开题报告-高施琛-12721381

1、研究生学位论文开题报告电液比例同步系统特性仿真与算法研究 学位级别 硕士 学科专业 机械制造及其自动化 姓 名 高施琛 指导教师 邢科礼 入学年月 2012.9 填表日期 2014年 1 月 8日目录题目：电液比例同步系统特性仿真与算法研究11. 课题背景及研究目的11.1 课题来源11.2 课题背景12. 国内外研究现状22.1 国内外研究现状23. 主要研究内容、研究方法33.1 研究内容33.2 研究方法54. 预计困难和决策64.1预计困难和决策65. 预期结果及创新点65.1 预期结果65.2 创新点76. 论文工作计划77. 主要参考文献78题目：电液比例同步系统特性仿真与算法研究

2、 1. 课题背景及研究目的1.1 课题来源 自选。1.2 课题背景在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力连续成比例地受到控制，都可以称为电液比例控制系统。随着现代机械加工业和航天航空技术的发展，越来越多的各类金属加工设备、冶金机械、工程机械及航天与航空驱动装置等高精度的同步驱动技术的需求也愈加迫切。与其他驱动方式相比，液压同步驱动方式具有结构简单、组成方便、易于控制和适宜大功率场合等的特点。随着现代工业的飞速发展，电液比例技术已广泛应用于精度要求较高的机械加工、冶金和装备制造等行业。在这些行业中，许多液压设备都需要实现精确的同步控制，以获得精密的工件和完成精细的工作

3、，而采用电液比例阀组成的闭环控制系统就能很好的实现精确的同步控制。综上所述，对电液比例同步系统的研究有着很重要的现实意义和时代背景。1.3研究目的目前，液压同步驱动在航天航空和机械加工等装置中应用越来越广泛。然后由于液压同步系统中元件加工精度、性能及装配精度以及液压同步系统的非线性和时变性等因素影响，保证高精度的同步具有一定难度。故同步控制系统的关键是价格、高同步精度问题。因此，如何开发、研制出高精度、价格合理的同步控制系统就成为工程技术人员普遍关心和研究的热点问题之一。由于电液伺服器件的价格过于昂贵，对油质要求十分严格，控制损失（阀压降）较大。使伺服技术难以更广泛的工业应用所接受。在很多工业

4、场合，要求有一般的高质量的控制手段，却并不要求太高的控制精度或响应性。现代工业的迅猛发展，要求开发一种廉价、节能、维护方便、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术。课题搭建电液比例同步系统模型，利用Matlab/Simulink进行仿真，分析其静态与动态特性，利用Matlab编写控制算法，分析运用不同算法的条件下其响应特性。课题的研究，将有助于对电液比例同步系统的模型分析、算法优化，从而对开发一种满足现代工业控制系统实际需要的电液比例同步系统有着积极的作用。2. 国内外研究现状2.1 国内外研究现状液压同步控制策略分为刚性连接控制法和柔性控制法，是整个同步系统必不可少的部

5、分。刚性控制技术误差较大，国内外已经较少采用，主要介绍一下柔性连接控制法，主要包括开环同步控制和闭环同步控制。 开环同步控制技术包括以下几种类型：（1） 通过刚性联接的同步回路。这种同步回路是用刚性梁、齿轮及齿条等机械零件，使两个油缸的活塞杆之间刚性的运动联系来实现位移的同步。同步精度取决于机构的刚性。但只适于同步距离近、负载差别小的场合，否则可能会发生卡死现象。（2） 采用多头泵的同步回路。选用多头泵来实现多缸同步控制，优点是结构简单，精度较高，控制精度可在1%左右，缺点是液压管路布置复杂。（3） 采用调速阀的同步控制回路。选用节流阀来保证多缸的同步控制。这样做的优点是结构简单，可以单个缸进

