【《二辊矫直机液压控制系统分析案例概述》6400字】

二辊矫直机液压控制系统研究案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u8794二辊矫直机液压控制系统研究案例概述 1225161.1二辊矫直机液压控制系统的控制原理 156361.2阀控液压缸数学模型的建立 2148241.2.1电液伺服阀线性流量方程 310091.2.2液压缸流量连续性方程 5217321.2.3液压缸负荷平衡方程 793001.3二辊矫直机液压控制系统的传递函数 7166011.1.1液压控制系统的传递函数 755611.1.2电液伺服阀的传递函数 9304641.1.3伺服放大器的传递函数 9219931.1.4位移传感器的传递函数 1024651.4基于粒子群优化算法的可变参数PID控制器设计 11130681.5基于PSO算法的改进PID控制器的二辊矫直机液压控制系统仿真 14二辊矫直机液压控制系统液具有自动加热油温、自动开启冷却水、远程显示矫直压力以及液位、压力、过滤器故障报警等功能。矫直压下辊采用独立压下控制回路，确保快速压下和开启。并在主回路中设置有压下腔蓄能器和压力阀，以吸收和稳定矫直过程中的峰值压力，保证工作压力平稳，防止矫直缸超压，从而保护机械设备。1.1二辊矫直机液压控制系统的控制原理二辊矫直机液压控制系统主要由位移传感器，位移控制器，伺服放大器，电动液压伺服阀和液压缸组件组成。通过传感器测得相应的参数值，连续调节液压缸活塞的位移，控制矫直机辊隙，然后控制矫直的质量，其基本工作原理如图3-1所示。图1.1二辊矫直机液压控制系统框图Fig.1.1Theblockdiagramofthehydrauliccontrolsystemofthetwo-rollstraighteningmachine液压辊缝控制系统由压上执行机构和控制系统组成，压上执行机构包括液压缸及其控制元件伺服阀，伺服阀用于控制进入液压缸的液压油流量，然后通过液压缸及机架内的有关机构来控制上辊系的上下移动[12]。液压缸固定在牌坊窗口底部。一个完整的液压缸包括缸体、活塞、缸盖、密封及安装在缸内部的位置传感器和压力传感器。液压源为滑阀提供一定压力和流量的液压油，滑阀是液压放大元件，将电机械转换器的小输出功率机械信号变换为功率大的液压信号，控制液压缸运动，位移传感器将液压缸活塞的位移量反馈给控制器，组成了反馈控制系统。当给出指令信号ui时，反馈信号uf与指令信号ui在控制器里进行比较，得到误差信号ue，ue经放大器放大后得到电流信号i，电机械转换器将电流信号转换为机械动力，带动滑阀阀芯运动。当滑阀阀芯向右移动一个距离后，在滑阀的a和b处形成节流口，节流口大小与误差信号ue成比例。液压油经过节流口流出，进入液压缸无杆腔，推动负载右移，同时位移传感器输出反馈信号uf，使误差信号减小，滑阀的节流口大小也相应减小，直至反馈信号与指令信号的误差ue=0，电机械转换器又回到零位，于是滑阀也处于中间位置，输出流量为零，液压缸停止运动，从而完成了液压缸输出位移对指令信号的跟随运动，实现对辊缝位置的控制。1.2阀控液压缸数学模型的建立二辊矫直机液压控制系统是一个四通对称阀控制非对称液压缸模型，非对称缸也称为单杆出缸，与对称缸相比，结构简单，需要的工作空间较小[13]。液压缸模型如图1.2所示。图1.2液压缸系统原理图Fig.1.2Schematicdiagramofhydrauliccylindersystem该系统由零开度四侧滑阀和不对称液压缸组成。指液压缸活塞杆的位移，指液压缸活塞杆的粘性阻尼系数，指系统的外部负载力，指液压缸伺服阀阀芯的位移，表示节流窗的面积梯度，分别表示液压缸无杆腔和杆腔的工作压力，表示液压缸无杆腔和杆腔的有效工作面积，表示有效工作流入（或流出）至液压缸无杆腔的面积，是指流入（或流出）到液压缸的杆空腔的有效工作区，是指系统的供油压力，是回油压力。假设液压缸无杆腔与杆腔的有效面积比为，然后；假设液压缸的有效工作区域为，则负载流量。