（机械制造及其自动化专业论文）液体粘性调速离合器中模糊控制的应用研究.pdf

上海犬学磺士学位论文 摘要 液体粘性赞动是7 0 年代中期发展越来的一种新型流体传动形式，基于这 项技术乏上磺剃劳生产掇7 液体糕性谰速离会嚣。终为袈一代豹动力传动装 景，液体粘性调速离合器体现蜘启动及运行乎穗、调遴灵敏、操作简便、安 全霉靠众多蕊悫，广泛痰震予狯金、纯z 、毫力等部稳。嚣戴，对予这释装 置本身的机理和控制特性的探讨研究就姓得十分有必要，有利予提高其在工 程串鹘瘫蘑价傻。 本文介绍了液体粘性调速离合器的工作原理，分析了系统擞要环节的工 作特性。并从传统控制的角度，根据莱一具体型号机器的实验数据，简化若 干秘理条传，构造了一个簿单豹控制模型，对葜控剃特性进行了讨论。 为获得一个性能较为理想，应用方便的控制器，同时考虑劐对于液体粘 性谖逮凑合器蜜舔存在豹复杂燃戳及没骞一令耩凑豹搂透，本交透爨模糖控 制技术作为实现的方法。 本文牵，戳a v r 擎舞祝与辩缓程道舞器俘技术为臻洛禁构豹舞匿避辑毫 路构筑成了模糊控制器的硬件系统。在模糊控制实现中，根据控制对象的特 煮，墨攫妻奏逮蘑箕煮懒控镧纛煳蓬舞壤鬓辱妻德媳控剿焘撩疆二进 南4 代码的形式写入芯片中的f l a s h ，以供在现场控瓤过穰中进行爨时查询，输 出控制嫩。 扶摸颧控制嚣豹调试爨傍冀孛，基本主验谈了控豢l 器豹运器特犍，取褥 了一定的效果。但同时也表明了不足和需要改进的地方，为以尉工作的滋一 步深入封下了基继。 荚键词：液体粘性调速离合器模糊控制查表法a v r 单片机 上海大学硕士学位论文 a b s i r a c t l t y d r o v i s e o u sd r i v ew a sd e v e l o p e d a san e wf l u i dt r a n s m i s s i o ni nt h em i d d l eo f s e v e n t i e s ，2 0 t l ac e n t u r y i t i st h i sn c wt e e l a n o l o g yt h a tw o ts p e e d i n gd u t c hh a s o r i g i n a t e df x o m b e i n g8n e w t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m ，w e ts p e e d i n gd u t c hi ss a f e a n d s t a b l e 。a b l et o $ t l l l ta n dl u ns m o o t h l y , o p e r a t ee a s i l ye t e ，w l a i e hi sw i d e l yu s e di n t h ea m ao fm e t a l l u r g y , c h e m i c a la n dp o w e ri n d u s t r y s oi no r d e rt o i m p r o v e i t s c a p a b i l i t y i n a p p l i c a t i o n ，i t i s n e c e s s a r y t o s t u d y i t sm e c h a n i s ma n dc o n t r o l p e r f o r m a n c e t h e p a p e ri n t r o d u c e st l a em e c h a n i s m o fw e ts p e e d i n gc l u t c h ，a n a l y s e st h em a i n p a r t so f t h es y s t e m t h e ni nt h ew a yo ft r a d i t i o n a lc o n t r o l ，w i t h o u tc o n s i d e r i n gs o m e ： p h y s i c a lc o n d i t i o n s ，as i m p l e c o n t r o lm o d e li sc o n s t r u c t e da n di t sc o n t r o lp e r f o r m a n c e i sd i s c u s s e d ，w h i c hi sb a s e do nac e r t a i nt y p eo fm a c l a i n e f o rt h ec o m p l e x i t yo fw e t s p e e d i n gc l u t c ha n d w i t h o u t 龃a c ：c l l r a t cd e s c r i p t i o n ，i t i sa p p r o p r i a t et oa d o p tf u z z yc o n t r o l t e c h n o l o g y t or e a l i z et h ec o n t r o l l e r , w h i c hc a nb e e a