（机械电子工程专业论文）模糊自适应pid非线性控制在电液伺服系统中的应用研究.pdf

颈士论文 模糊自适应p i d 非线性控制在电液伺服系统中的应用研究 摘要 电液伺服系统在航空、航天、武器、大型机械、冶金等工业部门已经广泛应用。 随着现代工业的发展，对电液伺服系统的性能提出了更高的要求，同时要求系统对恶 劣的环境有较强的适应能力鉴于本电液伺服系统工作过程中，存在的各种非线性因 素( 电液转换元件与控制元件( 伺服阀、比例阀或数字阀) 的节流特性、变速传动 中齿隙、 主要来自液体的可压缩性和伺服阀内复杂的流动特性) ，本论文在硬件设 计和数学建模的基础上，设计了模糊自适应p i d 非线性控制器硬件部分致力于伺服 放大器的设计，并构建实际系统 仿真和试验结果表明，本文设计的基于模糊自适应p i d 控制算法的控制器可以使 系统具有良好的动静态控制效果和鲁棒性，有效地抑制负载变化和外界干扰，很好地 满足系统所要求的性能指标 关键词：模糊控制，自适应控制，非线性p i d 控制器，电液伺服系统 硕士论文 模期自适应p i d 爿e 线性控制在电液伺服系统中的应用研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m i n d u s t r y , h i g h e rp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sh a v e p u tf o r w a r df o rt h ec o n t r o lo f h y d r a u l i cs c r v os y s t e m ，a tt h es 锄et i m et h es y s t e mm u s t b ea d a p t i v et ob a de n v i r o n m e n ta c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo f e l e c t r o h y d r a u l i ce l e m e n t s a n dc o n t r o le l e m e n t s ( s e r v ov a l v e 、p r o p o r t i o n i n gv a l v eo rd i g i t a lv a l v e ) a n db a c k l a s h p r o d u c i n gs o i f l en o n l i n e a rf a c t o r so rh a r dn o n l i n e a r i t y , n o n s m o o t h ak i n do fn e w c o n t r o l l e rp r o v i d e d 嘶mg o o dn o n l i n e a rp e r f o r m a n c eh a sb e e n d e s i g n e d t h i sp a p e rc o m e s f r o mt h ed e s i g no f t h et y p eo f e l e c t r o - h y d r a u l i cf l e v l - l s y s t e m t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d et h eh a r d w a r ed e s i g no ft h e $ e r v os y s t e m , s o f t w a r ep r o g r a m m i t l ga n dt h ea d j u s a n 甜to f t h ew h o l es y s t e m t h ep a r to f t h eh a r d w a r e e m p h a s i z e so nt h ed e s i g no ft h e $ e r v oa m p l i f i e r , a n dp r e s e n t st h em o d e lo ft h es e r v o s y s t e m a n dc o m i d e r i n gt h eu n c 既t a i nf a c t o r st h a tt h es y s t e mm a ym e e td u r i n gt h e o p e r a t i o n , t h ei n t e l l i g e n tp i dc o n t r o la l g o r i t h mi se m p l o y e dw h e nd e v i s et h ec o n t r o l l e ro f t h es y s t e mt oc o m p e n s a t ed i s t u r b a n c e sa n du n o r d e r e df a c t o r so ft h e s y s t e m 。