ) 油缸阻尼系数炙 炙由参数竹，、a ，、展、k 。来决定。 k ，楚阀静浚量一压力系数，表萌负载压力增大露，蠲辕入系统懿 沆量减小，这对系统来说是一种阻尼作用。流擞一压力系数随工作点 的不同会有很大的变化，在零彼时最低。从稳定性角度来看，零位是 最关键豹，赛以流量一压力系数可由零位淫露浚量绞求窭，荬篷为 弘譬：等1 0 - 3 观m m 料郴。 祭等厣+ 考鼯 成为导轨及液魇缸的粘性阻尼系数。由k 。和成计算得到的炙较小， 太原理工大学硕士学位论文 本系统中可取为0 2 5 ，把翻。、炙、a ，值带入液压缸一负载传递函数中 1 1 刚班再a p 2 虿i 5 0 x 1 0 磊- 4 额定电流a i r = 3 0 0 毫安- - - - 0 3 安 供油压力p = 6 x 1 0 6 牛米2 额定流量q 。= 1 2 升分 零位泄漏流量q = o 4 升分 单个线圈电阻r 。= 2 0 欧姆 单个线圈电感l ，- 3 1 0 。亨 k ：盟：鳖1 0 3 ：。6 7 。1 。一，米，秒安 a i 。0 3 根据伺服阀的瞬态响应特性曲线，输出上升到最大值的时间( 响 应曲线到达超调量第一个峰值所需要的时间) 即峰值时间f 。z 0 0 3 5 秒； 过渡过程时间即调整时间，。z o 0 6 秒；超调量盯z9 5 。 ( 1 ) 盯：e 一z 7 扯嚣 太原理工夫学硕士学位论文 可见超调爨只与侗服阀阻尼系数f ，有关，与伺服闷固有频率棚。无关 穆巧。9 s 霞入上式褥妥* 0 6 。 ( 2 ) 铲丽7 上式成立的条件楚允许误蒺在= 2 的误差带内。 将f 、= o 6 ，。z0 0 3 5 秒代入得到圈有频率，= 1 1 2 弧度秒 所以电液词鞭阕豹传递丞数为： 一g 虿v2器067“10-3 翻：。 1 1 2 2 1 1 2 3 位移佟感器 传感器本身怒一个互感系数可变的变压器，出于接线为羞动工作 方式，故称为差动变压器式传感器，简称为差动变压器。差动变压器 的工作原理是建立在互感变化的基础上欺。输出电压为 e 2 2 e 2 l e 2 2 0 ， 若忽略其误差列冀大小与铁芯的像移戒正比。 系统采用螺篱式差动变压器，它们的主要参数为：输出电压是 o 5 v ，测爨范围为o 2 0 0 m m 。由原理知输出电压瀚大小与位移成正比， 其比例系数k 为： = 丽5 = 丽1 ，所以输出电压e 为：p ( f ) = 砂( f ) = 嘉j ，( ，) ，对它进行拉 普拉斯交换褥传黪器传递丽数为： 太原理工大学硕士学位论文 伺服放大器增益( 伺服阀采用串联接法) k ，= 0 0 2 8 安伏 三系统模型 由以上各环节可得到系统的数学模型如图2 9 所示。 图2 9 伺服控制系统模型 太原理工大举硕士学位论义 第三章单室跳汰枧脉动水装置的模糊控制 第一节模糊控制理论 模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科举、人工智能、知识 工程等多门学秘领域辐互渗透、壤论性缀强豹科学技术，实瑗这种模 糊控制技术的理论称之为“模糊控制理论”。模糊控制是一种自动控制 系统，它戆以模糊数学、模糊语言形式的知识和模糊逻辩的规刘推理 为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具裔反馈通道的闭坏结 构的数字控制系统， 模糊控制理论躯礤究颡应用在理饯蜜动控制领域中农蘑重要的地 位和意义，这一点可用如豳3 一l 所示来形象的理解： 小娥嫫 大规模 图3 - i 模糊控制在控制领域中的重要地位与作用 太原理工大学硕士学位论文 图中表示了经舆控制理论首先被使用于线性小规模系统的自动化 镁域：蘧饕诗算捉技术戆发震，残代控铡理论在大溉模线性多交爨系 统中也得到了广泛应用；但是对于非线性复杂系统，这些控制策略却 难以奏效，它不仅簿法极箕复杂，丽显不髓获得较为满意的控制效莱。 模糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规模、非 线性复杂系统发震。 一模糊控制的特点 模糊控制是建立在人工经验基础上的对于一个熟练的操作人员来 讲，并菲嚣要了解技控对象的精确蕊数学模型，嚣是凭偻其丰富盼实 践经验，采取适当的对策来巧妙的控制一个复杂系统。若能把这魑熟 练摄箨员懿实裁经验艇蔽总结蠢攒述，并蹋浯砉袭达密寒，蘩么遮就 是一种定性的、不精确的控制规则。如果用模糊数学将冀定量化就转 纯为了模糊控箭冀法，驭雨形成了模韬控耩理论。萁特煮主要表现在 如下几个方面： 1 无需知道被控对象的精确的数学模挺 模糊按制是以人对被控系统的控制经验为依据两设计躲，黝此无 需知道被控系统的数学模型。 2 。它楚一耱爱浃人类姆慧愚缎翡磐g 控制 模糊控制采用人类智熬思维中的模糊摄，如“高”、“中”、 “低”、“大”、“小”等。控制羹由模糊稚瑾暴出寒。这些模糊量 和模糊推理是人类智能活动的体现。 3 它易被人们所接受：模糊控铡的核心是控翻规刚，这些媲粥是 以人类语富表示的，例如“衣服较脏则放入的洗衣粉应放多点，并 且洗涤时问长点。很明显这些控制规则是很容易被人们所理解的。 4 。孝簋造容易：嗣p l c 或单片枫等采搴每造模糊控制系统，其结梅 度原理工夫举硕士学位论文 与一般的数字控制系统差不多，模糊控制算法用软件来实现。 5 鲁棒性较好：模糊控制系统无论被控对象是线性的还是非线性 的，都能执行有效的控制，具有良好的鲁棒性和邋应性。 二模糊控剡系绞的组成 模糊控制系统通常由被控对象、测量装置、控制器和执行机构等 零俘组成。这静系统在完戏颈定戆手王务露，可以不震要入瓣麦接参与， 由测量装鼹代替人的感知机能来动态的观测被控制量，从而对给定量 与被测量进行院较、综合秘信息的处理，并壶魏绘出控粼量。在人工 操作过程中，这都是通过操作员的感官拾取观测信息，形成感性认知， 然后通过入脑的思维判断，最后避行手动调整改馨系统橼能。 模糕控制系统的组成具奄传统计算枫控制系统的结孝句形式，如下 图3 2 所示。它主要由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被控对 象蠲测量装置缓裁。 潮3 - 2 模糊控翻系绕组戒器强 被控对象：被控对象可以是一种设备或是设祷组成的集合体，也 可以是一个生产过程，包括自然的、生物的、化学的、或是物理的等 各融状态转穆过稷。这控制对象可能是确定的机构，也可以是模糊的、 单变量的绒是多变量的、有滞后性的或魁无滞后性的、非线性的或是 线性懿、定掌的袋是时变瓣系统以及具骜强勰合戏是强予扰性鲶等等 多种情况。对于不好建立数学模型的复杂系统，用模糊控制效果更好。 太原理工人学硕士学位论文 执行机构：执行机构主要是各种交直流电动机，伺服电动机，步 进电动机等，还有各种气压的和液压的装置，如各种气动的调节阀、 液压马达、各种液压阀等。 控制器：它是控制系统的核心部分。由于被控对象的不同，以及 对静动态特性的要求和控制规则的不同，控制器可以分为多种。如在 经典控制理论中用运算放大器加上阻容网络构成的p i d 控制器、由前 馈环节或反馈环节构成的各种串并联校正器：在现代控制理论中，主 要有状念观测器、自适应控制器、解耦控制器、鲁棒控制器等。