（固体力学专业论文）液压万能材料试验机计算机测控系统的研究.pdf

塑望三些奎堂堡堂垡堡壅 垒! ! 坚! 竺 t h er e s e a r c ho f c o m p u t e rm e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mf o r h y d r a u l i c u n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h er e s e a r c h e so nc o m p u t e rc o n t r 0 1h y d 洲i cu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n ea r e t o d a y sm a i nh o ts p o ti nd o m e s t i ca 1 1 df o r e i g nt e s t i n gm a c h i n ef i e l d s i nt 1 1 i sp 印e r ， b 蕊e do nm a s t e r i n gal o to fd y i 姗i ci n f o 蛐曲t i o no ft e s t i n gm a c h i n e ，r e s e a r c l l i n gt 1 1 e c o m p u t e rc o n 仃o i t e c h n 0 1 0 9 ya p p l i e dt ot e s t i n gm a c 王l i n c ，ac o m p u t e rm e a s u r i n g 锄d c o n t r o l l i n gs y s t e mf o r h y d r a u l i cu n i v e r s a lt e s t i n gm a c l l i n eh a sb e e nd e v e l o p e d t h e s y g t e mh a sb e e ns u c c e s s 缸l l ya p p l i e d t 0a3 0 0 k n t e s t i n gm a c h i n ei m p r o v e m e m i i lm e c e n 仕a ll a b o r a t o r yo fm e c h a n i c a le n g i i l e c r i n g ，z h e j i a i l gu 1 1 i v e r s 埘o ft e c l l i l o l o 醪 w h a t sm o r e ，w i ms h a l l g h a is h e l l l i a nt e s t i n gm a c l l i n ef a c t o mr n i c r o c o m p u t e r c o n 拄o lh y d r a u l i cu n i v e r s a lt e g t i n gm a c h i r 蛇i sd e v e l o p e d t h e yc a nm e e tm e c o n t r o l r e q u i r e m e n t s o fs 乜e s sr a t e a l l ds 砌nm t ei n 廿1 ei m e m a t i o n a ls t a l l d a r di s o 6 8 9 2 ：1 9 9 8 ( e ) a n dt h en a t i o n a ls t a t l d 枷g b 2 2 8 - 2 0 0 2 i np r a c t i c a l 印p l i c a t i o l l ，也e y a c q u i r eg o o d r e s u l t s t h ef 0 1 l o w s 甜et h em a i nw o r k so f t h ep a p e l 1 t h es e n s o r sa p p l i e di nm em e a s u r i n ga i l dc o n t m l l i n gs y s t e ma r es t u d i e d d e s i g no f s t r u c t u r ea n ds i z eo fl a r g er a n g ee x t e n s o m e t e ra n di m p r o v e m e n to n i t st y p e o f f 如t e n i n ga r et h o r o u 曲l y d i s c u s s e d 2 t h ea p p i i c a t i o no ft 量1 ep i dc o n t r o l i sr e s e a r c h e d o nt h eb a s i so f c l a s s i cp i d c o n t r 0 1a n dm z z yc o n t r o l ，f l l z z ya d a p t i v ep i dc o t l 廿o l i sd e s i g n e d ，w h i c hi s 印p l i e di n t e s t i n gm a c h i