（电力电子与电力传动专业论文）压力交变试验控制系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 坼a i fc o n d i t i o n e rc o m p o n e n t si n 谴l ec a t so rd o m e s t i cc o o l e r se l r ea l lu s e du n d e ra l t e r n a t i v ep r e s s u r e a n dh o tc i r c u m s t a n c e , s u c h 舔c o m p r e s s o r s ，c o n d e n s e r s , e v a p o r a t o r s ，a c c u m u l a t o r s ，c t r y 粥，t u b c $ a n do t h e r s 遗i i l a fp a r t s n 埒r e a c ha b o u ta l t e r n a t i v ep r e s s u r ei st od e t e c tt h ef a t i g u el i m i t so fp a r t st h a tw o r k i n gu n d e r t h ei m i t a t i o nc i r c u m s t a n c e ，s u c ha st h ea l t e r n a t i v ep r e s s u r eo fc i r c l el i q u i d 、c a b i n e tt e m p e r a t u r e ，t h ee a b i r 澉 h u m i d i t ya n dc i r c l el i q u i dt e m p e r a t u r e n o to n l yt h et y p e so fa l t e r n a t i v ep r e s s u r oe u l v e $ 潍b ei m i t a t e d , s u c h 鹞s i n ew a v e , t r i a n g l ew l i v t , l a d d e r - s h a p e dw l i v ea n dw a n t o n l yi r r e g u l a rp r e s s u r ew a v 豁，b u ta l s ot h ep t ：a ko fa l t e m a t i v op r e s s u r e , t h e v a l l e yo f a l t e r n a t i v ep r e s s u r e , f r e q u e n c yo f p r e s s u r ec u r v e sa n dw o r k i n gt e m p e r a l a n ec a l lb ei m i t a t e d t h ea l t e r n a t i v e 黔黜t e s ti sn o r m a l l ye a r r i e do u to i lt h ed o s e ds y s t e m a c t u a lp r o e i s i o ni s a f f e c t e db yt h et y p eo f c l o s e ds y s t e m 。i ti si m p o r t a n tt op a ya t t e n t i o nt ot h ev o l u m ea n ds t r u c t u r eo f t h ed o s e d s y s t e mt h ec h l t r a c t 默o fc i r c l el i q u i c li sl i l l t h e ri m p o r t a n ti m p a c t , s u c ha sm o d u l u so fe l a s t i ca n df l o w c h a r a c t e r t h i sa r t i c l ei s 幻r e s e a r c hac o m p u t ec o n t r o ls y s t e ma b o u ta l t e r n a t i v ep r