在模 糊控制理论中，采用基于模糊控制知识表示和规则推理的语言型模糊 控制器。 输入输出接口( i o ) ：实际系统中由于多数被控对象的控制量及 其可观测状态量是模拟量。因此，模糊控制系统与通常的全数字控制 系统或混合控制系统一样，必须具有模数( a d ) 、数模( d a ) 转换单 元，还包括模糊逻辑处理的“模糊化”和“去模糊化“环节。 测量装置：测量装置主要是把被控对象的各种非电量，如流量、 温度、压力、速度、浓度等转化为电信号。这部分主要有各类数字的 或模拟的测量仪器、检测元件、传感器等组成。它们的精度直接影响 系统的性能指标，因此要求它们具有较高的精度、可靠性高稳定性好。 为了提高控制精度，应及时观测被控制量的变化特性及其与期望值 的偏差，以便及时调整控制规则和控制量输出值。基于此，把用测量 装置得到的值反馈到控制系统的输入端与给定控制量比较，构成具有 反馈环节的闭环控制传统。 三模糊控制器设计基本方法 一般来讲，模糊控制器的设计过程可用如下简图( 图3 3 ) 表示： 太原理工大学硕士举位论文 圉3 - 3 模糊控尉器设计简仡阁 其中输入爨为误差e 和误夔变化d e ，输出嫩为系统控制量u ；e 、 d e 、u 分别对应它们的模糊集。模糊控制器的设计过程，实际上就是 结构选耩、摸期佬过程、知识滕( 数撼瘁和规则痒) 、模糊逻聋黩挺理和 精确化计算( 去模糊化) 这五个部分的设计。 ( ) 模糊控裁爨豹蘩懿选择 模糊控制器的结构一般可分为单输入一单输出( s i s o ) 结构和多 输入多输出( m i m o ) 络车鑫。 根据输入熬的个数分为一维模糊控制器、二维模糊控制器和多维 模糊控制器。多输入一多输, q 4 , ( m i m o ) 结构是应精于工业上非常复杂的 被控对象，具有多个输入和输出变量。 ( 二) 模糊化过程 模羧纯过程鲍任务主要是测量输入变量熬馑，著憋数字表示形式 的输入魑转化为通常用语言值袭示的某一限定码的序数。每一个限定 鹳表示论域内豹一拿模期子集，并壶箕隶属凄黼数来定义。任鹰一令 输入值，总有粜个特定的限定码的隶属度相对殿。图3 4 给出了三种 模糊亿函数。 图( a ) 给出了输入变量x o 在给定限定码模糊子集( 又称语吉。值) a7 中嶷有的最犬隶属度，也即表示当输入x o 属于语言值a 的隶属 度最大。曩( b ) 表示农x o 点处的隶属度为l ，其它输入值对应的隶强 度函数值为0 。图( c ) 表示的是一条避续曲线。 太原理工大学硕士学位论文 ，f ( x ) i 爿， 爪一 z a ，删 l b b 麒砷 c ， 八 c 图3 4 模糊化函数 经验证明，通常选三角形和梯形函数的隶属度函数，在实际应用 中非常方便。当模糊集设计完成后，对于任意的物理输入x ，应将其映 射到模糊集系统中去。 ( 三) 知识库 知识库包括数据库和规则库，数据库提供必要的定义，包含了语言 控制规则论域的离散化、量化、和正则化以及输入空间的分区、隶属 度函数的定义等。 1 数据库：模糊逻辑控制中的数据库主要包括量化等级的选择、 量化方式( 线性或非线性的) 、比例因子和模糊子集的隶属度函数。其 内容主要包括： a 论域的离散化，为便于数字计算机处理，一般首先把连续的论 域离散化形成离散论域。论域的离散化实质上是一个量化的过程。量 化就是将一个论域离散成确定数目的几小段，即量化级。每一段用某 一个特定属于作为标记，这样就形成了一个离散域。然后通过对这离 散域中的特定术语赋予隶属度来定义模糊集。