n e f o rs t r e s s ，s t r a i na n dd i s p l a c e m e n tc o n 仃0 1 浙江工业大学硕：【j 学位论文 a b s 计k t 3 d e v e l o p i n gas o f t w a r ef o r t h e t e s t i n g m a c h i n em e a s i l r i n ga 1 1 d c o n t r o l l i n g s y s t e m t h es o r w a r ec a i la u t o m a t i c a 王l ys w i t c hc o n t r o lm o d ea c c o r d i n gt os t a i l d a r di n t h ep r o c e s so ft e n s i l et e s t i n ga n da u t o m a t i c a l l y j u d g ec o n s t i t u t i v em o d eo fm a t e r i a l a tm es a m et i m e ，i tc a na u t o m a t i c a l l ym e a s l l r ee l a s t i cm o d u l u s e ，y i e l ds t r e n g t l l os ， p r o o fs n n g t h ，n o n p r o p o n i o n a l e x t e n t i o n oo 2 ，p e r c e n t a g e e x t e n t i o n 6 ，t e n s i l e s t r n g 也ob ，e t c i tc a n 印p l i e d i ni n d u s 仃y p r a c t i c e 1 ( e yw o r d s ：u i l i v e r s a l t e s t i n gm a c l l i n e ，m c a s l 】r i n g a n d c o n 仃o l l i n gs y s t e m ， e x t e n s o m e t e r ，p i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l i i i 第一章绪论 研究鹜景和意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 工业生产中各种材料、零部件、构件以至整机域整个建筑物等都需要经过试 验才髓确定它桐豹力学毪貔。在了解了这些健能班爱方麓使设计合瓒、使弼珂靠。 经过试验才能确定产品性能的优劣。因此，试验机在国民经济中占商相当重要的 造板，它的发展水平在某种程度上放映了一个国家正业发麟的水平。 大约农一百年前，瑞士的a m 8 l e r 公司舞发了渡压万能试验极，它利用液压 油的压力对试件加载，其操作方便、作用力大、结构简单、体积紧凑。它能进行 各静静态试验，但农鞠载躲过程中不缆进行控裁f l l 。嚣照罄科学技零豹飞速发震， 新工艺、新材料的不断涌现，特别越计算机技术日新月异的发展，相应的对试验 撬静要求不颧挺毫，试验援孛静耋麓往灏控技术磷究遣应运嚣生。 o i o 图1 - 1工程材料强度与应变速率的关系 翠在6 0 年代b e r u l e t t 磐入就已指出，材料的静强度卵应力与加载时的疲变 第一章绪论 研究鹜景和意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 工业生产中各种材料、零部件、构件以至整机域整个建筑物等都需要经过试 验才髓确定它桐豹力学毪貔。在了解了这些健能班爱方麓使设计合瓒、使弼珂靠。 经过试验才能确定产品性能的优劣。因此，试验机在国民经济中占商相当重要的 造板，它的发展水平在某种程度上放映了一个国家正业发麟的水平。 大约农一百年前，瑞士的a m 8 l e r 公司舞发了渡压万能试验极，它利用液压 油的压力对试件加载，其操作方便、作用力大、结构简单、体积紧凑。它能进行 各静静态试验，但农鞠载躲过程中不缆进行控裁f l l 。嚣照罄科学技零豹飞速发震， 新工艺、新材料的不断涌现，特别越计算机技术日新月异的发展，相应的对试验 撬静要求不颧挺毫，试验援孛静耋麓往灏控技术磷究遣应运嚣生。 o i o 图1 - 1工程材料强度与应变速率的关系 翠在6 0 年代b e r u l e t t 磐入就已指出，材料的静强度卵应力与加载时的疲变 第一章绪论 速率有密切关系，如图1 1 所示其一般关系f 2 】；自1 9 6 5 年库克( c o o k ) 等人第一次 获得岩石荷载一位移全过程曲线以来，试验机刚度对岩石测试结果产生影响的概 念被人们广泛接受，已提出并证明保持位移速率恒定是测试岩石荷载的全过程曲 线的必要条件f 3 l ；在金属超塑性及热加工试验时，往往也需要在等应变率下进行 试验 4 】；就是在生物力学上，人们也认识到，人的下颌骨在不同应变率下，将产 生不同的压缩强度【5 】；近代工程材料研究进一步表明：一切固体材料都不同程度 地存在流变现象，金属材料进入屈服阶段后，便呈现出典型的粘弹性行为，而材 料的粘弹性行为依赖于时间，并取决于应变率【6 j 。 