s i l ya p p l i e d a n dh o l dag o o dc o n t r o l p e r f o r m a n c e t h eh a r d w a r eo ft h ef u z z yc o n t r o l l e ri sb a s e d0 1 1t h el o g i cc i r c u i ti nw l a i e ht h e c o r ep a r t sa l ea v r s i n g l ed r i pm i c r o p r o c e s s o ra n dc p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l 0 西cd e v i c e ) i nt h er e a l i z a t i o no ff u z z yc o n t r o l ，d e p e n d i a go nt h ef e a t u r e so f c o n t r o lo b j e c t i v e ，i nt h i sp a p e ri ti ss e l e c t e dt h em e t h o do ft h ec o n t r o lt a b l et oi n d e x a n do u t p u tt h ec o n t r o lv a r i a b l ei nr e a l t i m e ，w h i c hi sw r i t t e ni nt h of l a s ho f c h i pb y m e a l - i so f b i n a r yc o d e a tl a s t ，i nt h et e s t i n ga n ds i m u l a t i o n ，t h ec o n t r o l l e rp e r f o r m sw e l l ，a tt h e $ a i l 3 c t i m e ，i ta l s op o i n t so u tt h ed e f i c i e n c ya n dw e a k n e s s ，w h i c hi sh e l p f u lt ot h ei m p r o v i n g w o r ka f t e r w a r d s k e yw o r d s ： w e t s p e e d c l u t c h f u z z y c o n t r o l c o n t r o lt a b l ea v r s i n g l ec h i p n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：日期： 上海大学项士学位论文 第一章引言 1 1 液体粘性调速离合器 传动技术是机械制造工业中最重要的领域之一，因为只要有运动的地方就需 要有传动。无论何种形式的能量，如想变为特定的功用，就必须通过传动装置来 实现预定的转速、扭矩、运动形式和运动方向。在近几十年中，流体传动技术已 经取得令人瞩目的进步，其应用范围覆盖了各行各业【u 。 而液体粘性传动是7 0 年代中期发展起来的一种新型流体传动形式，它利用存 在于主、从动件之间的油膜剪切作用力来传递动力，也称为油膜剪切传动，是流 体传动技术发展中的重要领域。它能够实现主、从动轴之间的无级调速和同步运 行，并且还能对传动系统进行过载保护。液体粘性传动中的无级调整离合器在结 构上与湿式多片摩擦离合器相似，但在工作机理上有着较大差异。简单地说，湿 式摩擦离合器主要有责任中工作状态，郎结合和分离状态，两种状态之间的过渡 时间通常很短。而液体粘性离合器除了具有结合和分离状态外，还具有十分重要 的粘性传动状态。在液态粘性传动中，利用电液控制的方法，通过改变摩擦片之 间的油膜厚度( 间隙) ，能够对输出轴的速度和所传递的扭矩进行控制，从而实现 对输出轴的无级调速。 液体粘性调速离合器是国外2 0 世纪7 0 年代开发的一种新型高效机械调速装 置，技术已经成熟，并且形成了系列化产品。美国已经可以提供最大功率和转速 为1 5 0 0 0 k w 、1 8 0 0 r m i n 和5 2 0 0 k w 、3 6 0 0 r m i n 的产品。现在美、日等国已在各 行业广泛应用这种产品实施水泵、风机调速运行【3 】。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始研制液体粘性调速离合器，1 9 8 6 年首批t l 型产 品通过部级鉴定。为在电力系统推广应用这项新技术，1 9 8 8 年初原国家经委能源 局指定热工研究院在火电厂进行现场试验研究，并将其安装在案电厂一台3 5 0k w 的锅炉给水泵上，对其使用性能、节电效果及可靠性进行了全面试验研究。试验 结果表明，给水泵采用液体粘性调速离合器可以窑熬爨饿蜃攒，摩功厘运行平 爨，调趔曝熬，同掣性熊好，爨绳冀馕二。塞全瓤靠。在单元制运行方式按年运行 7 0 0 0 h 和平均负荷8 0 计算，年节电约6 2 万k w h ，节电率占2 0 ；如按平 均负荷7 0 计算，年节电率可达到27 。 