为了实现离散化必须将 测量的非模糊系统变量的值映射到离散域中的量值，这种映射可以是 线性的也可以是非线性的。线性化、比例因子、量化等级的选择都是 是凭借与控制变量、输入输出空间的分辨率或精度相关的先验知识。 b 输入输出空间的模糊划分 太原理工大学硕士学位论文 模糊控制规则的每一个语言变量都形成个与确定论域性对应的 横期豹输入，在结论中鹣添言变羹形成揆嬲辕窭。一般说，语言变量 与术语集合相联系每一个术语被定义在同一个论域。模糊划分就怒确 定基本模糊集的数目；基本模襁集决定一个模赣邋辑控铡器靛控翻分 辨搴。 2 模糊规则的选择( 规则库) 模糊援则的选择过程可分为三个部分：选择邂当的模糊语言变量、 确定各语畜变量的隶属函数、建立模糊控制规则。 ( 1 ) 摸襁语言变量戆选择：主要投据摸裁语言定义由锾法艇则生艘 适当的模糊语言值，根据语义规则确定语言值的隶属度函数、确定语 言变量豹论域等。在确定语言交豢对，营先应确怒萁基本语言餐，奶 在确定温度时，可表示为“高”、“中”、“低”然后根据实际设计需要 寇义若干个模糊语言子菹，如“鬣高“、”较高“、”狠鬣“、”较低” 等。一般来讲，一个语言变量的谣言值越多，其对事物的描述就越真 切，单不能过多，否则影响系统的响应特性。一般，误麓和误差变化 等浯言变攫的语言篷可取为“受大、负小、零、正小、正大”或“负 大、负中、负小、零、正小、正中、正大”或是“负大、负中、负小、 负零、歪零、_ 芷，j 、正孛、歪大”这三秽。 ( 2 ) 语言值隶属度函数的确定：模糊语言值实际上是一个模糊子集， 谤言值楚通过隶藕度函数来捂述的。语誉僮静隶属痊丞数又舔为语言 德的语义规则，隶属度函数可以是连续的或者是离散的。连续的隶属 度函数描述起来较为精确，而离散的量纯等级闯洁直观荔于理解。隶 鼹凄函数的类型主要有以下几种类型：( 1 ) 三角形型，可用数学描述 为： 太原理工大学硕士学位论文 ，、f ( x a ) ( b a )若口 x b 。2 1 ( x c ) ( 6 一c )；g b x c 常见的隶属度函数形状如图3 - 5 示。 “( x 1 o u ( x ) n b n mn s23p sp m p b 嗽浙一 b 幽3 - 5 三角形隶属度函数 图a ) 表示三角形函数的形状；图b ) 表示常用的三角形函数。其中 七个模糊子集为 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大) ；( 2 ) 由三角形隶属函数可变化形成梯形隶属函数；( 3 ) 高斯型隶属函数， 它是描述模糊子集较为合理的一种形式，其数学表达为： 1 1 ( x ) = e x p ( 一( x - c ) 2 o2 ) 这种隶属函数的特点是连续并且点点可求导，比较适合于自适应、 自学习模糊控制系统的隶属函数的在线修正。 隶属函数经量化也是常用的一种隶属函数构建方法。如假设误差e 的论域为x ，取其模糊语言值为 n b ，n s ，z o ，p s ，p b ) ，设论域x 为 3 ，3 并将其离散化为7 个等级： x = ( 一3 ，2 ，1 ，0 ，1 ，2 ，3 ) 如果精确量的实际范围为( a ，b ) ，则还应将其转换到区间 一3 ，3 上，转化的公式为： y 2 6 i x - ( a + b ) 2 ( b - a ) 模糊控制器的隶属度函数的选择对模糊控制性能的影响较大，一 太原理工大学硕士学位论文 般说来隶属函数的形状越陡，其分辨率就越高，其控制灵敏度就越高。 