6、行手动控制和调节。缺点是操作复杂。（4） 使用分流集流阀的同步回路。使用分流集流阀的同步回路，使两油缸在承受同一负载时仍能获得相等的流量而实现运动速度的同步，其液压系统简单经济，采用国产的阀该方案的同步控制精度在 5%左右，国外的阀在 3%左右，另外这种方案同时只能控制两个缸同步。小结：以上方案的特点是：结构简单、造价低廉，动态特性差，一旦出现不同步，不能进行调整，不能消除或抑制对高精度同步的不利因素的影响。 闭环同步控制技术包括以下几种类型：（1） 应用电液比例阀的同步回路。电液比例阀造价较低、抗污能力强、性能良好，所以被广泛应用于系统频率响应适中且需要较高同步精度的场合。其控制精度取决于位

7、移传感器的检测精度及比例阀的响应特性，理论上没有累计误差。（2） 应用电液伺服阀的同步回路。电液伺服系统是一种以液压动力元件作为执行机构，根据负反馈原理，使系统的输出跟踪给定信号的控制系统。它不仅能自动、准确、快速地复现输入信号的变化规律，而且可对输入量进行变换与放大。伺服阀的精度高、响应快，由它组成的液压同步闭环控制系统不仅具有较高的响应速度，而且同步控制精度高。 小结：闭环液压同步控制技术则与开环同步相比优越很多，结构复杂，成本较高。由于电液比例位置控制系统是一种典型的非线性、时变性系统。系统中的阻尼、速度增益和液压固有频率往往会随运动状态而变化。在位置控制下，从稳定性考虑，由于比例方向节

8、流阀的变流量死去特性，及时比例方向阀阀口工作在很小开度，阀芯仍要做较大的位移调节（越过死区），这就使比例方向阀的流量响应比阀芯位移响应慢很多，系统的控制性能明显下降。这些特点使得常规电气伺服控制中常用的基于线性化模型的经典控制方法运用在电液比例位置系统，未必能获得满意的效果。顾临怡等人用比例方向节流阀控制单杆液压缸，液压缸活塞的位置由光栅检测后构成系统的位置闭环，经控制器控制比例方向阀的电磁铁的电流。控制算法采用自学习模糊控制，试验结果表明，该算法具有良好的鲁棒性和自学习能力，使系统具有优良的位置控制特性。高建臣等人以模糊理论为基础，设计了一种可以实时地进行模糊运算和模糊推理的控制器，成功地实

9、现了液压缸位置伺服系统的模糊控制。通过仿真和试验研究，将模糊控制器的动态性能和传统的PID控制器进行比较，验证了模糊控制应用在液压控制系统的优越性。黄德欢等人对比例方向节流阀控制双杆液压缸，采用闭环方式。控制算法采用模型参考自适应，并和常见的PID控制、PD+PID控制和状态反馈控制等方式进行了实验对比。结果过表明，该算法可改善电液比例位置的控制性能，且使该系统具有较好的工况适应能力。韩波等人采用两个油缸位置分别由两个光栅传感器检测，构成系统位置闭环。控制算法采用死区自学习算法、变增益算法及单边流量增益数字补偿。试验结果表明，在不增加系统复杂程度及硬件成本下，采用该算法可得到很好的补偿效果，还

10、能提高系统的稳定性和抗干扰能力。从现有的控制算法来看，模糊控制在液压同步系统中的应用较广，而模糊控制与其他控制技术的结合在电液比例和伺服控制也得到了广泛的研究。对于电液比例控制技术，国内不仅已开展研究而且已达到广泛的实际应用，但目前国内的制造和技术还落后于国际水平。我国电液比例技术到20世纪70年代中期开始发展，在国内的应用，尤其在工程机械上的开发应用才刚起步。总的来看，我国电液伺服、比例技术与国际水平相比有较大差距，主要表现在：缺乏主导系列产品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，各类比例泵、比例阀等，国内设计生产的品种少，并缺乏足够的工业性试验研究；在控制技术方面，自动化程度不高，性能水平