通过近几年来在冶金、化工、电力等部门多方面的试用证明：液体粘性调速 上海大学硕士学位论文 离合器是新一代的动力传动装置，具有操作方便、调速灵敏、运行平稳、节电效 果显著等特点，使用效果良好，已具备了扩大使用的条件。各种行业中的管道输 油泵、清水泵、循环水泵、给水泵；高炉、化铁炉、烧结厂、火力发电厂等的风 机、鼓风机；化工厂的原料泵、冷却泵和风机均可使用【2 】。 1 2 液体粘性传动的工作原理及特点 液体粘性传动技术是冲破两个传统的观念之后发展起来的，即：1 、必须改变 那种认为在两个相对运动的金属表面间加入工作油，只是起到减小摩擦阻力的润 滑作用，否则很难使人想到可以利用油膜的剪切作用来传递很大的动力；2 、必 须改变那种认为长期处于相对运动的摩擦砸，由于打滑会导致发热，甚至引起摩 擦面的烧伤和工作油的温度过高而无法继续工作。液体粘性传动正是在结构上和 技术上解决了上述两个问题后才得到发展和应用的【4 】。 液体粘性传动的分类如下： ( 1 ) 根据油膜的几何形状主要可分为圆柱油膜、圆锥油膜和圆盘油膜( 图1 - 1 ) ； ( 2 ) 根据在工作过程中油膜厚度是否变化可分为油膜厚度不变的液体粘性传动 和油膜厚度可变的液体粘性传动。通常把对发动机风扇进行调速用的油膜厚度不 变的液体粘性传动称为硅油风扇离合器、而把对风机水泵调速用的油膜厚度可变 的液体粘性传动称为滑差离合器、调速离合器、奥米伽离合器和同步传动等，后 者正确的称呼应是液体粘性调速离合器； ( 3 ) 根据主被动件的工作情况不n - 分为主动件旋转而被动件不动和主被动件 均旋转： 图1 - 1 圆柱油膜 圆盘油膜 2 上海大学硕士学位论文 “) 根据液体粘性传动是否与其它类型传动联合可分为单式液体粘性传动和复 合式液体粘性传动。 一、液体粘性传动的工作原理 1 、牛顿内摩擦定律 液体粘性传动基于牛顿内摩擦定律，其大致内容如下( 图i 2 ) e 两块平行放置 的平板之间，充满粘性的牛顿流体，油膜厚度为6 。当下板保持固定，上板以速 度v 平行于下板运动时，则扳间流体受到剪切。当速度不太高时，流体相邻层间 的流动状态可看作是相互平行移动的层流，粘附在下板表面上流体分予的速度为 零，粘附在上板表面上流体分子的速度为v ，其间变化规律为一直线。此时为了 保持上板恒定的运动速度v ，则所需要的力f 与板的面积a 和速度梯度v 6 ( 或 剪切率) 成正比i 卯。即： f 爿 f = 鲁= 肛苦 式中： ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) f _ 一油膜剪切力( n ) ； t 油膜的切应力( p a ) ； h 流体的动力粘度( p a s ) ； v 两平板的相对速度，或油膜的剪切速度( m ，s ) ； 6 油膜厚度( m ) ； a - 承受油膜剪切作用的面积( m 2 ) 。 由此可见，切应力t 与动力粘度l i 和剪切速度v 成正比，与袖膜厚度6 成反 比。只要结构和各参数选取合理，就可以设计出传递很大功率的液体粘性传动装 置。 a 6 f 3 上海大学硕士学位论文 2 、硅油风扇离合器的工作原理 硅油风扇离合器在径向有许多圆柱油膜来传递动力，工作过程中油膜厚度保 持不变，是通过改变充油量和油膜剪切面积的大小进行调速。硅油风扇离合器的 主动部分与发动机相联，被动部分与风扇相联，工作液体为粘度较大的硅油。 3 、液体粘性调速离合器的工作原理 液体粘性调速离合器在轴向有许多圆盘油膜用来传递动力，工作过程中，通 过改变油膜厚度进行调速液体粘性调速离合器的主动轴通常与电动机相联，输 厂、 入转速可视为常量，被动| 9 | l ；与负载( 水泵或风机) 相联，输出转速为变量，工作液 体为粘度较小的润 l 堂沮。当主动轴转速一定时，如果需要流量小，则使油膜厚度 大，传递转矩小，负载转速低；如果需要流量大，则使油膜厚度小，传递转矩大， 负载转速高，如果需要流量最大，则使油膜厚度为零，并将主动盘和被动盘压紧 成一体，负载转速等于电动机转速，是为同步传动。这样，根据生产工艺流程需 曩丕i 弛镳曩翳，可以通过调蔓堡塞鲍羲鎏来实现，从耍黧魍门调节所鸡孽照 功率损失，可以大量节省用电川。 二、液体粘性传动特点 在使用中，液体粘性传动具有以下特点： ( 1 ) 可实现对输出转速的无级调节； ( 2 ) 调速的灵敏度高； ( 3 ) 采用闭环控制时，转速的稳定精度高； ( 4 ) 易于实现转速调节的遥控和自动控制； ( 5 ) 对于油膜厚度不变的液体粘性传动，输出转速永远小于输入转速，即永远 有转速差和功率损失： + ( 6 ) 对于油膜厚度可变的液体粘性传动，可实现无转速差的伺步传动，此时无 功率损失传动效率为1 0 0 ( 理论值) ； 仍可使电机在轻载下启动，缩短启动电流对电网的冲击时间； ( 8 ) 在启动惯性较大的负载时，可使之缓慢加速，防止传动系统过载： ( 9 ) 可以自动限制传递的转矩，因而对传动系统起到保护作用； ( 1 0 ) 当主动轴的旋转方向不同时，不影响其传动性能。 4 上海大学硬士学位论文 1 3 液体粘性调速离合器结构 液体粘性调速离合器工作时，决定其传递转矩的因素有三个：油的粘度、油 膜厚度、主被动片的转速差。油的粘度大，油膜厚度小，转速差大，则所传递的 转矩大。