e s s u r e 曩艳l i m i tc o n t r o lp r e s s u r e i s3 , - , 1 3 m p a ，t h el i m i tc o n t r o lf r e q u e n c yi so o l h za n d 岫l i m i tc o n t r o lt e m p o r a t u r ei s6 0 1 2 , , 1 5 0 c i ti s s u i t a b l et ob eu s e df o rh i g hp r e s s u r e ，h i e , hf r e q u e n c ya n dh i g j ht e m p e r a t u r et e s t , s u c h 徽t h ee o o l o r st h a tu 辩 c 0 2f o re i r e l ol i q u i d 啦sa r t i c l ed e s c r i b e s 妇b a s e dt y p e so f a l t e r n a t i v e 舛黜t e s t , t h e 硼她t h e o r yo f d i f f e r e n tt y p et e s ta n dt h es t r u c t u r eo f 麓_ e ht y p e i tp o 晾o u tt h es t r o n ga n dw e a kp o i n t so f d i f f e r e n tt e s tb a s e d o nl t a e i n u o d u e 啦a b o u ts e r v oh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m , t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma n de x p e , r i m e n t r e s e a r c h e s i ti su s e f u l 訇di m p r o v et h ei n l a n dr e a r c ha b o u ta l t e r n a t i v ep r e s s u r et e s t s 啦b e s tm a t c hi st h ek e yo fh y d r a u l i ce o n n - o ls y s t e m 曩臻m o d u l u so fe l a s t i c ，t h ef l o wc h l l r a c t 粥o f c i r c l el i q u i d , t h ea i re a p a e i t yo f c i r c l el i q u i da n dt h es t r u c t u r eo f t u b e s 眦e s p e c i a l l yi m p o r t a m n er e l i a b i l i t y d e s 啦i st h em o s ti m p o r t a n ti m p a c to fe l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ms u i t a b l es m l e t u r eo fd e , e t r i ec o n t r o l s y s t e ma n dt h e 轴曲q u a l i t yo fe a e l ae o m p o n o n t 鼬d u en o e e s s a l y v a r i a b l ee o e f f i e i e n tp i dc o n t r o l m e t h o da n d h i 鲢s p e e dc o m m u n i c a t i o nt e e l a n o l o g ya l r l u s e f u lt oi m p r o v et h ec o n t r o lp r e e i s i a a 黜a r t i c l ep r o v i d e sac o m p l e t ed e s i g na n dc o n t r o lm e t h o da c c o r d i