供给压力恒定，回油压力等于零；阀门为零开度；没有弹性负载。定义：当活塞杆伸出时，此时，则流入无杆腔的流量为正，流出杆腔的流量也为正；当活塞杆缩回时，此时，则流入无杆腔的流量为负，而从杆腔流出的流量也为负[14]。1.2.1电液伺服阀线性流量方程伺服阀的流量输出是非线性的。可以通过扩展泰勒级数并忽略二阶以上的项来获得伺服阀的线性化流量方程。（1）当活塞速度时伺服阀的线性流量方程为：(3-1)其中是负载压力，，是流量增益，是压力增益。液压控制系统动态分析时通常将原始点处的静态放大系数用作阀门的性能参数。因此在原点的阀系数被认为是零位置阀系数，单独地表示为，表达式为：(3-2)其中，为每个节气门窗的流量系数；为油门窗口1的面积梯度；为伺服阀的排量；为液压油密度；为伺服阀芯和阀套之间的径向间隙；为液压油动态粘度。（2）当活塞速度时伺服阀的线性流量方程如下：(3-3)(3-4)(3-5)其中是流量增益，是压力增益，为节流窗口2的面积梯度。根据上述公式可以看出，阀控非对称液压缸系统的伺服阀的线性流量方程在正负方向上相同，但是控制参数（例如流量增益和压力系数）略有不同。由于在两个不同方向上存在两个不同的方程将给系统的设计和控制带来困难，因此有必要对两个方程进行集成。因为非对称缸杆腔的有效工作面积始终比无杆缸腔的有效工作面积小，因而模糊对称缸活塞杆的收回速度始终比其外伸速度大，因而非对称缸杆的平衡位置始终向无杆腔。即非对称气缸活塞杆在单位时间内收回时的每一个数据的频率比活塞杆外伸时的每一个数据的频率大。因此，我们使用加权平均法在正负两个方向上集成有所差异的数学模型。然后将集成模型用作阀控非对称液压缸的系统模型。(3-6)(3-7)(3-8)(3-9)公式(3-6)-(3-9)也能被表示为：(3-10)根据(3-10)，和的线性化表达式可以表示为：(3-11)(3-12)其中。1.2.2液压缸流量连续性方程（1）当活塞速度时从阀门进到液压缸左腔的流量不仅推进活塞运动，还补偿液体压缩和管道膨胀所需的流量，补偿液压缸内外泄漏所需的流量。流入液压缸左腔（无杆腔）的流量可以表示为：(3-13)其中为液压缸内部的泄漏系数，为液压缸外泄漏系数，为无杆腔的初始体积，为油的有效散装弹性模量，为活塞运动所需的流量，为补偿液体的压缩和管道等的膨胀所需的流量。液压缸右腔（杆腔）的流量可以表示为：(3-14)其中为杆腔的初始体积。（2）当活塞速度时此时，液压缸向左移动（当液压杆收缩时）可推断出流入液压缸右腔的流量（杆腔）可以用公式(3-14)表示。从液压缸左腔（无杆腔）流出的流量可以用公式(3-13)表示。由式（3-13）至式（3-14）得：(3-15)根据零开口四通滑阀的特性，有以下表达式：(3-16)可以得出：(3-17)设为液压缸两腔的总容积，是常数；为总泄漏系数，式(3-15)可以表达为：(3-18)1.2.3液压缸负荷平衡方程（1）当活塞速度忽略活塞与缸体的摩擦力等非线性负载及油液质量的影响，液压缸的输出力与负载力平衡，负载力包括运动件的惯性力、运动件的黏性摩擦力、弹性负载力及其他负载力[15]。通过力分析建立了液压缸活塞杆的力平衡方程，可以表示为：(3-19)其中为活塞和活塞杆上的等效负载质量的总质量；为活塞的粘弹性阻尼系数。（2）当活塞速度通过力分析建立液压缸的活塞和活塞杆的力平衡方程，也可表示为公式(3-19)。1.3二辊矫直机液压控制系统的传递函数1.1.1液压控制系统的传递函数式（3-1）、（3-18）和（3-19）称为四通阀控液压动力机构的基本公式，它们决定了系统的动态特性。对式（3-1）、（3-18）和（3-19）分别进行拉氏变换可以得到： (3-20)(3-21)(3-22)由式（3-20）、式（3-21）和式（3-22），可画出阀控液压缸的方块图如图1.3所示。图1.3阀控液压缸的方块图Fig.1.3Blockdiagramofvalve-controlledhydrauliccylinder图中前向通路为负载压差至液压缸位移，即位移由负载压差算出。