通常，调速离合器主动轴的转速变化很小，可视为定值。通过调节油膜 厚度从而调节了被动轴的转速。油膜厚度小，传递转矩大，则被动轴转速高。 液粘调速离合器是由离合器本体、控制系统、执行系统及冷却润滑系统组成。 冷却系统由油滤、齿轮泵、油冷却器组成。控制系统由精滤、齿轮泵、电液比例 阀、电子控制器组成。 工作油经主动轴的中心油路和从动轴轮毂上的径向油孔进入主、从动摩擦盘 之间，这些油受主动摩擦盘驱动旋转加速，并且由于从动盘上油槽的作用而形成 流体动力油膜，同时在离心力作用下向外加速运动，使油膜沿整个盘面均匀分 布，如结构示意图1 3 。控制油压通过活塞和执行机构在摩擦盘组的一端施加一 个可变压紧力，当压紧力改变时摩擦盘间的距离就改变。摩擦盘组被压紧的程 度与作用在活塞上的压紧力成正比。可变压紧力由同步驱动控制系统控制，与 输入指令信号相对应【8 】。 图1 - 3 液体粘性调速离合器结构示意图 上海大学硕士学位论文 本章要点： 液体粘性传动是7 0 年代中期发展起来的一种新型流体传动形式，它利用存在 于主、从动件之间的油膜剪切作用力来传递动力； 液体粘性调速离合器工作时，主动轴的转速变化很小，可视为定值。通过调 节油膜厚度从而调节了被动轴的转速，被动轴转速永远小于等于主动轴的转 速。 6 上海大学硕士学位论文 第二章液体粘性调速离合器控制系统分析 2 1 控制系统概述 控制系统按照是否采用反馈信号可分为开环控制系统( o p e nl o o pc o n t r o l s y s t e m ) 和闭环控制系统( c l o s e dl o o p c o n t r o l s y s t e m ) ，。闭环控制系统也称反馈 控制系统( f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m ) 。 开环控制系统若系统的输出量对系统的控制作用不产生影响，即在系统中 无检测反馈闭环回路，则称为开环控制系统。开环控制系统的控制精度取决于控 制系统各部分的精度。因此，只能使用在精度要求不高，并且不存在外部干扰的 场合。但另一方面，开环控制系统一般不存在所谓稳定性问题。 闭环控制系统闭环控制系统是指带信号反馈回路的控制系统。输入信号相 反馈信号( 反馈信号可以是输出信号本身，也可以是它的函数) 之差称为误差信 号。误差信号( 或经处理后的误差信号) 作用于放大元件和执行部件，使系统中受 控对象的输出量趋近于期望值。闭环控制系统的优点是对内部和外部干扰不敏 感，但反馈带来了系统的稳定性问题。 液体粘性调速离合器要求调速范围广和稳定精度高，需采用转速闭环控制系 统。对于闭环控制系统，根据输入信号或受控对象的输出参数的特征，又可以分 为：伺服控制系统、自动调节系统和过程控制系统【5 1 。 伺服闭环控制系统是指系统的她爨熊黪膊樱指令馕曼艘变熊丽变化，其 受控量多是位移、速度、加速度，也可以是力或转矩。 自动调节闭环控制系统是指输出量为常量或随时间变化得很慢的反馈控制 系统，其任务是在内外干扰作用下能够保持输出量为期望的数值。 过程闭环控制系统是指系统输出量是按给定的时间函数实现控制的，如对温 度、压力、流量、液面等的连续控制。因此过程控制也可称为程序控制，在此系 统内往往包含伺服控制系统。 2 2 液体粘性调速离合器控制系统的组成 整个控制系统组成如图2 - 1 所示，包括：调速离合器、液压系统、电液比例 控制环节、控制电路、传感器五个环节。 7 上海大学硕士学位论文 图2 - 1 控制系统示意图 2 2 i 液压系统 液体粘性调速离合器的液压系统由两部分组成润滑供油系统和控制供油系 统，见液压系统示意图2 主。 1 、润滑供油系统工作原理 润滑供油系统的作用是向主被动片间充分供油形成工作抽膜，并将有转速差 时所产生的热量带走，通过冷却器将热量散掉，以保证液体粘性调速离合器的正 常工作。 2 、控制供油系统工作原理 控制供油系统的作用是根据墼塑枣! 煦爨壅垂) 丕圄煎奠( 鲤丕厩转速) 数 要枣，供给油缸以不同的工作油压，传递不同的转矩和转速。从而实现工作机无 级调速的目的。以水泵为例，通常要求供水系统的压力保持定值，而用水量却随 着生产工艺流程而改变。当用水量大时，供水系统压力下降。则需要提高水泵转 速( 即增加泵的出水量) 以保持水管压力恒定。当用水量小时，供水系统压力上升， 则需要降低水泵转速( 即减小泵的出水量) 以保持水管压力恒定。供水系统要保证 的参数是水管压力，而实际的调节参数却悬杰黎羲速。 8 上海大学硕士学位论文 图2 - 2 液压系统示意图 l 、油箱2 、粗滤油器3 、电动机4 、润滑油泵5 、冷却器6 、压力表7 、温度表 8 、电动机9 、控制油泵1 0 、精滤油器1 l 、电液比例溢流阀1 2 、电子控制器1 3 、压力表 1 4 、二位二通电磁阀1 5 、节流孔1 6 、溢流阍 2 2 2 电液比例控制环节 电液比例控制是指按电输入信号调制液压参数。这是一种理想的液压系统与 电子系统的结合，可用于开环或闭环控制系统中，以实现对各种运动进行快速、 稳定和精确的控制。在现代控制系统中，电液比例控制技术获得广泛应用。在液 体粘性调速离合器的控制中，几乎全部应用电液比例控制技术，形成了以此为核 心的电液控制系统。 