由于材料试验时所加应力速率及应变速率的不同，试验所测得的有关强度数 据就有差别。故金属拉伸试验中要求在施加载荷时，必须考虑加载的应力速率及 应变速率。在国际标准i s o6 8 9 2 ：1 9 9 8 ( e ) 【7 】及国家标准g b 厂r2 2 8 2 0 0 2 【8 1 中，试验 条件有如下规定：测定规定非比例伸长应力、规定残余伸长应力和规定总伸长应 力时，弹性范围内的应力速率应符合表1 1 规定，并保持试验机控制器固定于这 一速率位置上，直至该性能测出为止；测定屈服点和上屈服点时，屈服前的应力 速率也按表l l 规定，直至该性能测出为止；测定下屈服点时，平行长度内的应 变速率应在o 0 0 0 2 5 0 0 0 2 5 s 之间，并应尽可能保持恒定；屈服过后或只需测定 抗拉强度时，平行长度的应变速率不应超过o 0 0 8 s 。美国材料与试验协会a s t m 在其标准e 8 m 一9 3 【9 】中对加载速率也有如下规定：在屈服前或屈服强度一半以 前，或抗拉强度的l 4 以前，可以使用任何方便的试验速度；超过这一点，则试 验速度应在规定的极限内。即：在测定屈服强度或屈服点的试验过程中，施加的 应力速率不超过1 2 m p “s ；当屈服点或屈服强度测出后，可增加试验速度，但试 样的应变速率不超过o o l s ，若不用引伸计，则试样的夹头分离速率不超过 0 o l l c s f l c 为试样平行长度) 。 表1 1标准对应力速率的规定 材料弹性模量e应力速率( n ，m m 2 ) s 1 ( n m m 。) 最小最大 q 2 a ，其差值为 妒”既“熊) 拦( 厢一瓜) 函1 4 ) 为保证通过节流口的流量仍然怒q 2 。，则节流凹的面积废在原面积a ( x 0 值上 减少a ( x ) 傻，a ( x ) 篷由下式决定 钞巳蛳) j 警 ( 2 _ 1 5 ) 综合考虑式( 2 - 1 4 ) 、( 2 一1 5 ) ，可得 蛳剐魄) ( 1 一j 等) 弘1 6 ) 式中a ( x ) 是根据实际系统压力确定的节流湖开口面积改变量。p 由压力 转感器实时测得。 式( 2 1 6 ) 是节流阀阀口酒积调节公式，其物理意义是：系统由于负载变化引 莛戆莲差交耗，用节滚凌凝蕊戆位移镬淹嚣溪耪撂攘应鹣羧变来棱惩，篱髂莲差 变化一位移校正，从而使凝置在负载变化时。达到慎速的要求。 2 4 小结 本章罄先对万# 材料试验枫计冀机测按系统的试验装熏进行了总体描述，然 后对本系统测试装鬣和控制装置进行了讨论和分析。在此基础上，黧点讲述了系 统爨躅躲大爨程弓l 搴诗结构尺寸戆浚诗及哭持援梅戆改进。 第二章试验装置分析及研究 由于实际压差为p 是由该时刻的实际负载决定的 嚣潺遘节浚溺墨熬流量是 绞划瓴，辱 一般p p a ，因此实 ( 2 * 1 3 ) 显然q 2 q 2 a ，假设q 2 q 2 a ，其差值为 妒”既“熊) 拦( 厢一瓜) 函1 4 ) 为保证通过节流口的流量仍然怒q 2 。，则节流凹的面积废在原面积a ( x 0 值上 减少a ( x ) 傻，a ( x ) 篷由下式决定 钞巳蛳) j 警 ( 2 _ 1 5 ) 综合考虑式( 2 - 1 4 ) 、( 2 一1 5 ) ，可得 蛳剐魄) ( 1 一j 等) 弘1 6 ) 式中a ( x ) 是根据实际系统压力确定的节流湖开口面积改变量。p 由压力 转感器实时测得。 式( 2 1 6 ) 是节流阀阀口酒积调节公式，其物理意义是：系统由于负载变化引 莛戆莲差交耗，用节滚凌凝蕊戆位移镬淹嚣溪耪撂攘应鹣羧变来棱惩，篱髂莲差 变化一位移校正，从而使凝置在负载变化时。达到慎速的要求。 2 4 小结 本章罄先对万# 材料试验枫计冀机测按系统的试验装熏进行了总体描述，然 后对本系统测试装鬣和控制装置进行了讨论和分析。在此基础上，黧点讲述了系 统爨躅躲大爨程弓l 搴诗结构尺寸戆浚诗及哭持援梅戆改进。 第三章控制策略的研究 第三章控制策略的研究 3 1 系统控制环节分析 自动控制时试验机系统的信号传递过程是：计算机发出要控制的脉冲数；控 制器依据要控制的脉冲数，通过细分电路给步进电机以脉冲信号；步进电机输出 的角度通过机械转换将角度信号转换为直线运动信号；液压阀根据其位移量控制 进入液压缸的流量，使其按要求的方向和速度运动：三路传感器将压力、变形、 位移信号值传给计算机；某一时刻，通过其中某一信号值实现反馈控制。 l 、步进电机放大环节 由于对步进电机进行了细分，其细分的精度比较高，在此将其看成是一个比 例环节。设步进电机的比例系数为k a 。 2 、机械转换放大环节 这个环节的作用实际上是一个运动方式的转换过程，同样是一个比例环节， 设比例系数为k b 。 3 、电液数字阀环节 可将电液数字阀简化为一个一阶环节，为 g 加) = 熹 ( 3 1 ) k ：阀的流量增益； ：阀的固有频率。 4 、液压油缸和负载环节 k m a 图3 - l液压油缸和负载简化图 量度质刚总 簧件积程量力弹部面行流压 载础塞塞入出负运活活流输 ： k m a x q p 第三章控制策略的研究 第三章控制策略的研究 3 1 系统控制环节分析 自动控制时试验机系统的信号传递过程是：计算机发出要控制的脉冲数；控 制器依据要控制的脉冲数，通过细分电路给步进电机以脉冲信号；步进电机输出 的角度通过机械转换将角度信号转换为直线运动信号；液压阀根据其位移量控制 进入液压缸的流量，使其按要求的方向和速度运动：三路传感器将压力、变形、 位移信号值传给计算机；某一时刻，通过其中某一信号值实现反馈控制。 