f i n a l l 舅 s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sa r ed o n em a n yt i m e si no r d e rt og e t g o o d r e s u l t s 4 t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ba n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri s s e l f - a d a p t i v ea n dh a st h er o b u s tc h a r a c t e rf o rt h ec h a n g eo ft h em o d e lp a r a m e t e r s ，a n dt h e o u t s i d ei n f e r e n c e sa n dl o a dv a r i a t i o nc a nb er e t a i n e de f f e c t i v e l y k e y w o r d ：f u z z y - c o n t r o l ，t h en o n l i n e a rp i dc o n t r o l l e r ，e l e c t r o - h y d r a u l i c 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：圣莹：敝工硝年f 月力日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 硕十论文模期自适应p dj 线性控制在屯液伺服系统中的应用研究 l 概述 1 1 液压伺服系统概述 液压控制技术，在工业、军事上的真正推广使用，是在上世纪中叶以后 早在第二次世界大战期间，由于军事发展需要，特别是武器和飞行器控制系统的 发展，使液压控制技术得到很大的发展由于液压系统具有以下的优点：在同 等的体积下，液压装置能比电气装置产生更多的动力在同等功率下。液压装置 的体积小，重量轻，功率密度大。结构紧凑液压马达的体积和重量只有同等功 率电动机的1 2 左右“1 因此可以组成体积小、重量轻、加速能力强和快速动作 的伺服系统，来控制大功率的负载；液压装置工作比较平稳由于重量轻，惯 性小，反应快，液压装置易于实现快速启动，制动和频繁的转向液压装置能 在大范围内实现无级调速；液压传动易于自动化，它对液体压力，流量或流动 方向易于进行调节或控制因而液压系统倍受重视。电液伺服系统是液压伺服系 统和电子技术相结合的产物，由于它具有更快的响应速度，更高的控制精度，在 军事、航空、航天、机床等领域中得到广泛的应用1 3 j 目前，液压伺服系统特别 是电液伺服系统已经成为武器自动化和工业自动化的一个重要方面，应用十分广 泛。 液压伺服系统一般由反馈测量元件、输入元件、控制元件、执行机构和控 制对象五个部分组成【2 1 其典型的结构如下图i i 1 所示： 图1 1 1 液压伺服系统的构成 输入信号加于系统的输入端反馈测量元件通过传感器检测系统的输出量或 中间参量，并得到反馈信号，经过放大，校正后。反馈到系统的输入端，并和输 入端信号进行比较，从而构成了误差反馈控制。输入端信号和反馈信号应该转换 成具有相同形式、相同量纲的物理量，以便进行比较 比较元件将反馈信号与输入信号进行比较，产生偏差信号加于放大装置比 较元件有时并不单独存在，而与输入元件、反馈元件或放大装置放在一起，由一 顿士论文模斓自适应p i d 非线性控制在电液伺服系统中的戍用研究 个结构元件来完成。 在伺服系统中，输入元件、反馈元件和比较元件经常组合在一起，称为误差 监测器 控制元件( 伺服放大器和电液伺服阀等) 接受输入信号和反馈信号，通过比 较，放大和转换后，变成液压参量( 压力，流量) ，对执行元件进行控制。 执行机构( 液压缸，液压马达或液压泵一液压马达组合) 产生调节动作加 于控制对象上，实现调节任务 1 2 控制理论的概述 自从美国数学家维纳在2 0 世纪4 0 年代创立控制论以来，自动控制理论经 历了经典控制理论和现代控制理论两个重要发展阶段，在处理复杂系统控制问 题中，传统的控制理论在面临复杂性所带来的问题时，力图突破旧的模式以适 应社会对自动化提出的新要求，世界各国控制理论界都在探索建立新一代的控 制理论来解决复杂系统的控制问题 古典的自动控制理论主要解决单输入单输出问题；主要是采用时域法 和频域法对控制系统进行分析和设计的，其中有很多有效的设计方法，如 n y q u i s t 图法和根轨迹法等，其主要贡献是将p i d 调节器应用于控制系统中 二战期间，经典控制理论及应用得到巨大的发展战争需要用反馈控制的方法 建造飞机自动驾驶仪。