众所周知，电气和电子技术在信号的检测、放大、处理和传输等方面比其它 方式有明显的优势，特别是现代微电子集成技术和计算机科学的迅速发展，使得 这种技术用于控制系统十分广泛。控制系统的指令及信号处理部分和检测反馈部 分几乎无一例外地采用了电子器件。但是在功率转换放大部分和执行元件部分， 应用液压元件则具有更多的优点【1 3 j 。这是由于： ( 1 ) 液压执行元件的功率重量比和转矩惯性矩比( 或力质量比) 大，具有很大 的功率传递密度。因此，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制元 件。这是由于液压执行元件的功率重量比取决于最高允许压力，实际上只受材料 9 上海大学硕士学位论文 安全强度极限的限制，而且系统中由于功耗所产生的热量。又可以由流体介质通 过冷却器耗散。因此它与常用的电磁执行元件相比，其功率重量比几乎可以大一 个数量级；例如，液压马达的转矩惯性矩比可达直流电动机的1 0 - 5 0 倍，其响应 速度也是电气执行元件所无法相比的； ( 2 ) 液压控制系统的负载刚性大，精度高。由于液压执行元件的泄漏小， 液体介质的体积弹性模量又很大，故具有较大的速度一负载刚性，即速度一力或 转速转速曲线斜率的倒数值很大，因此有可能用于开环系统。用于闭环系统时， 则表现为位置刚度大，其定位精度受负载变化的影响小。液压马达的开环速度刚 性约为电动机的5 倍。电动机的位置冈度很低，无法与液压马达相比； ( 3 ) 液压控制系统可以安全、可靠并快速地实现频繁的带负载启动和制动， 进行正反向直线或旋转运动和动力控制，而且具有很大的调速范围。 液压控制系统还有其它一些优点，如：传动介质可兼有润滑作用，有利于延 长元件的工作寿命；通过管道进行能量分配和传递，比机械方式来得方便；利用 蓄能器很容易实现液压能的贮存和系统的消振等。 当然，液压控制系统也存在着一些缺点，如：效率低；对流体介质的清洁度 要求较高；漏油时易污染环境，故要求系统的密封严密，并保证无对外部的泄漏； 流体介质有一定的温度上、下极限，以及抗燃、防爆等技术的要求；由于液压系 统中许多环节具有非线性特性，故系统的设计和分析较电气控制复杂；以液压方 式实现信号的检测、处理和传递不如电气方式方便等。因此，近年来电气或电子 技术，与液压传动和控制相结合的产物即电液控制技术，获得了极快的发展，因 为这种控制系统兼备了电气和液压技术的双重优势，在现代的控制系统中具有很 强的竞争能力。 电液比例控制的核心是比例阀。其内部的电子放大嚣根据输入信号调整供给 比例电磁铁的电流，电磁铁将此电流转换为作用于滑阀芯，锥阀芯上的力，以克 服弹簧的弹力。如果电流增大，输出的力则相应增大，结果压缩复位弹簧使阀芯 移动。电磁铁断电后，复位弹簧使阀芯返回中位【2 9 l 。 这里我们选用的是a t o s 公司的先导式比例溢流阀，型号r z m o a 0 3 0 。经 过现场多次测试，线性平均后，绘制出工作油压电压关系曲线( 图2 3 ) 。 1 0 上海丈学礤士学倥论文 图2 - 3 工作油压电压关系 2 2 , 3 测速传感器 遥l o 零寒，毙壤旋转缓码器f 戮下麓称旋转缓璐器) 产嚣蠢赉蔫毅技术发震成 为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，主要应用乎检测角度位置也可 逶避辊援联韵转换成奁线运渤来裣潮线毪豫鬣；醚麓毙亥g 鼓零翡飞滚发矮戳及大 批爨生产的开始，旋转编码器的购鼹价格大幅下降，精度以及其他技术指橼也获 得大幅度的提高。常见的癸缝主要商：单榴输出、藏交a b 相增量脉冲输出、绝 对傻格雷码输出、朦点输出，可以防溅、防水、防油、耐震动、抗冲走等等。与 以前使用的梭测旋转角度产品，如凸轮开关、旋转变压器测遴机等相比，在性能、 侩辏、菇积、重量、数字纯方瑟旋转缡鼹器郡县毒较大麴爨势它已成必检测旋转 角度和线性位置的最为重要的手段f 3 1 , 3 2 】。 霾2 4 掰汞为旋转缡玛器豹基本原理：主麓与秘浃嚣蠢耱鑫穗逡，光射入并 通过该光栅时分别用两个光栅面感光。由于两个感光面具有9 0 度的相位差。因 琵，将该输粕输入数字加减计算器就能以分度值来表示角度。 旋转编码嚣主要由光栅、光源、捡读器、信号转换电路、枫械传动等部分缝 成。从光电编码器的输出信号种类来划分可分为增量式和绝对值式两大类。 上海大学硕士学位论文 图2 - 4 旋转编码器原理图 输出，厂 广 厂 输呦 厂 r 厂 l 2 我们选用应用最为广泛的正交a b 相旋转编码器适用于正反向旋转的场合， 需要专门的脉冲接受设备，如果使用在 5 ( 酿转中有基准点的场合，需使用原点 控制。其特点是价格适中，性能价格比好，精度较高，旋 氧触不限，线路简单 ( 4 - 5 路1 。缺点是断电后，计数无法保持。 控制电路详见第4 章。 2 3 液体粘性调速离合器控制模型的稳定性分析 2 3 1 液体粘性调速离合器的工作特性 液体粘性调速离合器工作时，其主被动摩擦片的摩擦状态，根据表面粗糙度 综合值r 与油膜厚度8 的比值关系，可分为液体摩擦、混合摩擦、边界摩擦和 静摩擦四种： 1 、液体摩擦油膜厚度与表面粗糙度综合值的比值约为3 5 以上，摩擦表 面完全被连续的油膜所隔开。