l 、步进电机放大环节 由于对步进电机进行了细分，其细分的精度比较高，在此将其看成是一个比 例环节。设步进电机的比例系数为k a 。 2 、机械转换放大环节 这个环节的作用实际上是一个运动方式的转换过程，同样是一个比例环节， 设比例系数为k b 。 3 、电液数字阀环节 可将电液数字阀简化为一个一阶环节，为 g 加) = 熹 ( 3 1 ) k ：阀的流量增益； ：阀的固有频率。 4 、液压油缸和负载环节 k m a 图3 - l液压油缸和负载简化图 量度质刚总 簧件积程量力弹部面行流压 载础塞塞入出负运活活流输 ： k m a x q p 第三章控制策略的研究 试验机框架刚度大大高于试样刚度，可将其看作刚性。将试验机负载及框架、 油缸、活塞简化为图3 1 所示【4 6 】。 用方程描述如下： 矿 q ( o 刊麟+ ”考印 ( 3 。2 ) p 0 ) = ( 缸2 x + c l 蹦+ k x ) 4( 3 3 ) c c d - 油缸总的泄漏系数； c i ：系统粘性摩擦系数； v 。：油液总的压缩容积； b 。：油液有效弹性系数。 将位移作扰动输入，得油缸一负载控制方框图如图3 2 所示。 k e 。 图3 - 2 油缸一负载控制方框图 5 、传感器信号反馈环节 压力、变形、位移传感器反馈都可以看成是比例环节，设依次为、k d 、 6 、系统的延时环节 系统延时环节为 1 一p s r g d = 二二一 5 t ：控制周期。 ( 3 4 ) 7 、转换系数环节 该环节将传感器的反馈信号转换为脉冲数，为一比例环节，设为k ，。 当应力控制时，系统总体控制方框图如图3 。3 所示。 第三章控制策略的研究 当系统实施应变和位移控制时，总体控制方框图类似于图3 3 ，只是反馈点 及反馈信号相应变化。 图3 3应力控制时总体控制方框图 以上对系统各控制环节作出了简单分析，得出了系统总体控制方框图。但是 在试验过程中，随着试样的变形、裂纹的扩展，试样的刚度也在不断变化，其规 律未知，系统的刚度同时变化，以及漏油速度随载荷的的增加而加快，这些都导 致系统参数发生剧烈变化。 由于负载的变化，试验过程中节流阀前后的压差也在变化，导致流量不稳定， 同时油液温度变化，粘度也发生变化。由于工作环境、油液性质等因素引起节流 阀阻塞，也会影响流量的稳定性，因此这些因素必然会改变系统的参数。并且试 验机的液压泵选用的是柱塞泵，瞬时流量是脉动的，也会影响系统的参数。 综上所述，液压试验机是个本质非线性时变系统，且参数时变。特别在拉伸 的起始阶段，由于上夹头和柱塞的惯性、系统的泄漏等将严重影响控制效果。在 试验过程中，要分别实现三种不同的控制方式，这将导致系统的传递函数发生变 化1 4 ”。由于试样打滑、外界干扰、摆锤转动等因素也会对控制系统产生严重影响。 3 2 p l d 控弗0 【4 8 5 6 】 多年以来，在过程控制中，按偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 进行控制的 p i d 控制是应用最为广泛的一种自动控制方法，具有原理简单，易于实现，使用 面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点，在液压控制系统中具有 广泛的应用。 常规p i d 控制系统原理框图如图3 4 所示。p i d 控制器是一种线性控制器， 它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构成控制偏差 e ( t ) = r ( t ) - c ( t )( 3 5 ) 第三章控制策略的研究 当系统实施应变和位移控制时，总体控制方框图类似于图3 3 ，只是反馈点 及反馈信号相应变化。 图3 3应力控制时总体控制方框图 以上对系统各控制环节作出了简单分析，得出了系统总体控制方框图。但是 在试验过程中，随着试样的变形、裂纹的扩展，试样的刚度也在不断变化，其规 律未知，系统的刚度同时变化，以及漏油速度随载荷的的增加而加快，这些都导 致系统参数发生剧烈变化。 由于负载的变化，试验过程中节流阀前后的压差也在变化，导致流量不稳定， 同时油液温度变化，粘度也发生变化。由于工作环境、油液性质等因素引起节流 阀阻塞，也会影响流量的稳定性，因此这些因素必然会改变系统的参数。并且试 验机的液压泵选用的是柱塞泵，瞬时流量是脉动的，也会影响系统的参数。 综上所述，液压试验机是个本质非线性时变系统，且参数时变。特别在拉伸 的起始阶段，由于上夹头和柱塞的惯性、系统的泄漏等将严重影响控制效果。在 试验过程中，要分别实现三种不同的控制方式，这将导致系统的传递函数发生变 化1 4 ”。由于试样打滑、外界干扰、摆锤转动等因素也会对控制系统产生严重影响。 3 2 p l d 控弗0 【4 8 5 6 】 多年以来，在过程控制中，按偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 进行控制的 p i d 控制是应用最为广泛的一种自动控制方法，具有原理简单，易于实现，使用 面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点，在液压控制系统中具有 广泛的应用。 