11、较低，品质不稳定，可靠性较差等，都有碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。3. 主要研究内容、研究方法3.1 研究内容本课题以液压同步系统特性仿真与算法研究为目的，其主要研究内容如下：1. 液压同步策略的选择。(1) 基于电液比例的位置控制分析。电液比例位置控制是指利用速度控制系统，通过位置电气转换装置，把与位置有关的电信号反馈到比例电控器的输入端，使控制对象能在给定位置上定位的控制方式。可以采用比例节流阀或比例方向阀，其控制的工作原理基本相同。如下图所示： （2）液压同步控制策略。 对于液压同步闭环控制有以下几种策略： 主从方式：指多个需同步控制的执行元件，以其中一个的输出为理想输出，

12、而其余的执行元件跟踪这一理想输出并达到同步驱动。这种控制方式的同步误差取决于其余回路的跟踪误差。其控制原理如下图所示： 等同方式：指多个需同步控制的执行元件跟踪设定的理想输出，每个执行元件均各自受控，从而达到同步驱动。同步误差取决于同步系统的跟踪误差的差值。由于是对同一信号的跟踪，当各控制回路的跟踪性能比较接近时，这类系统同步跟踪精度可以比“主从方式”更好。其控制示意图如下图所示：为获得高精度的同步输出，如果按“等同方式”工作，需建立严格的体系模型，对系统中执行、反馈、检测以及控制元件的参数和性能的匹配要求高，这显然给工业实现增加了难度，甚至是不可行的。因而，在实际工业控制中，“主从方式”被广

13、泛应用。 交叉耦合方式：交叉耦合控制旨在解决多轴运动系统中由于外界干扰因素导致各轴动态特性不匹配问题而提出的一种同步反馈控制。其核心思想是通过耦合作用和控制相对运动参数实现同步控制的目的。这种同步控制方案可以有效改善被控子系统间的相互运动同步，极大提高了跟踪精度，后来成为了多轴系统同步运动控制的标准模式。2. 构建电液比例同步系统模型。构建电液比例同步系统模型包括以下环节：（1）主控制器环节；（2）比例阀放大器环节；（3）先导型电液比例阀环节；（4）电磁换向阀液压缸负载环节；（5）位移反馈环节。对以上的环节分别构建数学模型或者求出其传递函数，再构建整个系统模型或者系统的闭环传递函数。为系统仿真

14、准备好模型或者传递函数。3. 利用Matlab/Simulink对电液比例同步系统进行仿真，分析其静态、动态特性。Simulink是Matlab最重要的组件之一，它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink具有适用面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。 对已经构建的电液比例同步系统模型，利用Simulink进行仿真，得出系统的静态特性和动态特性。4. 基于Matlab编写控制算法、仿真。MATL

15、AB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。 利用MATLAB分别编写常规PID、基于神经网络的PID算法、基于遗传算法的PID算法，并分别进行仿真、比较、综合分析，以便得出适应于实际工业应用的控制算法和参数。5. 试验验证。搭建一个液压同步系统试验平台，对新开发的算法进行验证，得出结论。3.2 研究方法本课题研究方法有MATLAB、神经网络、遗传算法、数值分析法等。MATLAB包括MATLAB和Simulink两大部分，MATLAB在进行算法编写、研究方面很有优

16、势，Simulink可以根据系统的传递函数或者数学模型进行仿真。神经网络应用于控制系统设计主要是针对系统的非线性、不确定性和复杂性进行的。由于神经网络的适应能力、并行处理能力和它的鲁棒性，使采用神经网络的控制系统具有更强的适应性和鲁棒性。因而，神经网络在控制系统中一般起到以下作用：1，充当系统的模型，构成各种控制结构；2，直接用作控制器；3，在控制系统中起优化计算的作用。遗传算法是一种新型的、模拟生物进化机制的随机化搜索和优化方法，具有并行计算、全局收敛、编码操作等特点。由于其算法结构的开放性，易于与问题结合，便于运算，已成功的应用于求解多种复杂的优化问题。用遗传算法优化设计PID的三个系数，