n gt ot h et h e o r yc a l c u l a t ea r i da n a l y s e o f e x p e r i m e n t s i ti su s e f u lt oi m p r o v et h er e s e a r c ha b o u ta l t e m a t i v op r e s s u r e t e s t 1 ( o yw o r d s ：a l t e r n a t i v ep r e s s u r e , m a t c hd e s i g n , r e l i a b i l i t yd e s i g n , p i de o n l r 0 1 珏 独创性申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包括他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括含为获得浙江大 兰或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权逝堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 1 3 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向：回原单位工作 工作单位：浙江三花通产实业有限公司电话：13 7 77 8 7 0 5 7 0 通讯地址：浙江新昌浙江三花通产实业有限公司邮编：3l25 0 0 浙江大学硕士学位论文 第一章课题研究背景及研究意义 1 1 压力交变试验技术的现状和发震趋势 1 1 1 压力交变试验技术的现状 随着我国汽车行业约蓬勃发展，越来越多的辨资晶牌进入国内毒场，通雳， 别克、本田、丰田等国际一流企业正在向它们的零部件配套企业强制推行越来越 严酷的质量控制标准，如汽率空调的压缩机、冷凝器、储液器、干燥过滤器，以 及安装在管路中的其它承压帮件等均需要通过规定的压力交变试验。价格昂贵、 目前被世界5 0 0 强企业法雷奥、三电等企业所掌控的压力交变设备已经成为我国 提供廉徐汽车零部徉企业的敲门砖，如果想成隽或者彰i 罄力这鉴努资品薄企业配 套的资格，投资百万元购买这样的试验设备已经成为无可奈何的选择。数以百计 的压缩枫，冷凝器、贮液器、干燥过滤器等制造企业的需求带来了巨大鲤市场商 机，以浙江曼花、广州科腾、天津斯顿、南京晗业、深圳普泰思、广州力为、深 掣l l 亿威仕等为代表的企业已经开始碜 制生产不同技术水平的莲力交变设冬，浙江 大学、上海交通大学、上海7 0 4 研究所等大专院校开展了专题的学术研究，在相 应的列物上发表了各自的研究成果，但是，由于单台试验设备的研制费用将达到 几十万元，大专院校缀难独立地开展系统的研究工作，更多地倾向子商企业提供 技术支持，国内的压力交变设备制造企业受经济利益的驱动，更多的是追求短期 的经济效益，致使餮内婆前戆压力交变设备尚处在仿制阶段，核心技术至今掌握 在v a l e o 、b o s c h 、f e s t o 等公司手中。少数压力交变设备制造企业将液压控制系 统、电气控制系统全部委托b o s c h 等公司设计、制造，甚至包括设备最终的调试 工作也由b o s c h 等公司来承担，因此。开展压力交变设备的系统研究，有助子提 高国内在这方丽的研制水平，有助于降低国内汽车零部件行业的制造成本，从丽 提高我国汽车零部件行业参与国际市场豹竞争能力。 按照压力交变的压力波形来区分，有仅仅控制压力交变振幅的简易设备，即 控制交变歪力豹波蜂、波谷值，对压力变亿韵波形不进行控制翡简单设备，该类 型压力交变设备的结构简单、造价低，但是，只能等效模拟被试验产品的相对疲 劳极限寿命。在行业集中程度还不高，单位产品戆盈利链力比较低雏产韭，该类 型设备得到比较广泛的运用，如汽车塑料水箱、节温器的压力交变试验等。另一 种类型是能够模拟实际使用工况的压力变化波形以及压力变化幅度的设备，该类 设备不仅能够控制交变舔力的幅度，还能够控制交变压力星一定规律豹变化，如 按照正弦波、方波、梯形波、三角波，以及任意波形的变化等，模拟压力变化波 形懿试验更加接近被试验产品的实际傻翅工况。 按照试验环境温度、试验介质温度区分，有常温型和高温型之分，常温型是 指不控制试验环境温度塞试验介质温度的压力交变设簧，该类试验设备懿造价褶 1 浙江大学硕士学位论文 对较低、运行成本也比较低，试验结果可以认为是实际工况的等效试验。