火炮定位系统，雷达天线控制系统以及其他军用系统旧 这些军用系统的复杂性和对高性能的追求，要求拓展已有的控制技术随着电 子计算机的出现和迅速发展，计算和信息处理能力的不断提高，促使控制理论 向着更加复杂更加严密的方向发展后来出现的现代控制理论主要采用时域的 状态空问方法，包括线性系统理论、最优控制理论、系统辨识和随机控制理论 等几个主要分支由于现代控制理论所采用的各种控制系统分析综合方法都是 在取得控制对象数学模型基础上进行的，而数学模型的精确程度对控制系统性 能的影响很大，往往由于某种原因对象参数发生变化使系统数学模型不能准确 地反映对象特性而无法达到期望的控制指标为解决这个问题，自适应控制， 鲁棒控制的研究便成为控制理论的研究热点。现代控制理论从理论上解决了系 统的可控、可观、稳定性以及许多复杂系统的控制问题目前，控制理论仍然 在工业过程控制中发挥着重要的作用，解决了很多控制问题；但控制理论在应 用中面临着一系列的难题：传统控制系统的设计与分析是建立在已知系统精 确数学模型基础上的，而实际系统由于存在复杂性，非线性，时交性，不确定 性和不完全性等，一般无法获得精确的数学模型；研究这类系统时，必须提 出并遵循一些比较苛刻的假设，而这些假设在应用中往往与实际不相吻合； 2 颈士论文模糊自适彪p i d 非线性拧制在电液伺服系统中的应用研究 对于某些复杂的和具有不确定性的对象，根本无法以传统数学模型来表示，即 无法解决建模问题；传统的控制策略单一，不能适合高层决策问题 近年来，越来越多的学者意识到在传统控制中加入逻辑推理和启发式知识 的重要性，这类系统一般称为智能控制系统对“智能控制”这一术语尚未有 确切的定义，i e e e 控制系统协会归纳为：智能控制系统必须具有模拟人类学习 ( l e a r n i n g ) 和自适应( a d a p t a t i o n ) 的能力上世纪8 0 年代以来，计算机 技术的高速发展为实用的智能控制器的研制和开发提供了技术基础和硬件支 持。人工智能技术中关于知识表达、推理技术及专家系统设计与建造方面的技 术进展也为智能控制系统的研究和开发准备了新的条件和途径，出现了专家控 制系统，模糊控制系统，神经网络控制系统从而涌现了一批智能控制产品， 取得巨大的经济效益。 智能控制是控制理论发展的高级阶段它不同于经典控制理论和现代控制 理论的处理方法。它的研究主要目标不再是被控对象，而是控制器本身控制 器不再是单一的数学模型解析型，而是数学解析和知识系统相结合的广义模 型，是多种学科知识控制系统嘲 智能控制的概念是针对系统及其控制环境和任务的不确定性而提出来的 它主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题智能控制过 程是含有复杂性、不确定性、非线性、模糊性，并且一般不存在已知算法的非 传统数学公式化的过程在智能控制过程中，以知识信息为基础进行推理和学 习，用启发式方法来引导求解过程，从而得以在大范围内实现快速自组织的目 的因此，就智能控制过程而言。系统应当设计成为对环境和任务的变化有快 速的应变能力，而且要能完成各种难以用传统的分析数学和统计数学方法定义 的清楚的任务 从上面的论述可看出，传统控制和智能控制的主要区另在于它们控制不确 定性和复杂性以及达到较高的控制性能的能力，显然传统控制方法在处理复杂 性、不确定性方面能力低，并且有时会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能力，这种智能不是智能控制系统固有的，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 核心是去处理复杂性和不确定性，而控制的最有效途径就是采用仿人智能控制 决策 1 3 伺服系统智能控制现状 液压伺服系统的经典控制理论采用基于工作点附近的增量线性化模型来对系 硕士论文桎糊自适应p i dj e 线性控制在电液伺服系统中的应用研究 统进行分析与综合，设计过程主要在频域中进行，控制器的形式主要为滞后超 前网络和p i d 控制等啪。目前，液压伺服系统的经典控制理论已经成熟对于一 些频宽不太高、参数变化和外干扰不太大的液压伺服系统采用经典方法进行设 计已经能够满足工程需要近年来，随着机械工作精度、响应速度和自动化程度 的提高，对液压控制技术提出了越来越高的要求，液压控制技术也从传统的机械、 操纵应用场合开始向国防、航空、航天和车辆与工程机械等领域扩展。在这种情 况下，仅采用液压技术己难以满足上述应用场合提出的要求机、电、液一体化 技术正是在这种背景下产生针对越来越复杂的液压伺服系统，经典控制理论难 以满足控制要求，智能控制理论应运而生近代伺服系统控制策略的应用现状及 发展趋势是： 1 ，p i d 控制p i d 控制器具有结构简单易于实现等特点，至今在液压伺服 控制系统中仍有着广泛的应用传统的p i d 采用线性组合方式，难于协调快速性 和稳态特性之问的矛盾，在具有参数变化和外干扰的情况下其鲁棒性也不够好 随着对系统性能要求的不断提高，传统的p i d 控制往往不能满足要求，在这种情 况下吸取自适应控制和智能控制的基本思想并利用计算机技术的优势，对传统的 p i d 控制进行改造形成自适应p i d 、模糊p i d 、智能积分p i d 和非线性p i d 等，使 其适应新的要求 2 、自适应控制( a c )如果在设计控制系统时，不完全知道系统的参数或结 构，要求一边估计未知参数，一边修正控制作用，使系统性能接近指定指标。