常规p i d 控制系统原理框图如图3 4 所示。p i d 控制器是一种线性控制器， 它根据给定值r ( t ) 与实际输出值c ( t ) 构成控制偏差 e ( t ) = r ( t ) - c ( t )( 3 5 ) 第三章控制策略的研究 圈3 4p i d 控制系统原理橼图 将偏差的比例、积分和微分通过线性组含构成按制量，对被控对象进行控制。 其控裁痰簿为 蝴喝) + 軎胁馥+ 码警】 或写成传递函数的形式 g = 器喝( 1 + 去毋) 7 ) k p ：比例系数。 鼍：获分薅溺常数； t 阱微分时间常数。 。 简单说来，p 彩控隶嚣备校正环节酌午筝用如下： l 、比例环节即时成比例地反映控制系统的镳差信号e ( 1 ) ，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 2 、积分环节主要熙予消除黪差，提舞系统鲍无差发。莰分傍惩鹣强弱取 决于积分时间常数t i ，t i 越大，积分作用越弱，反之则越强。 3 、微分繇节能反浚镳差售芍静交辱 ：趋势( 交健速率) ，并麓凌镳差信号篷 变得太大之前，在系统中引入一个脊效的早期修正信号，从而加快浆统的动作速 度，藏，j 、谲节跨阕。 由于计算机控制是一种离散采样控制，宅只能根据采样时刻的偏差值计爨控 制堂，因此式( 3 6 ) 中的积分和微分颈不能直接使用，需要进行离散化处理。现以 一系列的采榉时刻点k t 代表连续时阕t ，以和式代餐积分，以增羹代替微分， 得： 第三章控制策略的研究 “( 女) = 世，p ( 七) + 世，乏：p ( ，) + 世。p ( 女) 一e ( 七一1 ) 】 ( 3 8 ) j = o k ：采样序号，k = o ，1 ，2 ； u ( k ) ：第k 次采样时刻的计算机输出值： e ( k ) ：第k 次采样时刻输入的偏差值； e ( k 1 ) ：第( k 1 ) 次采样时刻输入的偏差值： t ：控制周期； k i ：积分系数，k i = k p t 仃i ； k d ：微分系数，k d = k p t 以。 由于计算机输出的u ( k ) 直接去控制执行机构，u 的值和执行机构的位置是 一一对应的，所以通常称式( 3 8 ) 为位置式p i d 控制算法。 在试验机控制系统中，如果采用位置式p d 算法计算步进电机驱动步数， 从而使数字节流阀达到所需开度。由于全量输出，每次输出均与历史有关，计算 时要对e ( k ) 进行累加，计算机运行工作量大。并且如果计算机出现故障，u ( 1 ( ) 会 产生大幅度变化，节流阀的开度也会大幅度变化，这时会产生冲击，还有可能会 造成设备的严重损坏，是实际控制中所不允许的。 针对该系统，我们需要的只是控制量的增量，由此来驱动步进电机。故我们 根据递推原理，得到增量式p i d 控制算法如下： u ( k ) = k p e ( k ) 一e 1 ) 】+ k i e ( k ) + k d c ( k ) 一2 e ( k 1 ) + e 一2 ) 】( 3 9 ) 增量式p i d 控制系统示意图如图3 5 所示。 t 图3 5增量式p i d 控制系统框图 增量式p i d 控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点： 1 、由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方 法去掉。 2 、手动自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生 第三章控制策略的研究 故障时，由于输出通道或执行装置具有良好的锁存作用，故能仍然保持原值。 3 、算式中不需要累加。控制增量u ( k ) 的确定仅与最近三次采样值有关， 所以计算简单方便，且容易通过加权处理等方法获得较高精度。 如果采用p i d 控制方式，系统控制效果理想与否取决于控制参数k p 、k i 、 k d 的取值。比例作用k p 加大将会使减小稳态误差，提高系统的动态响应速度， 但同时系统超调量大；积分作用对系统的稳定性有影响，k i 减小会使系统不稳定， 但能消除稳态误差，提高系统的控制精度；k d 可以调整系统的过渡特性。 液压万能材料试验机是一种典型的非线性时变系统，难以建立精确的数学模 型，运用上面介绍的常规p i d 控制器很难达到理想的控制效果。在实际现场中， 由于受到参数整定方法繁杂的困扰，应用常规p d 控制器往往整定不良，性能欠 佳，对运行工况的适应性差。理论和实践证明，即使是整定得很好的p i d 参数值， 系统响应的快速性与超调量之间也存在矛盾，两者不可能同时达到最优，且系统 在跟踪设定值与抑制扰动方面对控制参数的要求也是矛盾的。 综上所述，我们需要在常规p i d 控制的基础上加以改进，找到一种p i d 控 制器参数的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。 3 3 模糊控制f 5 7 。6 5 】 以往各种传统控制方法均是建立在被控对象的精确数学模型之上的，随着系 统复杂程度的提高，将难以建立系统的精确数学模型和满足实时控制的要求。人 们期望探索出一种简便灵活的描述手段和处理方法，并为此进行了种种尝试。结 果发现一个复杂的传统控制理论似乎难以实现的控制系统，却可由一个操作人员 凭着丰富的实践经验得到满意的控制结果。