高温型 是指模拟指定的试验环境温度、试验介质温度，甚至试验的环境湿度等，该类试 验设备能够比较精确地评价被试验产品在高温环境下的疲劳极限寿命试验。 按照产生交变压力的驱动原理区分，有液压伺服型和气动伺服型之分，液压 伺服型是指采用液压站、液压伺服比例阀和伺服油缸等作为动力源，对一个相对 封闭的充满液体的系统进行加压，由于伺服阀、伺服油缸有足够高的系统响应频 率，能够对毫秒级的压力变化做出响应，毫秒级的p i d 调节使压力呈现出定波 形的变化。由于液体的弹性模量大，液压伺服驱动的压力交变设备响应频率高， 一般可以达到5 h z 左右。气动伺服型是指采用气体升压或者降压对一个相对封闭 的充满液体的系统进行压力的叠加，一般采用气体的伺服比例阀、储气罐等组成 伺服驱动系统，当压力稳定的气体经过气动伺服系统时，气动伺服比例阀能够在 毫秒级对比例阀的出口压力做出响应，从而控制气动比例阀后级的压力变化幅度、 频率，以及压力变化波形，但是，由于气体的可压缩性比较大，无论是充气加压， 还是放气减压都需要一定的时间，因此气动伺服型的压力交变系统响应频率比较 低，一般能够实现1 h z 左右的压力变化，同时，从安全性，以及目前可以选择的 元器件等角度出发，气动的压力交变设备一般不考虑高压试验，绝大部分的气动 压力交变试验只考虑5 b a r 以下的试验。 按照压力交变试验的电气控制系统区分，大致可以分为计算机控制系统和可 编程逻辑控制器控制系统等二类，也存在计算机和可变程逻辑控制器组合在一起 的控制技术。计算机控制系统更容易实现试验数据的存贮、打印等功能，单纯的 可编程逻辑控制系统一般只能显示试验结果，对动态的试验结果无法进行数据的 追溯和存储，但是，可编程逻辑控制器的可靠性比计算机控制系统高得多，高端 的压力交变试验设备一般将计算机控制技术和可编程逻辑控制器组合在一起，不 仅具备了计算机控制系统的存储量大、计算速度快、便于高速采样和通讯的优点， 还保留了可编程逻辑控制器的高可靠性优点，但是，负杂的控制系统使制造成本 大大提高，系统控制的数学模型更加复杂化。 无论是汽车空调系统的压缩机、冷凝器、蒸发器、贮液器、气液分离器，还 是供油系统的油管、油泵，以及制动系统的液压主缸等都提出了压力交变试验的 需求，有一定规模的企业越来越重视交变压力波形对产品疲劳极限寿命的影响， 松下、日立、法雷奥、通用等企业普遍对压力交变试验都有严格的波形要求，正 是他们的积极态度使得国内提供汽车零部件的企业不得不做出响应，为了维持各 自的零部件配套资格，不得不添置价格昂贵的能够控制压力变化波形的试验设备。 并且，国内在汽车行业的资源共享程度非常低，还没有能够提供系统的、完整的 汽车零部件的社会化的检测机构，原先仅有的几家社会化的检测机构，如上海内 燃机研究所等陆续被上海大众等收购，各大高校虽然在近几年不断开设汽车相关 2 浙江大学硕士学位论文 的专业和研究所，但是，与满足社会化大生产所需要的性能检测需求相比较差距 甚远，所以，压力交变等试验设备不得不由各使用单位独自购买，甚至变成同行 业竞争的一种手段和筹码，已经添置压力交变设备的企业甚至片面地夸大地宣传 压力交变设备的作用，以增强其在行业中竞争地位，如此一来，只要是供应同一 零部件的企业有一家购买这样的试验设备，其它企业就只能够闻风而动，以免在 激励竞争的环境中失去主动地位。 有市场就有产品，伴随着汽车零部件行业对压力交变设备的需求越来越大， 从事压力交变设备研究、制造的企业也在茁壮成长，浙江大学、上海交通大学等 高校陆续发表了各自的研究成果，并且和企业共同开发出了能够满足试验要求的 产品，如浙江大学热能专业在浙江银轮研制压力交变设备时起到积极的指导作用， 浙江大学液压专业在浙江三花研制压力交变设备时提供了不少支持和帮助等等。 1 1 2 压力交变试验技术的发展趋势 在以汽车零部件行业为主导市场的压力交变设备中，不能控制压力波形的简 易设备、能够模拟实际工况压力波形的设备都占据了一定的市场份额，从需求的 数量上看，简易型的压力交变设备占绝对主导地位，毕竟价格相差4 5 倍左右， 所以，中小型企业、刚刚介入汽车零部件行业的企业、仅仅为维修市场配套的企 业，以及对压力交变试验还存在怀疑态度，对添置压力交变设备抱着能省则省的 态度的企业一般总是选择价格相对便宜的设备，毕竟添置了这样的设备后比没有 添置的企业强；添置了这样的试验设备后，至少可以开展对比试验，无非是利用 这样的设备测试的几十万次寿命与模拟压力波形后的寿命之间存在一定的对比关 系，企业需要摸索、积累起这样的对比关系数据库来。