液体粘性调速离合器在高转速差时局这种工况： 2 、混合摩擦油膜厚度与表面粗糙度综合值的比值较小( 约为3 以下) ，摩擦 表面的一部分被油膜隔开，另一部分发生部分微凸体问的接触。液体粘性调速离 合器在中转速差时局这种工况； 3 、边界摩擦油膜厚度与表面粗糙度综合值的比值很小( 约为0 4 1 ) ，摩擦 表面微凸体间接触增多，摩擦表面只有极薄的( 约为0 1um 以下1 边界油膜，摩 擦系数急剧增大。液体粘性调速离合器在小转速差时属这种工况，输出转速波动 1 2 上海大学硕士学位论文 较大，为不稳定工作区； 4 、静摩擦油膜厚度为零，主被动摩擦片压紧成一体，相对运动速度为零， 是液体粘性调速离合器的同步传动工况。 2 3 2 液体粘性调速离合器的稳定性分析 研究液体粘性调速离会器的转速稳定性，以及确定其转速稳定工作区域，首 先应建立其控制模型。液体粘性调速离合器主被动摩擦片之间的切应力t 和主动 摩擦片角速度m - 、被动摩擦片输出角速度2 、油膜动力粘度u 、油缸平均推进 压力p 1 有关，其函数表达式为【5 】： t = f f f l 2 ，( i ) 1 ，。2 ，p 1 ) ( 2 1 ) 液体粘性调速离合器输出转矩： 也如 t 2 于切2 d r 。叮2 e ( 胁0 ) i ，z ，p b 2 d r ( 2 2 ) 1 其中：n 为摩擦面数：r l ，r 2 分别为摩擦面内、外半径；r 为摩擦面半径积分 变量。 实际工作时，忽略油膜中温度变化，则u 大致不变，u 。为电动机角速度相 同，保持恒速不变，因此输出转矩t 可表示以c a ) 2 、p 1 为变量的函数： t = f 2 ( p l ，。2 ) ( 2 3 ) 我们称式( 2 - 3 ) 为液体粘性调速离合器的外特性表达式，既建立油缸平均推 进压与输出转矩、力、输出转速的关系。 1 系统增益 把函数t = f 20 l ，6 22 ) 在任意一点a 按泰勒级数展开，略去二阶无穷小，可得： a t ：- a f 2a p l + o f 2 2 ( 2 4 ) 0 p ld 2 其中：a t = t - t a ；a p l = p 1 一p 。：a6 ) 2 = 。2 。2 。 我们令： h 2 乳儿 吐。 沼s ， 1 3 上海大学硕士学位论文 k = a o f 吣2 骱 ( 2 6 ) 所以r - k ，印。+ k ：，吒为a 点的转矩压力增益，k 转速增速。 如不考虑润滑区由于流体剪切变稀作用对热因素的影响、摩擦副表面材料 ( 如纸基材料) 对调速性能的影响、外负荷特性对调速性能的影响等，以文献【6 】 中的具体型号离合器为例，采用其中数据，通过s p s s 数理统计软件，线性拟合 出系统在流体润滑工况条件下t 、p 1 、。2 之间的关系式： t = ( 4 8 0 e 0 5 ) + p 1 + ( - 5 7 3 e 一0 2 ) + 2 + 1 0 4 4 6 ( 2 7 ) 以及混合润滑的工况条件下关系式： t = ( 一5 8 9 e - 0 4 ) + p 1 + ( 一5 0 8 1 ) + 。2 + 8 7 2 5 0 4 ( 2 8 ) m ( 2 - 7 ) 、( 2 8 ) 可分别得出转矩压力增益k 。和转速增速j o 在两种工况下的 数值分别为：一4 8 0 e 0 5 、5 7 3 e - 0 2 ：5 8 9 e 一0 4 、一5 0 8 1 。 2 外负荷增益 我们假设外负载转矩t f 与转速”2 的函数关系为0 = f 3 ：) ，将其在a 点展 开，略去二阶无穷小，可得在a 点的负载系数： 牛薏峨。峨n ( 2 - 9 ) 其中：a t f = t - t f a ，t f a 为a 点的负载转矩； h = 芸f 圳“z ，为a 点的负载系数。( 2 加) 3 动力学方程 。 设外负载的转动惯量为j ，则有根据牛顿第二定理我们可以得到： j 等代加：川 ( 2 - 1 1 ) j d a 出w 2 + k 2 = k 芦卸l + k 批2 ( 2 1 2 ) 1 4 上海太学硕士学位论文 j 垫d t + 一k ) 甜2 一置，印i ( 2 1 3 ) 将其进行拉氏变换，可以得到： 2 一 k _ 一 印。以+ 0 一如) ( 2 1 4 ) 4 电液比例阀的增量传递函数 p l 是由电液比例溢流阀来调节的，电液驱动系统可等效为一个一阶惯性环 节，其增量传递函数为： 蚣击叫 协 其中，au 为输入给定信号增量： k 1 为电液驱动系统的放大倍数( 这里通过实验曲线( 图2 - 3 ) ，假设为 1 0 e 6 ) ： t l 为电液驱动系统的时间常数( 假设为5 0 0 ) 。 5 系统的增量传递函数 由式( 2 - 1 4 ) 、( 2 - 1 5 ) 式可得液体粘性调速离合器在a 点的控制方块图2 - 5 ： 由控制方块图可得液体粘性调速离合器在a 点的增量传递函数： 娜曩a p u l a f o ) 2a 矿c 0 2 丽沼 u p ， u( ，i + k 一k x f ，s + 1 ) 。 为使系统稳定，劳斯稳定判据要求j 0 。一j 乙 0 。 其中已知k 。 0 ，从( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 两式推导出的系统在两种工况下都保持 k 。 