骑自行车就是一个例子，任何一个经 过训练的人都可以骑车自如地穿过人群，却难以对这种极为复杂的动力学问题使 用精确的数学模型进行控制。这个例子给我们带来启示，吸收人脑的这种特点， 模拟人的思维方法，把自然语言植入计算机内核，使计算机具有活性和智能。模 糊控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制方法。 在自动控制领域，模糊控制是一种全新的控制技术。它模拟人工控制活动中 人脑的模糊概念和成功的控制策略，运用模糊数学，把人工控制策略用计算机实 现。与传统的控制相比，它有以下优点： 第三章控制策略的研究 故障时，由于输出通道或执行装置具有良好的锁存作用，故能仍然保持原值。 3 、算式中不需要累加。控制增量u ( k ) 的确定仅与最近三次采样值有关， 所以计算简单方便，且容易通过加权处理等方法获得较高精度。 如果采用p i d 控制方式，系统控制效果理想与否取决于控制参数k p 、k i 、 k d 的取值。比例作用k p 加大将会使减小稳态误差，提高系统的动态响应速度， 但同时系统超调量大；积分作用对系统的稳定性有影响，k i 减小会使系统不稳定， 但能消除稳态误差，提高系统的控制精度；k d 可以调整系统的过渡特性。 液压万能材料试验机是一种典型的非线性时变系统，难以建立精确的数学模 型，运用上面介绍的常规p i d 控制器很难达到理想的控制效果。在实际现场中， 由于受到参数整定方法繁杂的困扰，应用常规p d 控制器往往整定不良，性能欠 佳，对运行工况的适应性差。理论和实践证明，即使是整定得很好的p i d 参数值， 系统响应的快速性与超调量之间也存在矛盾，两者不可能同时达到最优，且系统 在跟踪设定值与抑制扰动方面对控制参数的要求也是矛盾的。 综上所述，我们需要在常规p i d 控制的基础上加以改进，找到一种p i d 控 制器参数的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。 3 3 模糊控制f 5 7 。6 5 】 以往各种传统控制方法均是建立在被控对象的精确数学模型之上的，随着系 统复杂程度的提高，将难以建立系统的精确数学模型和满足实时控制的要求。人 们期望探索出一种简便灵活的描述手段和处理方法，并为此进行了种种尝试。结 果发现一个复杂的传统控制理论似乎难以实现的控制系统，却可由一个操作人员 凭着丰富的实践经验得到满意的控制结果。骑自行车就是一个例子，任何一个经 过训练的人都可以骑车自如地穿过人群，却难以对这种极为复杂的动力学问题使 用精确的数学模型进行控制。这个例子给我们带来启示，吸收人脑的这种特点， 模拟人的思维方法，把自然语言植入计算机内核，使计算机具有活性和智能。模 糊控制就是使计算机具有活性和智能的一种新颖的智能控制方法。 在自动控制领域，模糊控制是一种全新的控制技术。它模拟人工控制活动中 人脑的模糊概念和成功的控制策略，运用模糊数学，把人工控制策略用计算机实 现。与传统的控制相比，它有以下优点： 第兰章控制策略豹研究 1 、适用于不易狱得精确模型的被控对象。 2 、缓獭控翻蓬一秘语言变羹掇髑器，其羧鞠甄蘩只蔫谗言交量豹形式定经 地表达。避开状态方襁和传递函数，力图对人们关于某个控制问题的成功与失败 的经验进行加工总结出知识，进而从中提炼出规则，直接用语畜变量给出，再应 嚣类叛攘毽懿方法送行残测羁控隶l 。并盈童工鼗过程懿定瞧认谖密发，较褰荔建 立语言变量控制规则。 3 、舞法简单，只有一些简单的网则运算和畿表工作，因而占用c p u 运算时 满短。 4 、由不同观点出发，可以设计几个不同的指标函数。但对一个给定系统而 言，其语言规则是分别独立的，且遇过整个控制系统的协调可以取褥总体的协调 控翻。 5 、对被控对象的参数变化不敏感。 模糊控制器的输如是通过观察过程的状态朔一些如何控制过程的规则的推 理褥弱豹。它包括溺爨蕊怠鳃摸糖健、雄理税麓鞠臻凄摸襁爨豹精确纯。灞爨信 息的模糊化是将实测物理量转化为在该语言变墩相应论域内不同语言值的模糊 子集。报瑗机制使用数据库和规则艨，它的作用怒根据当前的系统状态信息来决 定模獭羧涮麓输出予集。模糊集煎耩确纯诗霎楚将推理穰籁缮捌豹模鞭控潮爨转 化为一个清晰、确定的输出量的过程。一个典型的模糊控制系统结构示意圈如图 3 6 所示。 给定值 图3 6模糊控制系统结构示意图 一般来说，摸凝羧锻器戆输入爨舞系统戆误差e 嚣误差嶷纯& ，辕浅霾为 系统控制值u 。则模糊控制器的工作过程可以描述为：首先将模糊控制器的输入 量转化为模糊量供模糊逻辑决策系统用，模糊逻辑决策器根据控制规则决定的模 赣关系袋，应震模凝遴辫箍理算法褥密控豢器戆模耧输窭控铡爨，最螽经精确诧 计算得到精确的控制使去控制被控对象。常规模糊控制器如图3 ，7 所示。图中e 、 第三章控制策略的研究 d e 、u 为误差e 、误差变化率d e 、控制量u 的模糊集。 兰= 堡墅亘塑王：疆翌塑塑夏型叫翌堑田l d ed e 图3 7常规模糊控制器 由模糊逻辑推理法知，对于n 条模糊控制规则可以得到n 个输入输出关系矩 阵r l ，r 2 ，r n ，从而由模糊规则的合成算法可得系统总的模糊关系矩阵为 n 月2 u r ， ( 3 1 0 ) 对于任意系统误差e i 和系统误差变化d e i ，对应的模糊控制器输出u n 为 u = ( e ，d e ，) o r( 3 一1 1 ) 对上式得到的模糊控制量再进行精确化计算就可以去直接控制系统对象了。 