这 就是自适应控制问题。a c 可分为两大类：一类以自校正自适应控制( s t c ) 为代表， 另一类以模型参考自适应控制( m a c ) 为代表 3 、鲁棒控制在实际问题中，系统的模型可能包含不确定因素，希望这时 控制系统仍有良好性能，这就是鲁棒控制问题。在鲁棒控制领域中。一类有影响 的工作就是判断系数在一定范围内变化的多项式的稳定性和_ 严正实性，还给出各 种不同情况下的充分必要条件，例如棱边定理从状态空间出发，在复数域下对 矩阵稳定摄动界已有较好结果，但在实数域下，还没有有价值的结果 4 、神经网络控制神经网络控制c ) 是模仿人类的感觉器官和脑细胞的工 作原理而工作的它可以同时接受大量信息，并且对它们进行处理。结果也是平 行输出的一批信息在系统中硬件是模仿神经细胞的网络，软件则是模仿神经细 胞的工作方式，即每个神经元接受信号按。乘权值后相加”，输出信号按“阈值” 大小确定。 5 、l 丸z a d e n ( 扎德) 提出的模糊思想以及向控制领域的渗透，在理论上和 实践上为控制理论开辟了新的发展方向，提供了新的系统设计方法，即模糊控制 方法模糊控制实际上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴模糊控制系 4 硕十论文 模糊自适应p i d 非线性挣制在电液伺服系统中的应用研究 统具有依据人的操作经验确定控制参数隶属度及自适应调整控制参数的能力，因 而被广泛应用于反馈控制系统中 随着控制理论发展，涌现出许多新型、具有良好控制性能的控制理论和方法。 但是液压伺服系统普通存在非线性，且至今没有能够很好地解决这一难题现有 的处理方法是将描述系统特性的动态方程中的非线性项在工作点附近增量线性 化( 即取台劳级数展开式的一次项) 从而把非线性系统近似转化为工作点附近的 增量线性系统这样就可采用线性系统理论对系统进行分析与综合因此液压伺 服阀的三个系数( 流量增益、压力增益和流量压力系数) 就来源于此这种处理 方法对于系统给定量较小，且外负载不大经常工作在额定工作点附近的电液伺 服系统是可行的然而近代液压伺服系统往往要求系统具有点点跟踪任意非线性 函数的能力，并且能够承受较强的外负载干扰，因此工作过程中系统的工作点在 较大范围内变化，从而增量线性化理论难于奏效目前，解决这个问题的途径主 要有两个：一种方法是基于对象线性模型采用具有较好自适应性和智能性的鲁棒 控制策略( 例如v s c 、n n c 、a c 和a i c 等) 来处理工作点变化和系统非线性引起的 不定性：另一种方法是对非线性对象在大范围内精确线性化，采用非线性系统的 几何控制理论来设计非线性状态反馈本文采用模糊自适应p i d 非线性控制的 智能控制算法，来处理工作点变化和系统非线性引起的不定性 1 4 论文研究的主要内容 针对本论文涉及到是大功率液压伺服系统，由于电液转换元件中伺服阀的流 量方程是非线性的，在分析系统的大扰动稳定性与大给定下的动态品质时，或 者在控制精度和动态性能要求较高的场合时，就不宜把它近似地作为线性系统 处理，而常规的p i d 控制器是一种线性控制器，难以满足实际系统的要求，本 课题在此背景下，设计一种模糊自适应p i d 非线性控制器，由模糊规财摩控制 优化非线性p i d 控制器的参数，同时，通过隶属度优化器将隶属度进一步优化， 以达到提高系统的精度和稳定性，来处理液压系统模型的不确定性、不精确性， 以满足液压伺服系统的动态性能和静态性能要求，提高系统的鲁棒性 研究工作主要从以下方面展开： 1 、电液伺服系统硬件设计及数学模型的确定针对实验室已有的p x - 8 电 液伺服系统，分析组成系统元件的功能及特性和影响系统工作的干扰因素，确 定系统大致的传递函数，设计伺服驱动放大器。然后通过在实际系统上进行调 试推导传递函数中的参数，最终得出系统的传递函数。在具体的仿真中，通过 修改模型中的参数，仿真系统中的非线性因素 2 ，智能控制器模糊自适应p i d 非线性控制器的设计考虑系统的非 5 颂士论文 模糊自适恕p i d 非线性控制在电液伺服系统中的应用研究 线性特点，并且确保系统在参数变化、外负载干扰和交叉干扰等复杂情况下仍 具有较好的稳定性和鲁棒性，设计了模糊自适应p i d 非线性控制器，利用误差 变化和误差变化率，由隶属度优化器，模糊规则库，对非线性p i d 的参数进行实 时优化。 3 、系统仿真控制器确定之后，实际系统调试之前，为了检验算法的可行 性，运用m a t l a b 软件进行系统的仿真，由z i e g l e r - - n i c h o l s 整定法先初步确定 p i d 的三个系数，再利用隶属度优化器，对误差变化和误差交化率的隶属度以及 三个参数的隶属度进行优化最后利用三个参数的隶属函数对其进行相应的小幅 度变化。不断修正控制器的参数直至达到伺服系统所要求控制的动静态性能指标 以及非线性的控制。 