整个系统由液体粘性调速离合器、液压系统、电液比例控制阀、控制电路、 光电传感器五个部分组成； 以某具体型号的液体粘性调速离合器为例，抽象简化后成为一个简单的控制 模型，在工作点附件讨论其稳定性。 上毒大学硕士学位论文 第三章模糊控制技术的应用 3 1 智能控制理论 3 1 1 智能控制的产生和发展 从6 0 年代起，由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制界 学者在研究自组织、自学习控制的基础上，为了提高控制系统的自学习能力开始 注意将人工智能技术与方法应用于控制系统【9 】。 6 0 年代初期，e w s m i t h 提出采用性能模式识别器来学习最优控制方法的新 思想，试图利用模式识别技术来解决复杂系统的控制问题。s m i t h 采用线性判别 器作为控制器的核心，先对控制器进行开路训练，确定线性判别函数的系数，即 可用来工作。他在研究报告中指出，当模拟元件损坏2 0 后，性能仅有稍许差 别。 1 9 6 5 年，美国著名控制论专家z a d e h 创立了模糊集合论，为解决复杂系统的 控制问题提供了强有力的效学工具；同年美国著名科学家f e i g e n b a u m 着手研 制世界上第一个专家系统，就在同年，傅京孙首先提出把人工智能中直觉推理方 法用于学习控制系统。1 9 6 6 年，m e n d e l 进一步在空间飞行器的学习控制系统中 应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。直到1 9 6 7 年，l e o n d e s 和m e n d e l 才首先正式使用“智能控制”一词，并把记亿、目标分解答一些简单 的人工智能技术用于学习控制系统，提高了系统处理不确定性问的能力。这就标 志着智能控制的思想已经萌芽【9 】a 从7 0 年代初开始，傅京孙、g l o r i s o 和s a r i d i s 等人从控制沦角度进一步总结 了人工智能技术与自适应、自组织、自学习控制的关系，正式提出了智能控制就 是人工智能技术与控制理论的交叉，并创立了人机交互式分级递阶智能控制的 系统结构。在核反应准、城市交通等控制中成功地应用了智能控制系统。这些研 究成果为分级递阶智能控制的形成奠定了基础。 在7 0 年代中期前后，以模糊集合论为基础，从模仿人的控制决策思想出发， 智能控制在另一个方向规则控制( r u l e b a s e dc o n t r 0 1 ) 上也取得了重要的进展。 i 9 7 4 年，m a m d a n i 将模糊集和模糊语言逻辑用于控制创立了基于模糊语言描 述控制规则的模糊控制器，并被成功地用于工业过程控制。1 9 7 9 年，他又成功 地研制出自组织模糊控制器，使得模糊控制器具有了较高的智能。模糊控制的形 1 8 上海大学硕士学位论文 成和发展、以及与人工智能中的产生式系统、专家系统思想的相互渗透，对智能 控制理论的形成起了十分重要的推动作用。7 0 年代可以看作是智能控制的形成 期【1 0 1 。 进入8 0 年代以来，由于微机的迅速发展以及人工智能的重要领域专家 系统技术的逐渐成熟，使得智能控制和决策的研究及应用领域逐步扩大，并取得 了一批应用成果。例如，1 9 8 2 年f o x 等人实现的加工车间调度专家系统i s i s ； 1 9 8 3 年s a d d i s 把智能控制用于机器人系统1 9 8 4 年l i s p 公司研制成功用于分布 式的实时过程控制专家系统p i c o n ；1 9 8 6 年m l a t t i m e r 和w d g h t 等人开发的 混合专家系统控制器h e x s c o n 是一个实验型的基于知识的实时控制专家系统，用 来处理军事和现代化工业中出现的控制问题。1 9 8 7 年4 月，美国f o x b o r o 公司 公布了新一代的n 系列智能自动控制系统。这种系统体现了传感器技术、自动 控制技术、计算机技术和过程知识在生产自动化应用方面的综合先进水乎。它能 够为用户提供安全可靠的最合适的过程控制系统，这就标志着智能控制系统已由 研制、开发阶段转向应用阶段。 应该特别指出，8 0 年代中后期由于神经网络的研究获得了重要进展，于是这 一领域吸引了众多学科的科学家、学者。如今在控制、计算机、神经生理学等学 科的密切配合下，在“智能控制论”的旗帜下，又在寻求新的合作，神经网络理 论和应用研究为智能控制的研究起到了重要的促进作用。 进入9 0 年代毗来，智能控制的研究势头异常迅猛，1 9 9 2 年4 月，美国国家 自然科学基金委和美国电力研究院联合发出智能控制研究项目倡议书；1 9 9 3 年5 月美国i e e e 控制系统学会智能控制专业委员会成立专家小组，专门探讨智 能控制领域“智能控制”的含义；1 9 9 4 年6 月在美国奥兰多召开9 4 i e e e 全球计 算智能大会，将模糊系统、神经网络、进化计算三方面内容综合在一起召开，引 起国际学术界的广泛关注，因为这三个新学科已成为研究智能控制的重要基础。 智能控制研究涉及到众多领域，从高技术的航天飞机推力矢量的分级智能控 制、空间资源处理设备的高自主控制，到智能故障诊断及控制重新组合，从轧钢 机、汽车喷油系统的神经控制到家电产品的神经模糊控制。