毕竟，大多数企业还是需 要精打细算过日子的，所以，就目前的市场而言，简易型的、不控制压力波形的 压力交变试验在数量上占据主导地位。 但是，能够模拟实际工况压力波形的技术确是未来技术的发展方向。中国的 汽车行业已经呈现出被国外品牌垄断的现象，大众、通用、丰田、本田等国外企 业通过参股、控股等多种途径在我国的汽车市场占据越来越大的市场份额，他们 的企业如雨后春笋般地出现在中国的大江南北，进口的、国内组装的外资品牌的 汽车遍及中国的每一个城市，走进中国的千家万户，甚至成为中国市民炫耀的对 象。民族的特性、技术的落后、资金的匮乏等决定了我国的汽车市场最终将被外 资品牌所瓜分，决定了奇瑞、吉利等民族品牌只能在低端市场艰难度日。 外资品牌以技术领先占领中高端市场，民族品牌以低成本策略屈居低端市场， 未来技术的发展方向掌握在外资企业的手中。事实上，我们已经在汽油发动机上 失去了发言权，汽油发动机的技术是被国外企业所掌控的，即使奇瑞、吉利等民 族品牌也是引进国外的技术来生产发动机的。在柴油发动机领域，潍柴、常柴、 上柴、锡柴、新柴等虽然还有一定的市场地位，但是，在大功率柴油机、在环保 3 浙江大学硕士学位论文 型柴油机上，国内的发动机制造厂没有任何的主动地位，只要国家在柴油机上推 行欧、欧的道路排放标准，几乎所有的老牌国有柴油发动机企业将无法生存， 引进国外技术或者被外资品牌所收购将是比较良好的出路。 通用、大众、本田、丰田等外资品牌非常明确他们所需要的压力交变试验是 需要模拟实际工况的温度和压力变化波形的，他们占据汽车市场的主导强势地位 决定了类似浙江三花这样的众多零部件配套企业只能朝着这一技术方向发展而努 力，否则，将会面临被市场淘汰的可能，因此，伺服压力交变技术是未来的发展 方向，模拟实际工况的环境温度、介质温度和介质的流动状况，以及模拟交变压 力的波峰、波谷、振幅、频率等将更加精确地模拟出被试验产品的疲劳极限寿命， 将成为今后压力交变技术的发展趋势。 在伺服压力交变试验中，可以分为液压驱动的伺服压力交变和气体作为动力 源的压力交变系统等二类设备，二者将同时存在，并且适应不同的市场需求。虽 然液压驱动设备的频响高，能产生更高精度的交变压力波形，可适用于高压高频 响类的试验要求。但是，液压驱动的伺服系统造价昂贵，气体驱动的压力交变设 备也能够产生1 h z 左右的交变压力，蒸发器、中冷器等汽车零部件也只需要5 b a r 左右的交变压力试验，气体驱动的压力交变设备已经能够满足该类产品的试验需 要，因此，气体驱动的压力交变设备由于其成本低、性能能够适应部分汽车零部 件的测试要求，还将在未来以液压伺服驱动技术为主导的市场中占据一定的地位， 与液压伺服驱动技术相辅相成、协同发展。 由于气体驱动的压力交变设备在高压、高频率响应上有一定的局限性，当被 试验产品和管路内容积比较大时，其危险性超过液压驱动的方法，因此，液压伺 服驱动的压力交变系统的运用将更加普遍，所以，本文着重研究液压驱动的伺服 控制系统。 1 2 压力交变控制技术的现状与发展趋势 1 2 1 伺服液压控制技术的现状和发展趋势 电液伺服控制是在2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代以后发展起来的一门新兴的科学 技术，远在第一次世界大战前，液压伺服控制曾在海军舰艇中作为操舵设备，在 2 0 世纪4 0 年代已应用到飞机上，但当时所用的系统频响比较低，2 0 世纪5 0 年代 初，出现了电液伺服阀，进一步提高了电液转换的速度。现代飞机上的操纵系统， 如舵机、助力器、变臂器、人感系统、发电机和电源系统的恒速与恒频调节，火 力系统中的雷达与炮塔的跟踪控制大都采用液压伺服控制。导弹的作动舵面、摆 动发动机燃烧室、发射台的操纵以及人造卫星与宇航飞船的飞行控制也用到了液 压伺服控制系统。飞行器的地面模拟设备，包括飞行模拟台、负载模拟器、大功 率模拟振动台、疲劳强度实验的协调加载、大功率材料实验加载等大多采用了液 压控制。其他的国防工业，如高射火炮的跟踪系统、舰艇的舵机操纵与消摆控制 4 浙江大学硕士学位论文 等液压控制系统都有了新的发展。它在民用工业方面的应用也得到广泛的重视， 如机床、冶炼、锻造、轧钢、动力、车辆工程、矿山机械、海底作业、建筑、石 油等，被当前世界上众所注目的机器人技术也大量采用液压控制。 