4 、在完成系统的仿真后，将仿真程序转换为实际的控制程序，运用该控 制程序进行实际系统调试，逐步修正控制器中的各种参数，使系统达到良好的 控制效果 2 电液伺服系统硬件组成瑚 本文中，选用的液压伺服系统硬件核心是p x - 8 电液伺服驱动装置，通常称 该系统为p x - 8 电液伺服系统，如图2 所示： 图2 电液调速系统的工作原理图 图2 1 是系统的整体结构框图，它主要由主控计算机、电液调速系统、模拟负载、校正 6 马达 硕士论文模糊自适应p i d 非线性控制在电液伺服系统中的应用研究 网络、测角装置五丈部分组威。主控计算机是整个控制系统的控制中心，负责采集控制目标 信号；计算机的输出信号通过电浓调速系统的伺服放大器进行调整放大，用于控制电液伺服 阀电液伺服阐、液压缸和位置传感器构威一惯性环节，是节流调速其输出用于控制变量 泵的排量。因此，计算机的输出信号，最终控制的是变量泵的流量泵控马达是通过改变变 量泵的排量实现对液压马达转速的控制，属于容积调速，是系统的执行机构，其效率高，应 用于大功率液压控制系统中，节能效果是很明显的；通过增速箱连接的磁粉制动嚣和惯量盘。 模拟实际火炮系统上的阻力矩和转动惯量。为了改善系统的性能，采用测速电机在系统中 引入了速度和加速度反馈进行较正。伺服系统控制算法，通过采集来之于减速箱和测角装置 的位置量，作为外环位置反馈 2 1 电液调速系统 图2 1p x - 8 电液伺服系统结构框图 圆 圆 图2 1 中虚线框围起来的部分是电液调速系统，它是p x 一8 电液伺服系统 的硬件核心，由伺服放大器、电液伺服阀、液压缸、变量泵、液压马达和位置 传感器构成，是一个兼有节流调速和容积调速的系统，系统的前一级执行元件 采用节流控制，作为容积调速的前置级，容积调速是系统的执行机构，用于推 动负载运行，因此系统综合了节流控制和容积控制的优点，具有动态特性好， 效率高其结构如图2 1 1 所示 图2 1 1 电液调速系统的结构框图 7 硕士论文模糊自适陵p i d 非线性控制在电液伺服系统中的应用研究 电液调速系统前一级节流控制元件包括伺服放大器、电液伺服阀、双作用 液压缸和位置传感器，构成摆架角度位置控制系统，即所谓的小闭环其工作 原理：计算机输出信号经过伺服放大器调整后，控制电液伺服阀的开口大小和 方向，由此再控制双作用液压缸运动速度和运动方向如果不引入液压缸的位 置反馈，此系统为一积分环节；现加入位置传感器反馈信号，小闭环就构成了 一个惯性环节。液压缸的输出用于控制变量泵斜盘的倾角，即控制变量泵的排 量，也就是液压马达的转速 当伺服放大器输入信号为零时，电液伺服阀无流量输出，活塞处于中位，变 量泵摆架处于零位，变量泵无流量输出，液压马达不转；当伺服放大器输入信号 非零时，电液伺服阀有流量输出，驱动活塞从而带动变量泵摆架偏转一定的角度， 使变量泵有相应的流量输出，驱动液压马达通过齿轮箱带动负载克服静力矩转 动同样，如果输入的电信号反方向，液压马达驱动负载以反方向转动 电液调速系统的主要部件及参数为： 电液伺服阀：为双赜嘴挡板力反馈二级电液伺服阔，额定工作压力为 2 8x1 0 ”p a ，在本系统中实际工作压力为2 1 1 0 。p a ，我们选用该产品，是因 为它具有功率重量比大 液压缸：为双作用缸，活塞有效面积为2 7x1 0 。m f f i ，行程为0 0 1 5 m 变量泵：为斜轴式轴向柱塞泵，摆架转角3 0 度，由油缸的活塞控制 泵的最大排量为1 ，5 6 1 0 矿r ，最高工作压力为2 1 0 1 0 6 p a 液压马达：为y m 3 0 型斜轴式定量马达，排量为2 8 1 1 0 4 m 3 r ，额定转 速为2 2 8 0 r m 拖动电机：所有液压泵由同一个三相异步电机拖动，功率为5 5 k w ，额 定转速是2 9 0 0 r m 。 辅助供油泵：包括两个齿轮泵，其一为主油路补油，压力为8 1 0 ， 另一个为电液伺服阀供油，额定供油压力为2 7 x 1 d p a ，压力均由溢流阀调整 位置反馈传感器：采用旋转变压器，额定激磁电压为3 6 v ( 4 0 0 h z ) ，输出 梯度为0 3 v d e g ，零位剩余电压不大于4 5 毫伏 伺服放大器：接受工业控制计算机的输出信号，经功率放大后输出控制 液压马达带动负载运动。伺服放大电路的输入是：主控机的d a 输出、速度和加 速度反馈校正信号、伺服阀位置反馈信号该放大电路由：校正电路( 速度和加 速度反馈信号) 、位置传感器采集电路和信号放大电路等组成校正电路和位置 传感器采集电路的工作原理在后文将作详细介绍信号放大电路前置级由三级运 算放大器进行电压放大，输出级采用由运算放大器和0 c l ( 无输出电容) 互补对 称功率放大电路，进行功率放大，其原理图见附录a 。 硕士论文 模期自适鹰p i d 非线性控翻在电液伺服系统中的应用研究 2 2 工业控制计算机 本系统采用台湾研华a d l i n k 型号的工控机，n u p r o - 7 6 0 主板机，c p u 选 用i n t e lp e n t i u m1 1 4 5 0 姗z ，外如i n t e l 8 0 3 8 7 协处理器，c a c h em e m o r y 大小为2 5 6 k b ，具有7 路蹦 通道另外，p c a - 6 1 4 7 还具有p c 1 0 4 扩展接 口、p o s t 诊断灯，1 2 级w a t c h d o g 、t i e r 等 采用工业控制计算机适用于工业现场控制，具有较好的抗电磁干扰能力、稳 定性和计算能力同时具有高的扩充能力。