17、有以下优点：1，与单纯形法相比，它克服了淡出形法的初值敏感性；2，与专家整定法相比，它具有操作方便、速度快的优点，不需要复杂的规则，只需对字符串进行复制、交叉、变异运算，便可达到寻优；3，它可以用于多目标寻优，在解空间进行高效启发式搜索，从而提高了运算速度。4. 预计困难和决策4.1预计困难和决策本课题预计困难和决策如下：1. 同步控制策略。由于同步控制方式多种多样，选取合适的同步控制方案将有助于控制成本和提高控制精度；同时基于不同的同步控制方式，也有不同的最优控制算法。根据三种同步控制方式的各自特点，将对三种控制方式基于不同控制算法进行仿真，进行对比，选择最合适的同步控制方式和控制控制算法。

18、2. 比例阀非线性问题。由于比例阀存在死区和非线性问题，使得对单个油缸的控制都存在一定偏差，因此要求系统实现闭环控制；而在同步控制中，要实现两个缸的同步，这就首先要求两个单缸的控制精度达到控制要求，再实现同步。根据同步控制方式的特点，将“主从同步”方式作为重点研究对象进行探讨。3. 同步控制算法的编写。由于比例阀存在死区和非线性，使得基于线性化模型的经典控制方法很难满足控制要求。目前模糊控制得到广泛应用，而开发基于模糊控制与其他控制技术结合的一种算法，既要满足实际工业需要，又要降低开发成本，将是一种挑战。初步设想利用Matlab神经网络工具箱进行神经网络算法的编写、调试，利用Matlab遗传算

19、法工具箱进行遗传算法的编写、调试。5. 预期结果及创新点5.1 预期结果对电液比例同步系统进行特性仿真，将分析出电液比例同步系统其静态和动态特性；对多种控制算法进行仿真、比较，得出结论，找到满足符合实际需要的控制算法。本课题已经取得一定进展，在接下来的时间里，再接再厉，肯定能达到预期目标。5.2 创新点采用神经网络算法和遗传算法编写控制算法，并进行比较，得出满足实际需要的最优算法。6. 论文工作计划2013.122014.1 查阅国内外相关文献，电液比例同步系统的工作原理，了解国内外电液比例同步系统的设计思路、策略2014.12014.3 查阅MATLAB和Simulink相关资料，掌握与论文

20、相关技巧2014.32014.5 查阅神经网络、遗传算法的相关资料，为编写控制算法夯实基础2014.52014.6 对电液比例系统进行理论分析，并用Simulink建立模型2014.62014.7 利用Simulink对电液比例同步系统进行仿真，得出其静态、动态特性2014.72014.10 利用Matlab编写相关算法，并进行相关调试，仿真，得出仿真结果2014.102014.11 分析控制算法仿真结果，并对相关算法进行整合，开发出最优算法2014.112014.12 利用最后得出的最优算法，进行仿真，试验。得出最终的仿真数据及相关曲线2014.122015.1 完成数据整理分析，撰写论文7

21、. 主要参考文献1 刘保杰，强宝民，权辉.电液比例位置控制系统建模与仿真J.Hydraulics Pneumatics&Seals，2011.No.11.2 王仁福.几种典型液压同步系统探讨J.四川冶金，2007年 6月.3 黄明辉，熊欢欢，赵啸林，段俊，刘新良.模糊PID在液压机位置控制系统中的应用J.控制工程，2011年 1月4 邱士浩，胡大邦，胡军.PID、Fuzzy及Fuzzy-PID算法在液压同步系统中的应用比较J.重庆科技学院学报（自然科学版），2007年9月5 吴小洪，吴百海，虞秀敏，张建军，李四阶.泵空多缸液压同步系统的研究及模拟试验J.机床与液压，1998(3)6 许

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