如果说智能控制在 8 0 年代的应用和研究主要是面向工业过程控制，那么9 0 年代，智能控制的应用 已经扩大到面向军事、高技术领域和日用家电产品等领域。今天，“智能性，已 上海大学硕士学位论文 经成为衡量“产品”和“技术”高低的标准。 3 1 2 传统控制和智能控制比较 传统控制是经典控制和现代控制理论的统称，它们的主要特征是基于模型的 控制。由于被控对象越来越复杂，其复杂性表现为高度的非线性，高噪声干扰、 动态突变性以及分散的传感元件与执行元件，分层和分散的决策机构，多时间尺 度，复杂的信息结构等。这些复杂性都难以用精确的数学模型0 数分方程或差分 方程) 来描述。除了上述复杂性外，往往还存在着某些不确定性，不确定性也难 一 以用精确数学方法加以描述。然而，对这样复杂系统的控制性能的要求越来越高， 这样一来，基于精确模型的传统控制就难以解决上述复杂对象的控制问题。在这 样复杂对象的控制问题面前，把人工智能的方法引入控制系统，将控制理论的分 析和洞察能力与人工智能的灵活的框架结合起来，才有可能得到新的认识和新的 控制上的突破。经过近2 0 年来的研究和发展，尤其是近1 0 年来的研究成果表明， 把人工智能的方法和反馈控制理论相结合，解决复杂系统的控制难题是行之有效 的。 从上面论述不难看出，传统控制和智能控制的主要区别就在于它们控制不确 定性和复杂性及达到高的控制性能的能力方面，显然传统控制方法在处理复杂 化、不确定性方面能力低且有时丧失了这种能力。相反，智能控制在处理复杂性、 不确定性方面能力高。用拟人化的方式来表达，即智能控制系统具有拟人的智能 或仿人的智能，这种智能不是智能控制系统中固有的，而是人工赋予的人工智能， 这种智能主要表现在智能决策上。这就表明，智能控制系统的核心是去控制复杂 性和不确定性，而控制的只有效途径就是采用仿人智能控制决策。 传统控制是基于被控对象精确模型的控制方式，这种方式可谓“模型沦”， 而智能控制方式相对于“模型论”可称之为“控制论”，这种控制论实际上是智 能决策论。两种控制方式的基本出发点不同，导致了不同的控制效果。 传统的控制为了控制必须建模，而利用不精确的模型又采用某个固定控制算 法，使整个的控制系统置于模型框架下，缺乏灵活性，缺乏应变性，因此很难胜 任对复杂系统的控制。智能控制的核心是控制决策，采用灵活机动的决策方式迫 使控制朝着期望的目标逼近。基于精确模型论的方法论，乃至控制方法在处理复 杂问题中暴露出的许多弊端f 1 2 】。 2 0 上海大学硕士学位论文 传统控制适于解决线性、时不变等相对简单的控制问题，这些问题用智能方 法同样也可以解决。智能控制是对传统控制理论的发展，传统控制是智能控制的 一个组成部分，是智能控制的低级阶段，在这个意义上，传统控制和智能控制可 以统一在智能控制的框架下。 智能控制的产生来源于被控系统的高度复杂性、高度不确定性及人们要求越 来越高的控制性能，可以概括为，智能控制是“三高三性”的产物，它的创立和 发展需要对当代多种前沿学科、多种先进技术和多种科学方法，加以高度综合和 利用。因此，智能控制无疑是控制理论发展的高级阶段。 3 1 3 智能控制技术特点 智能控制技术是在向人脑学习的过程中不断发展起来的，人脑是一个超级 智能控制系统，它具有实时推理、决策、学习和记忆等功能，能适应各种复杂 的控制环境。对基于精确模型的传统控制技术而言，至少在以下三个方面遇到 了不可逾越的障碍：1 、计算复杂性；2 、未知( 时变) 非线性；3 、不确定性。而 智能控制则能有效地克服这些困难。在控制目标方面，传统控制追求的是最优， 而智能控制追求的则是满意，以换取宝贵的实时性和鲁棒性【2 1 1 。 智能控制作为自动控制理论的前沿学科之一，反映了控制理论界近年来在迎 接对象复杂性的挑战中做出的种种努力。目前，智能控制技术的应用可以说涉及 非常广泛的领域，例如：医学、航空航天、机器人、家电及工业产品、机电设备、 交通工具、仪器仪表、核反应堆控制等。智能控制从理论到应用都得到发展。 智能控制是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础，扩 展了相关的理论和技术，其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗 传算法等理论和自适应控制、自组织控制、自学习控制等技术。智能控制的研究 内容之一就是把智能控制的相关技术与控制方式结合或综合交叉结合构成风格 和功能各异的智能控制系统和智能控制器。由于智能控制所具有的重要特性，因 而受到广泛重视和研究。 一、智能控制技术分析 1 、智能控制的相关技术 目前实现智能控制常用的技术有：模糊逻辑、专家系统、神经网络、遗传算 法及它们的混合技术等。从这些技术中，我们可以总结它们各自的特点如下： 2 1 上海大学硕士学位论文 ( 1 ) 专家系统利用专家知识对专门的或困难的问题进行描述。用专家系统 所构成的专家控制，无论是专家控制系统还是专家控制器，其相对工程费用较高， 而且还涉及自动地获取知识困难、无自学能力、知识面太窄等问题。尽管专家系 统在解决复杂的高级推理中获得较为成功的应用，但是专家控制的实际应用相对 还是比较少； ( 2 ) 模糊逻辑作为模糊语言描述系统，既可以描述应用系统的定