如隶属函数的形状较平缓，则系统的稳定性较好，因此，在选择语言 值的隶属度函数时，一般在零误差的附近区域采用分辨率较高的隶属 度函数，而在误差较大的区域可以采用分辨率较低的隶属度函数，这 样系统的鲁棒性较高。 ( 3 ) 模糊控制规则的建立 模糊控制规则的设计原则是：当误差较大时控制量应尽量使的误 差减小；当误差较小时应尽量消除误差的同时，还要防止出现较大的 超条现象。模糊控制规则建立主要有两种方法： a ) 经验归纳法：这种方法是根据人的控制经验和直觉推理，经加 工提炼出来构成模糊控制规则的方法。人的控制经验和控制策略是在 实践中通过不断学习、积累、不断摸索思考总结出来的。这需要设计 人员从实践中总结、归纳并进行语言抽象描述。 b ) 推理合成法：推理合成法是建立模糊控制规则的常用的有效方 法。其主要思想是根据已有的输入输出数据对，通过模糊推理合成方 法求取被控系统的模糊控制规则。 ( 四) 模糊逻辑推理 模糊规则确定后，下一步是进行模糊推理。模糊推理有时也叫做 似然推理，其一般形式为： 一维形式： i fxi s a i ，t h e n yi s b l i fxi s a 2 ，t h e n yi s b 2 - 二维形式： i f x i s a la n d y i s b l ，t h e n z i s e l 太原理工人学硕士学位论文 i f x i s a 2 a n d y i s b 2 ，t h e n z i s c 二 这类推理反映了人们的思维方式，这是传统的推理形式所不能实 现的。当给定的前提为模糊集时，可以采用似然推理方法进行推理。 但是在模糊控制中，这种推理方法一般不直接用，因为在实际的控制 中得到的新的输入量( 误差或误差变化) 往往不是一个模糊子集，而 是一些孤立的点。此时模糊规则有所不同，一般可分为三种：m a m d a n i 推理法、拉森推理法、t s u k a m o t o 推理法。 ( 五) 精确化过程 通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但是在实际应用中， 特别是在模糊控制中，必须有一个确定的值才能去控制或驱动系统的 执行机构。在推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理 结果可能性的精确值的过程就完成了精确化过程，精确化方法有： a 最大隶属度函数法 取所有的规则推理结果的模糊集合中隶属度最大的元素作为输出 值。例如，论域v 中元素v c v ，则输出v 。= m a x h ( v ) ，如果在输出论域 v 中，其最大隶属度函数对应的输出值多于一个时，可以取所有最大隶 属度输出的平均。最大隶属度函数法不用考虑输出函数的形状，只考 虑其最大隶属度值处的输出值。所以会丢失一些信息。其最大的优点 是计算简单。适合于控制要求不太高的场合。 b 重心法 重心法是取模糊隶属度曲线与横坐标围成面积的重心作为模糊推 理的最终输出值，用公式表示就是 旷糕 对具有n 个输出量化等级的离散论域情况，用公式表示为 太原理工大学硕士学位论文 v ，、( v 。) v ，= 型f 一 。( v ，) 与最大隶属度法比较，重心法的输出较平滑。 c 加权平均法 加权平均法的最终输出值可由下式表示： v , k 。 v 。2 型- k ， l = l 式中的系数k 可根据实际情况来定。不同的大小对应不同的响应 特性。当k i 2 。( v ，) 时即表示重心法。 第二节模糊控制算法 模糊控制算法就是把连续输入的精确量转化为模糊量，通过模糊 推理的算法过程求出精确的控制量的过程。模糊控制算法有多种实