能够很好的完成电液伺服系统控制的 要求，达到系统的跟踪速度和动静态精度要求 2 3 校正装置 为了改善系统的性能，通常引入校正装置本系统采用并联校正中的速度 和加速度反馈校正，速度反馈提高系统的固有频率，加速度反馈提高系统的阻 尼方法是：在系统输出轴上安装测速发电机测速，再通过电路转换出加速度 信号，两路信号都反馈给伺服放大器。 测速发电机 在本液压伺服系统中，测速发电机采用的装置是博山电机厂生产的t g p - i 型永磁直流发电机标准大气压下，环境温度范围为- - 6 0 。+ 7 0 。，当振动频 率为4 0 - - 4 5 h z 时，抗震强度过载可达4 9 ，最大转速为7 0 0 0 r m ，线性误差 0 5 校正电路 校正网络的输入电阻很高，因此，信号电流就相对较弱，本系统在电路中 加入一级运算放大器对信号进行放大经过放大后的信号，一路从可调电阻直 接反馈校正，另一路由微分电路转换为加速度信号用于校正两路校正信号的 增益均通过电位器可调，旁路电容的作用是滤掉测速电机电刷所引起的高频干 扰校正电路如图2 3 1 所示。 9 硕士论文模糊自遁应p i d j 睦e 性 空制在屯滩伺服系统中的应带研究 图2 3 i 校正电路原理图 2 4 位置反馈信号的采集装置设计 本系统位置反馈信号包括液压马达输出轴的外环位置反馈信号和小闭环内 的液压缸位置反馈信号两部分，分别采用不同的装置进行采集。 2 4 1 外环位置反馈信号的采集装置 1 、测角装置” 由于系统要求静态、动态误差很小，所以使用高精度的测量元件为此， 可以选用高精度的旋转交压器和位数较多的r d c 模块虽然如此，有时还不 能达到设计要求为了使轴角编码装置的测量误差满足数字伺服系统的静差 设计要求，采用双通道旋转变压器和1 6 位的r d c 轴角编码装置 基于以上原因并参考工程实际经验，选用信息产业韶电子第二十一所的 j t o x f s 0 1 1 旋转交压器和四十三所的i d t s l 6 轴角编码器首先用双通道多极 旋转变压器作为数字测角装置，将系统输出轴转角位置转换成模拟电压值， 然后再通过r d c 轴角数字转换模块完成对位置信号( 模拟电压值) 的采集、 处理、数字编码，从而得到负载位置转角的精确数字量并送入计算机其原 理框图如下图2 4 1 1 所示 负载位置角 ( 模拟曩) 图2 4 i i 数字铡角原理 角度 ( 数字量) 硕七论文模糊自适应p i d 非线性控制在电液伺艉系统中的应用研究 j 7 0 x f s o t l 旋转变压器 当双通道旋转变压器的定子绕组加入参考电压_ 。y = s i nm 时，其转子相对 于定子的偏转角f 的信息就包含在转子绕组输出电压的调幅信号之中。其精度主 要由精通道决定。它具有粗通道和精通道两组电压输出： 租通道输出为 ( 厂。f ) = 【，。盛n o 。s i n o t ( 2 4 1 1 ) u “( f ) 5 口一c o s 0 一s m m t 。( 2 4 1 2 ) 精通道输出为 u j ( r ) 2c ，一跏0 js i n 审 ( 2 4 1 3 ) u ，o ) = u j c o s o , s i n 口t 。 ( 2 4 1 4 ) 其中；c ，口，u 。分别为概略正余弦输出电压， u 。，u 。分别为精确正余弦输出电压， c o ，分别为概略、精确绕组输出电压峰值， 包，口，分别为概略，精确角位置， 口为励磁角频率 本文选用的粗精比例为l ：3 2 。详细参数参考信息产业部电子第二十一所的 旋转变压器说明书。 g t s l 6 转换模块 g i s 1 6 r 系列双速r d c 是模块式结构的单块电路，内部包含有粗精两路自整角 机数字转换器和一个双速系统所必需的纠错逻辑电路，输入信号为四线的旋转 变压器信号，工作频率为4 0 0 h z 这两个信号与内部可逆计数器的数字角尹在正余弦函数乘法器中相乘，在经 误差处理后得： u , = s i n 0 , c o s d 8 i n c o t 一【，二c o s o c s i n # s i n m t = u 二s i n ( o , 一f i ) 踊耐( 2 4 2 1 ) 经过放大、鉴相、积分滤波后送入压控振荡器，如果g - 不归零，压控振荡 器将输出脉冲更改可逆计数器内的数据，指导2 一妒在转换器精度内归零，这一转 换器始终跟踪输入角6 ，的变化。这就是粗通道旋转变压器的工作原理。 精通道旋转变压器的工作原理同于粗通道旋转变压器。 图2 4 1 2i f r s l 6 原理图 _ 1 。_ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 。 