合并（3-20）、（3-21）和（3-22）三式，消去中间变量及，可以得到阀控液压缸的传递函数为：(3-23)其中指总的流量-压力系数，为负载的阻尼比，可表示为： (3-24)为负载弹簧与负载质量构成的机械系统固有频率，可表示为： (3-25)为液压弹簧和负载并联工作与负载质量构成的系统固有频率，可表示为： (3-26)为液压弹簧与负载弹簧串联耦合时的刚度与阻尼系数之比，可表示为： (3-27)为阻尼比，可表示为： (3-28)1.1.2电液伺服阀的传递函数电液伺服阀的输出一般以其空载流量表示，若液压执行器的固有频率小于50Hz，伺服阀的阀芯位移与输入控制电流的动态相互关系可由一阶环节表达：(3-29)式中是电液伺服阀固有频率，是伺服阀放大系数，是拉普拉斯算子。为了避免对系统动态特性的干扰，通常将电液伺服阀的固有频率设置较高的值。但不可过高，以免系统中的高频噪声信号将干扰系统的调节。本文将伺服阀的固有频率选择为液压动力元器件的固有频率的3-5倍。1.1.3伺服放大器的传递函数伺服放大器首先对输入信号与位移传感器测量的反馈信号比较之后得出的偏差信号进行功率放大，变换为驱动控制电液伺服阀需用的电流信号i。伺服放大器是由电子元器件构成的，响应很快，其动态性干扰与液压动力元器件相比较可忽略不计，因此，伺服放大器的输入输出可当作比例环节。伺服放大器的传递函数可表示为：(3-30)其中为指令电压信号变化的拉氏变换式，为位移传感器反馈的电压信号变化的拉氏变换式，为伺服阀控制电流信号变化的拉氏变换式，为伺服放大器增益。1.1.4位移传感器的传递函数位移传感器用以检测液压缸的输出位移，并将其转变成与输入信号相同表达形式并且电量相似的信号。选取时应有足够快的反应，也可当做比例环节，则位移传感器的传递函数可以表示为：(3-31)其中是液压缸位移变化的拉氏变换式，位移传感器（包括其放大器）的增益。最终反馈系统的开环传递函数为： (3-32)PID控制器的风靡可以部分归功于其在广泛的工作环境中具有良好的鲁棒性能，另一部分归功于其功能的简单易行性，技术人员可以非常简便的对其进行操控。为了使PID控制器在任何系统中获得更好的性能，必须对控制器的、和三个参数进行调整。这种确定PID控制器参数的经典方法是由Ziegler和Nichols在1942年提出的，直到今天仍被广泛使用[16]。经典PID控制器具有实现简便、高安全可靠性、稳定性能好的优势，但它是根据精准的系统模型而设计的。因此，它的抗干扰能力和适应能力较弱，并且不能有效地控制非线性、不确定的复杂系统。当面对像液压二辊矫直机这样的高度非线性、时变的不确定系统时，PID控制器难以取得满足需要的控制实际效果。因此，PID控制器的优化应该减少对数学模型的依赖，并且能够满足实时处理的要求。基于此许多研究越来越多地使用启发式搜索优化方法来调整控制器。有许多搜索优化技术，例如GA，PSO，蚁群，BeeColony等[17]。PSO算法由于其简单性和准确性而受到广泛欢迎，其机制受生物种群的群聚或协作行为的启发。该方法基于概率定律，以在给定的搜索空间中找到最佳解决方案，PSO算法具有很多优势：PSO可提供更准确的结果，而无需使用复杂的操作，由于概率概念的应用，它更加灵活和健壮，它能够克服过早的收敛[18]，从而增加搜索动作的能力。PSO优化所需的时间更少。在联机模式下使用PSO很容易。几乎可以保证从任何给定的初始搜索点获得最佳响应。在对矫直过程进行深入分析的基础上，开发了基于PSO算法的PID控制器，克服了二辊矫直机液压控制系统的非线性及不确定特性。此外，在基于PSO算法的PID控制器的基础上引入可变参数自校正，提高了控制的有效性。通过系统参数的变化来补偿不确定性对控制系统的影响。由于在线实验的巨大风险和大量费用，因此本文对所提算法进行仿真，具有重要意义。