特别是2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初逐渐完善和普及的计算机控制技术，为电 子技术和液压技术的结合奠定了基础，大大地提高了液压伺服控制的功能与完成 复杂控制的能力，机、电、液一体化技术已逐渐扩展到各个工业领域。液压伺服 控制今后的发展大体可以有以下几个方面： l 、高压大功率：高压的目的主要是为了减轻系统的重量及结构尺寸，大功率 是为了解决惯量与重负载的拖动问题。 2 、高可靠性：液压控制设备一般都是高性能的机器，可靠性是一个重要课题。 3 、理论解析与特性补偿：在2 0 世纪5 0 年代与6 0 年代前半期，伺服机构本 身的理论大体上解决。近期的研究倾向是利用计算机对复杂系统( 如多变数液压 系统) 、复杂因数( 非线性及时变等) 进行仿真分析，其中大量的研究是围绕动态 特性进行的，随着系统应用的目的的多样化，控制对象也愈来愈复杂，大惯量、 变参数、非线性及外干扰是经常遇到的，要使这些系统具有满意的性能，必须研 究系统的性能补偿问题与近代控制策略。 4 、同微型机的结合，目前液压控制已从模拟控制转为以微机控制与数学控制 为主，把微机放入控制回路之内进行实时控制时有很多问题需要研究一计算机速 度问题、电液伺服机构如何与计算机配置的问题以及离散化带来的一些问题，直 接与数字机结合需要发展液压数字技术，目前已产生了各类形式的数字阀、数字 缸及高速开关阀等，众所周知，利用计算机可以进行更复杂的功能控制，电液伺 服控制与计算机的结合，提供了计算机创造的全部奇迹与大功率液压伺服控制之 间牢固的、精确的、高性能的联系，产生了各种智能化的电气液压伺服控制系统。 5 、液压伺服控制普遍的工业应用阶段，液压伺服控制元部件的批量及规格化 生产，降低成本或开发简易廉价的各种转换元件、数字化元部件以及各种抗污染 的产品，仍然是今后液压控制系统设计的课题。 随着计算机技术、集成传感技术的快速发展，8 0 年代初，高速开关阀和步进 电机拖动的数字阀，以及p w m 、s p w m 控制技术等使伺服液压控制技术得到快速的 发展，液压伺服系统呈现新的特点： l 、对于系统参数变化，外负载干扰和交叉耦合以及非线性因数引起的不定性，控 制系统应星现比较强的鲁棒性，适用于更加复杂的工作环境和工作任务，以及参 数变化比较大、外部干扰比较大的状况。 2 、控制策略应具有比较强的智能性，控制算法简单、实时性强，近代液压伺服控 制系统采用数字阀后，省略了 d 转换，在一定程度上提高了a 1 ) 转换的质量和 效率。 5 浙江大学硕士学位论文 3 、p s w m 、智能控制方法、鲁棒控制方法等新的控制技术层出不穷，使褥伺服液压 控制系统朝着响应频率越来越高、可靠性越来越高、控制精度越来越高的方向发 展。 4 、大大改善了电液伺服阀的节流特性和饱和流量作用引起的非线性影响； 5 、在满足稳态精度的前提下，尽量提高系统的动态特性，要求控制器能够做到快 速无超调地控制被控对象，近代电液控制系统的频宽可以接近1 0 0 h z ，几乎达到或 者超过液压动力机构的固定频率，适用于航空、航天领域的需求。 6 、控制器给出的最大控制量应能够使动力机构的极限拖动能力得以充分发挥，从 而使得电液伺服控制系统具有比较高的效率。妇1 1 伺服液压控制系统一般由指令元件、控制放大器、电液伺服阀、液压缸或者液 压马达，以及被控对象和检测元件等。如图卜l 所示。“】【1 】 被控量 l 伺服放大器c 参电液伺服阀b 液压驱动装置 检测元件 图1 _ 3 电液伺服控制系统的基本组成 随着电液伺服控制系统运用领域的逐渐扩展和深入，对电液伺服控制系统的要 求越来越高，同时，伴随着液压元器件电气性能的提高，以及各种先进控制算法 的出现和成熟，为提高电液伺服控制系统的性能奠定了技术基础，具体表现在以 下方面： l 、满足稳态精度的前提下，尽量提高系统的动态特性，要求控制器能够做到快速 无超调地控制被控对象。 2 、对于系统参数变化，外负载干扰和交叉耦合以及非线性因数引起的不确定性， 控制系统应呈现比较强的鲁棒性。 3 、控制策略应该具有比较强的智能性。 4 、控制算法简单、实时性强。 5 、控制器给出的最大控制量应能使动力机构的极限拖动能力得以充分的发挥，从 而使电液伺服控制系统具有比较高的效率。 