硕士论文 模糊自适应p i d 非线性控制在电液伺雕系统中的应用研究 而双速转换器，粗精两路的数据首先进行数据权值处理，即把粗精通道所得 数据扩大转速比的倍数精通道数据和经过处理的粗通道数据再一起进行数据的 组合及纠错，最后得到分辨率达到1 6 位的二进制数码输出 2 4 2 液压缸位置反馈装置 小闭环内的位置反馈，采用p x - 8 电液伺服系统中，液压缸的活塞对3 6 v 4 0 0 h z 激励电压的响应，该反馈信号为正弦信号，采集电路必须具有放大和滤波功能 图2 4 2 1 液压缸位置信号采集电路 中间级采用全波相敏放大器l z x l ，接受前置级输出的放大信号。它是单片集 成电路，能同时完成输入交流信号变为直流信号和鉴别输入信号的相位的功能 咖；末级是反相输入的运算放大器，对中间级输出的信号进行放大输出端两电 阻各并联一个二级管，其作用是滤波采集电路如图2 4 2 1 所示 2 5 伺服放大器 根据系统的性能要求和信号的类型，开发研制了伺服放大器它包括稳压 电源，输出信号的交换、位置信号的数据采集。伺服放大器电路原理图见附录 a 从控制计算机中的数据采集控制卡的d a 端输出的电压信号，为了避免直 接的电气连接，计算机的输出信号首先经过隔离芯片，然后将隔离后的电压信 号进行滤波后再进行调整。因为采集卡的输出电压范围为单向0 v - s v 或 0 v i o v ，而电液伺服阀的输入电压既要求有正电压，也要有负电压，加一个 电压偏置电路，将单向的电压信号转换为双向的电压信号。将双向电压信号通 过稳压管限幅、滤波。再利用差分放大电路进行功率放大后输出到电液伺服阀 硕士论文模糊自适应p i e ) 非线性控 j 在电液伺服系统中的应用研究 2 6 数据采集、控制输出卡 旋转变压器经过一个减速器与液压马达相连，测得的液压马达位置( 8 位模 拟信号) ，经过p , d c 解码模块，转换成数字量输出，计算机读取数据后，根据当 前液压马达位置和系统给定目标位置之间的误差，采取相应的控制算法，返回电 液伺服阀的控制电压值。计算机将该电压值经d a 转抉成模拟信号量送至信号调 整电路，驱动电液伺服阀，从而达到控制液压马达的目的这样经过多次的循环， 从信号采集控制一跟踪，就可以实现系统对目标位置的跟踪本系统采用的下 面两种卡，来实现a d 、n a 和开关量数据输入输出功能 采用研祥( e v o c ) p c l 一8 1 2 数据采集卡采集数据和d a 输出n 1 1 利用p c 卜呵3 0 作为数字输入输出接口，实现a d 功能；同时利用其定时 中断功能“4 。如下图2 6 所示： 2 7 磁粉制动器嘲 图2 6 磁粉制动器是一种性能优越的自动控制元件它以磁粉电流为控制手段， 达到控制制动或传递转矩的目的。其输出的转矩和激磁电流呈良好的线性关系， 丽与转速或滑差无关，并具有响应速度快、结构简单等优点 它有以下几个基本特性： 1 激磁特性力矩特性 激磁电流与转矩基本成线性关系，通过调节激磁电流可以控制力矩的大小 其特性如图2 7 1 所示： 颂士论文 模期自适应p i d 非线性控 i 在电坡伺服系统中的应用研究 n m 1 0 8 6 4 2 激励电流( a ) o 2 0 4 o 6o 81 o 1 2 图2 7 1 电流力矩特性图 2 转矩一力矩特性 力矩与转速无关，保持定值。静力矩和动力矩没有差别其特性如图2 7 2 所示： n 0 l o 8 6 4 2 5 0 0 l o 图2 7 2 转速一力矩特性 转速( r p m ) 3 负载特性。 磁粉制动器的允许滑差功率，在散热条件一定时，是定值其连续运行 时，实际滑差需要在允许的滑差功率以内使用转速高时，需要降低力矩使 用其特性如图2 7 3 所示。 图2 7 3 负载特性图 转速( r p m ) 1 4 硕士论文 模糊t 揪p i d 非线性控制在电被伺服系统中的庵用研究 2 84 0 0 h z 电源设计设计 为了避免系统内部干扰，提高系统精确度和稳定性，单独设计4 0 0 h z 电源发 生器。如下图所示： 图2 8 1 4 0 0 h z 激励信号电路原理图 3p x _ 8 电液伺服系统建模 本论文建立系统精确模型，为了在系统仿真中有具体对象控制：同时为了便 于对实际系统的控制。 系统建模的方法主要有两种：一种是机理建模，一种是系统辨识实际上， 建模常常综合运用这两种方法本文采用机理建模，通过对本系统各组成部件， 分别进行测量，由经验和实验取定相关参量，并进行简化对于难以测定的参量， 从系统控制的需要出发，直接用动态分析仪器进行测量 p x - 8 静态测试的原理图如下： 磺士论文模糊自适应p i d 非线性控制在电液伺服系统中的应用研究 图3 1 静态测试原理图 p x 一8 调速系统中的小闭环为一惯性环节，则其传递函数可表示为 = 南 ( 3 - 1 ) 其中：乙是调速系统的时间常数，k 是调速系统的增益 从p x - 8 系统到伺服系统( 位置环) 的装置是减速机，其传递函数为 g ( s ) = 二 ( 3 2 ) 。 占 因此，整个p x 一8 调速系统的开环传递函数为 g ”c i ( s ) g a s ) = 鼎= 而k ( 3 - 3 ) 由此可知，只要测出k 和乙值，就可得出整个伺服系统的传递函数 我们采用多次测量取平均值的方法，由静态测试获得k 值。