然而，在实际应用中，由于模糊关系矩阵r 是一个高阶矩阵，如果对于任何瞬 间的系统误差e i 和误差变化都用d e j 都用式( 3 - 1 1 ) 合成计算出即时控制输出u u ， 显然要花费大量计算时间，其结果是系统实时控制性能变差。为了克服实时计算 量大的缺点，常规模糊控制在实际应用中通常采用的是查表法。 查表法的基本思想是通过离线计算取得一个模糊控制表，并将其控制表存放 在计算机内存中。当模糊控制器进行工作时，计算机只需直接根据采样得到的误 差和误差变化的量化值来找出当前时刻的控制输出量化值。最后，计算机将此量 化值乘以比例因子k 3 得到最终的控制输出量。这种控制系统的结构图如图3 _ 8 所示。图中k l 、k 2 分别为误差e 和误差变化d c 的量化比例因子，k 3 为控制输出 量的量化比例因子。 图3 8控制表方式的模糊控制器结构图 查表法模糊控制器的设计关键是模糊控制表的构成，其设计步骤如下 l 、确定模糊控制器的输入、输出变量 第三章控制策略的研究 模糊控制器选用系统要控制的参数的实际值与给定值之间的误差e 及误差 变化d e 作为输入语言变量，把执行机构的参数值u 作为输出语言变量。这样构 成一个二维模糊控制器。 2 、确定各输入、输出变量的变化范围、量化等级和量化因子 取三个语言变量的量化等级。譬如都为9 级，则x ，y ，z = 一4 ，一3 ，一2 ，一l ， 0 ，l ，2 ，3 ，4 。根据系统实际可能的输入输出情况及变化范围决定误差e ，误 差变化d e 及控制输出u 的论域。根据论域及量化等级则可以确定各比例因子k 、 k 2 、k 3 。这样，我们可以得到误差e 及误差变化d e 分别对应的量化值，同时可根 据最后模糊控制表中查出的输出量化值反过来推出输出值u 。这是一种比较简便 的量化方法。 3 、在各输入和输出的语言变量的量化域内定义模糊子集 首先确定各语言变量论域内模糊子集的个数。譬如我们取为5 个模糊子集， 分别为“正大”、“正小”、“零”、“负小”、“负大”，记为p b 、p s 、z e 、n s 、n b 。 各语言变量的模糊子集通过隶属度函数来定义。在经典集合中，特征函数只 能取0 和1 两个值，而在模糊集合中，其特征函数的取值范围从两个元素的集合 扩大到 o ，1 区间连续取值。为了把两者区分开来，就把模糊集合的特征函数称 作隶属度函数。隶属度函数实质上反映的是事物的渐变性。 几种常见的隶属度函数示意图如图3 9 所示。图3 9 ( a ) 为单点模糊集合的隶 属度函数，对于某一给定模糊子集，只有输入为x o 时隶属度为1 ，其它输入值对 应的隶属度函数值都为零。图3 9 ( b ) 为三角形模糊集合的隶属度函数，图3 9 ( c ) 为高斯型模糊集合的隶属度函数，它们属于连续隶属度函数。 u ( x a )b )c ) 图3 9常见隶属度函数图 譬如针对输入量化等级为卜4 ，一3 其模糊子集为p b 、p s 、z e 、n s 、n b 一2 ，一l ，o ，l ，2 3 ，4 的语言变量， 我们可以根据涉及到的系统的实际情况 c 、 一 、 一 = 川 靠 一 ， 一 一 一 -li-lllllll0墨 b 、一 1 ， 一 ，一 一 一 -iij_llllllllj爻 一x a 一 ， ，上：善 1 ，卡 一 h卜 二。 第三章控制策略的研究 和本人的经验对模糊子集p s 进行类似图3 9 ( a ) 的离散隶属度定义。 p s = o 一4 + o 一3 + o 2 + o 一1 + 0 o + o 4 1 + l 2 + o 4 3 + 0 4 为了保证在所有论域内的输入量都与某一模糊子集相对应，模糊子集的数目 和范围必须遍及整个论域。这样，对于每一个物理输入量至少有一个模糊子集的 隶属程度大于零。 4 、模糊控制规则库的确定 模糊控制规则实质上是将操作员的控制经验加以总结而得出一条条模糊条 件语句的集合。确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器的输出能够使系统输 出响应的动静态特性达到最佳。模糊控制系统是用一系列基于专家知识的语言来 描述的，专家知识常采用“i f n 也n ”的规则形式。譬如二维模糊控制器的 模糊规则可用以下的条件语句来描述： i fe = e a n dd e = d e jt h e n u = u i j 用一系列模糊条件语句描述的模糊控制规则就构成模糊控制规则库。 5 、求模糊控制表 求模糊控制表时，首先根据e 及d e 的量化值得到相关模糊子集的相应隶属 度值；然后根据此时此刻的输入状态，从模糊控制规则库中查到相关的有效规则， 并推理得到控制量的输出模糊集：再由最大隶属度函数法、重心法或加权平均法 等精确化计算方法计算出模糊控制输出的精确量。同样方法，对输入空间论域中 的所有组合计算出相应的输出控制量，即可构成一个模糊控制器的控制表。 由于模糊控制表的建立是离线进行的，因此它丝毫没有影响模糊控制器实时 运行的速度。一旦模糊控制表建立起来，模糊逻辑推理控制的算法就是简单的查 表法，其运算速度是相当快的，完全能够满足实时控制的要求。 模糊控制器控制灵活，适应性强，其优点是不要求掌握受控对象的精确数学 模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。