1.4基于粒子群优化算法的可变参数PID控制器设计\o"从ScienceDirect的AI生成的主题页面中了解有关PSO的更多信息"\o"从ScienceDirect的AI生成的主题页面中了解有关粒子群的更多信息"粒子群优化（ParticleSwarmOptimization，PSO）算法源自鸟类的捕食行为，是一项随机元启发式优化技术，最初由Eberhart和Kennedy于1995年提出，对于想要寻找食物的鸟类，最简单有效的解决方案是在最近的鸟类附近找到当前最接近食物的区域[19]。个人和群体之间存在互动行为，这反映了生物群落中信息共享的机制。PSO算法受此行为启发，信息共享机制用于使个人可以从彼此的经验中学习，然后促进整个团队的发展。粒子用于表示PSO算法中的成员，它还反映了搜索空间中的潜在解决方案。适应性值由粒子的目标函数确定，并且全局最优解被视为食物位置。该算法从随机生成大量粒子飞过问题空间开始，并且每个粒子都为优化问题提供了备选解决方法。粒子具有位置和\o"从ScienceDirect的AI生成的主题页面中了解有关速度特性的更多信息"速度特性，根据这两个特性和最佳粒子方向调整飞行轨迹。每一个粒子的适应度值可以从用户定义的适应度函数中得出，该函数与目标函数绑定在一起。在每次迭代中，每个粒子都朝着最佳位置移动，速度根据其迄今为止所达到的最佳位置（称为）和迄今为止从该群的任何粒子获得的全局最佳位置（称为）进行更新。数学描述如下，D维搜索空间中的第i个粒子表示为：(3-33)第i个粒子最好的先前位置表示为：(3-34)第i个粒子的速度表示为：(3-35)每个粒子的修正速度和位置可以使用当前从到的速度和距离计算得出，具体可表示为：(3-36)其中为认知加速度系数，为社会加速系数。D为问题的维度或要优化的参数数量。为迭代次数中的全局最佳位置。为第i个粒子的最佳位置，为0到1之间的随机数。为粒子i在迭代t处的速度，为惯性权重因子。为粒子i在t次迭代的当前位置。PSO的算法可以描述如下：（1）对D维问题空间中具有随机位置和速度的粒子种群进行初始化；（2）在每个粒子的D变量中评估所需的优化适应度函数；（3）将粒子的适应性评估与其之前的最佳位置进行比较。如果当前值更好，则将最佳的先前位置设置为等于当前值，即等于D维空间中当前位置；（4）找出到目前为止具有最佳适应性的邻域中的粒子，并将其索引分配给；（5）根据公式（3-36）改变粒子的速度和位置；（6）循环到步骤（2），直到满足条件或迭代结束。在迭代结束时，集群的最佳位置将是二辊矫直机液压控制系统最优的PID控制参数。非对称液压缸的加工和密封简单，可靠性高，因此液压系统中非对称缸的使用大大高于对称缸的使用。由于两个非对称液压缸腔的有效工作面积不相等，因此在正向和反向运动时，系统所需的流量有很大不同。与对称缸相比，两个方向的静态和动态特性不一致。常规的PID控制器，，一旦确定，系统工作过程中的三个参数始终是相同的。因此传统的PID控制器对于非对称液压缸的控制，没有达到对称控制的效果。为了减少静态、动态特性在两个方向上的差异，本文在充分考虑不同工况的液压缸正、反向运动参数的基础上，设计了一种具有可变参数的改进PID控制器，通过系统参数的变化来补偿不确定性对控制系统的影响[20]，其特点是对可变参数PID控制器设置正负。两个方向不同的控制器根据运动过程的要求准确地控制液压缸[21]。PID控制器由比例单元，积分单元和微分单元组成。输入和输出的关系是：(3-37)在等式中，积分上限为t，积分下限为0，为比率，为积分时间常数，为微分时间常数。由于传统的PID控制器具有结构简单、鲁棒性高、可靠性高、操作简单等优点，因此仍然是当今工业控制方法中最常见的控制方式。但是，调节控制器参数是保证控制质量的关键。但是针对于具有非线性和强干扰特性的二辊矫直机液压控制系统，仅依靠预先确定的一组固定的PID参数，很难达到预期的控制效果。因此，本文设计了具有可变参数的PID控制方法。通过基于PID控制器的自变量的误差信号e和、、的变化设计非线性函数从而引入具有可变自变量的PID控制器。根据偏差的大小在线调整三个参数，从而提高了矫直机控制系统的控制性能，减少