在实测过程中， 在伺服放大器输入端输入阶跃信号，测量液压马达的动态响应，得到系统的时间 常数中间值乙为0 4 6 s ，每次测得乙在0 4 6 s 正负1 0 范围内波动。 测试过程：改变伺服放大器输入电压，在磁粉制动器上不施加l 由转速仪 显示读取相应马达轴转速，测得一组数据。由此数据绘出输入电压液压马达转 速特性曲线，如图3 2 所示。 硕士论文模糊自适应p i d 非线性控制在电液伺服系统中的应用研究 0 ( r p m ) 2 0 0 0 l 跚 ， 1 0 0 0 5 0 0 _ 3 - 2 l23t 舶 d 呶 q 唑 u ( v ) 图3 ，29 一u 曲线 由图可得，从伺服放大器输出电压到液压马达轴输出转速间的静态放大倍数 大约为： k = 4 8 6 ( r p m ，v ) 实测静态放大倍数k 在4 8 6 ( t r a p v ) 的正负1 0 内波动。 从马达轴输出至负载端，其传动比为1 3 0 ：1 。 因此，液压伺服系统的传递函数( 数学模型) 如下； g o ) ：! 墼g 塑 0 4 6 k ，j 2 + j k 。k 2 在 o 9 ，1 1 区间内变化。 4 模糊自适应p i d 控制器的设计 ( 3 _ 4 ) ( 3 - 5 ) 在工业过程控制和运动控制中，常规的p i d 调节器仍占有很大的比重，这是 因为它具有算法简单、整定方便，鲁棒性强，可靠性高和不需要对象的精确数学 模型等优点但对于具有延迟，非线性和参数时变的控制系统，p i d 参数只有不 断地根据对象参数的变化进行适应性地自整定或调整，才能得到最优的控制效 果由于系统具体的数学模型未知，通过输入输出信号，来控制整个系统，常规 p i d 控制器不能达到理想的控制效果；与此同时，在实际的工作现场，由于受各 种干扰因素的影响，常规p i d 控制器参数往往整定不良，性能欠佳，对运行工况 的适应性很差。基于上述认识，人们对p d 进行改进其一，对常规p i d 本身的 结构进行改进，即变结构p i d ，主要有：积分分离p i d 控制算法，遇限消弱积分 p i d 控制算法、不完全微分p i d 控制算法、微分先行p i d 控制算法和带死区的p i d 1 7 模糊自适应p d 非线性控制在电液伺服系统中的应用研究 控制算法。其二，模糊控制、神经网络控制和专家控制目前是智能控制中最为活 跃的领域，它们与常规p i d 控制相结合，扬长避短，发挥各自的优势，形成智能 p i d 控制。它具有不依赖系统精确数学模型的特点，对系统参数变化具有较好的 鲁棒性主要方法有：基于规则的智能p i d 自学习控制算法、专家式智能自整定 p i d 控制算法、模糊p i d 控制算法、基于神经网络的p i d 控制算法，自适应p i d 预测智能控制算法和单神经元自适应p i d 智能控制等多种控制算法。 在电液伺服系统控制设计中，本文使用模糊自适应p i d 控制器。首先，不考 虑非线性时，传统p i d 的三个参数k p ，硒和i ( d 通过常规z i e g l e r - - n i c h o l s 整 定法整定得到。然后，考虑非线性因素，通过模糊规则库来对系统微小非线性变 化，进行控制调节。通过类似自组织模糊系统的三个环节，即性能测量环节，控 制量校正环节和控制规则修正环节，实时微小调节p m 参数对系统进行控制。控 制规则修正环节作为五个隶属度的优化环节，以使系统达到快速，稳定，准确的 性能要求 4 1 智能控制综述 目前智能控制主要有以下几种类型： 1 )专家系统和专家控制 2 ) 模糊逻辑控制 t 3 )神经元网络控制 4 1遗传算法 5 )学习控制 随着当前控制系统指标要求的不断提高和系统复杂程度的不断增加，越来越 多的学者意识到在传统控制中加入逻辑推理和启发式知识的重要性，通常这类系 统称之为智能控制系统阐。智能控制与经典控制理论和现代控制理论不同，不再 是单一的数学模型，而是数学解析模型和知识系统相结合的广义模型。在进行系 统分析和设计时，充分利用智能控制的非线性、快时变、变结构、自寻优等各种 功能来克服系统的变参数、非线性、环境扰动等不利因素，提高系统的鲁棒性， 使被控对象在大惯量、变负载和各种非线性因素等复杂情况下，从系统的功能和 整体优化的角度来分析和综合系统，以实现预定的目标，有效的确保系统较好的 动静态性能和对象模型参数变化情况下的鲁棒性。下面就一些常用的智能控制算 法进行简单介绍。 l 硕士论文 模糊自适应p i d 非线性控制在电液伺服系统中的应用研究 4 1 1 专家控制 专家控制e c ( e x p e r tc o n t r 0 1 ) 是基于知识的智能控制，由关于控制领域的 知识库和体现该知识决策的推理机构构成主体框架，通过对控制领域知识( 先验 经验，动态信息，目标等) 的获取与组织，按某种策略及时地选用恰当的规则进 行推理输出，进而对过程对象实施控制( 或修改补充知识条目) 旧。专家控制所 实现的控制作用是控制规律的解析算法与各种启发式控制逻辑的有机结合把基 于专家控制的原理所设计的系统和控制器称为专家控制系统或专家控制器专家 系统相当于专家处理知识和解决问题能力的计