这 对于无法建立精确数学模型的非线性时变的液压万能材料试验机系统是适合的。 但是，模糊控制器静差大，精度不商，这样的情况不能满足对控制精度要求很高 的试验机控制系统。由此我们应考虑扬长避短，将模糊控制方法应用于本试验机 控制系统中。 第三章控制策略的研究 3 4 模糊自适应p i d 控制f 6 6 6 9 】 如果在试验机控制系统中采用单纯的经典p i d 控制方法，控制参数k p 、k i 、 k d 在整个控制过程中是固定不变的。即使通过软件设计使控制参数能够在一定 范围内变化，也不能满足根据任意时刻的e 和d e 值对p i d 参数进行适时自整定 的要求，反而在相当大程度上增加了程序员的工作量，控制结果却没有得到明显 的提高，得不偿失。 跟试验机系统类似，在工业生产过程中，许多被控对象随着负荷变化或干扰 因素影响，其对象特性参数或结构发生改变。目前过程控制中常用的自适应控制 运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统品 质指标保持在最佳范围内，但其控制效果的好坏取决于辨识模型的精确度。液压 万能材料试验机是一种典型的非线性时变系统，无法建立精确的数学模型，采用 常用的自适应控制是非常困难的，因此在试验机系统中大量采用的仍然是p m 算 法。找到一种先进实用的p d 参数自适应自整定方法，是当前试验机行业迫在眉 睫的任务。 诚然，作为经验相当丰富的工程师，根据其长期摸索调整积累下来的p i d 参数调节经验，可以针对实际情况得到相对优化的p i d 控制参数。但是试验机在 生产厂家的参数都调好之后，到了应用现场时，因为环境因素的变化等原因，系 统的性能会改变，原来的相对优化的p i d 控制参数将大打折扣，没有自我调节能 力。最重要的是，工程师丰富的参数调节经验是一个相对模糊的概念，不能精确 地用公式或数学模型来描述。 由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定 量表示，模糊理论是解决这一问题的有效途径。但是简单模糊控制器由于不具有 积分环节，因此很难消除稳态误差，尤其在变量分级不够多的情况下，常常在平 衡点附近产生小幅振荡。 我们考虑将常规p i d 控制和模糊控制两种控制策略结合起来，构成兼有两者 优点的新的控制器，即模糊自适应p i d 控制。运用模糊数学的基本理论和方法， 把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息( 如评 价指标、初始p i d 参数等) 作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制 系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可自动实现对p i d 参数的k p ，k i k d 的 第三章控制策略的研究 最佳调整，最后输出仍然采用常规p i d 计算方法，这就是模糊自适应p i d 控制。 图3 1 0模糊自适应p d 控制器结构图 模糊自适应p i d 控制器以误差e 和误差变化d e 作为输入，可以满足不同时 刻的e 和d e 对p i d 参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对p i d 参数进行 修改，便构成了模糊自适应p i d 控制器，其结构如图3 1 0 所示。 p i d 参数模糊自整定主要是找出p i d 三个参数k p 、k i 、k o 与e 和d e 之间的 模糊关系，在运行中通过不断检测e 和d e ，根据模糊控制原理来对3 个参数进 行在线修改，以满足不同e 和d e 时对控制参数的不同要求，从而使被控对象有 良好的动、静态性能。 3 5 试验机系统中模糊自适应p l d 控制的实现 本试验机系统需实现的控制方式有六种： 、应力速率控制2 m p “s 一6 0 m p “s ，控制误差5 ； 、应变速率控制o 0 0 0 2 5 r _ o 0 0 8 s ，控制误差5 ； 、位移速率控制0 5 m m ，m i n 一5 0 i i l i n m i i l ，控制误差5 ： 、试验力定荷控制自满量程的2 一l o o 之间任意力值定荷，控制误 差3 ； 、应变定值控制自0 0 0 5 1 之间任意应变定值，控制误差3 ： 、定位控制自1 瑚m 2 0 0 m m 之间任意位置定位，控制误差3 。 以上六种控制方式中，前三种为速率控制方式，后三种为定值控制方式，六 种控制方式都采用模糊自适应p i d 控制来实现。每一时刻系统只控制应力、应变、 位移三路采样值中的其中一路，根据系统的误差e 及误差变化d e 调整p i d 控制 第三章控制策略的研究 最佳调整，最后输出仍然采用常规p i d 计算方法，这就是模糊自适应p i d 控制。 图3 1 0模糊自适应p d 控制器结构图 模糊自适应p i d 控制器以误差e 和误差变化d e 作为输入，可以满足不同时 刻的e 和d e 对p i d 参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对p i d 参数进行 修改，便构成了模糊自适应p i d 控制器，其结构如图3