1 2 2 电气控制系统的现状和发展趋势 无论是采用计算机控制系统还是可编程逻辑控制系统，压力交变试验大多采 用p i d 控制、迭代学习控制、滑模控制、b a c k s t e p p i n g 控制、模糊控制与p i d 结合等 方式，前期的压力交变试验的电气控制系统一般采用简单的p i d 控制技术或者迭 代学习控制技术，现阶段的控制技术越来越朝着这些控制技术的组合运用方向发 6 浙江大学硕士学位论文 展，智能化、集成化是压力交变电气控制技术的发展方向。下面就压力交变试验 常用的几种控制技术介绍如下： p i d 控制 p i d 调节由于其技术成熟、结构简单、在线控制实时性好、不需要精确的数学 模型、软件控制简单易实现等原因，p i d 调解控制已经是目前工业控制领域中最常 用的控制策略之一，很多的p l c 、温度控制仪等均具有p i d 控制功能。 p i d 控制运用时主要考虑采样频率、比例常数k 一、积分系数k 。、微分系数k n 等的合理选择，按照香农采样定理，采样频率至少应为有效信号最高频率的两倍， 实际上选用1 0 倍左右。采样频率的选择还应注意系统主要干扰的频谱，特别是工 业电网的干扰，一般希望是它们的整数倍数的关系，这对抑制干扰大为有益。考 虑系统纯滞后为主要因素时，采样周期尽可能使纯滞后时问接近或等于采样周期 的整数倍。比例常数k r 加大时，表示系统的放大倍数增加，系统的稳态误差将减 小，提高了系统的控制精度，通常比例系数k ，是根据系统稳定性的要求来选择， 过大的k r 将使系统趋于不稳定。积分控制能消除惯性系统的稳态误差，提高控制 系统的控制精度，但是积分控制通常使系统的稳定性变差，需要合理地进行积分 系数kz 的选择；微分控制作用能反映误差变化率，产生越前的校正作用，合理地 选择k o 可以改善系统的动态特性。 在实际运用时，也有在p i d 控制中加入简单非线性算法形成非线性p i d 控制 器以提高控制性能的，将参数k r 、k t 、k o 不设为常数，而是根据不同的试验条件 设定相应的系数。本文阐述设备正是采用p i d 控制器调节的，并且，比例系数、 积分系数、微分系数均根据不同的试验条件而改变，体现出良好的控制效果。 另外，也有很多控制系统采用复合控制方法，如自适应p i d 控制、智能p i d 控制、神经网络p i d 控制、预测p i d 控制等。7 3 。1 迭代学习控翻 迭代学习控制适用于具有运行周期性的被控制对象，基本思想是通过反复迭 代修正达到某种控制目标，可以实现在给定的时间段上使被控对象以任意精度跟 踪给定的期望轨迹，由于迭代学习控制算法极为简单，对系统参数的依赖性低， 属于基于品质的学习控制，在不确定、非线性、强耦合复杂系统的高精度轨迹控 制领域引起了广泛的关注。 迭代学习控制的数学模型：对于一个被控对象，给定时间区域 0 ，t 上的期 望轨迹y a ( t ) 寻找一个控制输入u ( t ) ，使得在该控制输入作用下系统的输出u ( t ) 在区间 0 ，t 上尽可能地跟踪上y a ( t ) 。迭代学习控制是通过函数迭代方法寻找 u ( t ) 的，即构造用于修正控制的学习律，使得它产生一函数序列 u 。( t ) ) 收敛于 u ( t ) 。 学习律的典型形式为： 7 瓣涵夹学繇士学位1 逢文 u t + l ( t ) = 驻t ) 十珏譬l ( t ) ，专 e k ( t ) = y d 循环油泵 排气单元 脊大嚷度变化时，会亏l 起系 3 4 浙江大学硕士学位论文 统的冲击，甚至造成事故，所以在实际中用的比较少。 增量式p i d 是指数字控制器的输出控制量的增量a u ( k ) 。当执行机构需要的控 制量是增量而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式p id 控制算法进行控制。 增量式p i d 控制算法公式如下： a u ( k ) = k p ( 一气t i ) ) + 墨气+ 如( 一2 气t 1 ) + 气i 2 ) ) ( 4 2 2 ) 增量式p i d 算法与位置式算法相比较，有下列优点： ( 1 ) 增量式p i d 算法只需要前两次偏离值，不需要以往偏差的累积，当存在 计算误差或精度不足时，对输出控制量的影响比较小，且比较容易通过 加权处理获得比较好的控制效果。 ( 2 ) 计算机只输出控制增量，所以误动作影响比较小，且必要时可用逻辑判 断的方法去掉，对系统安全运行有利。 ( 3 ) 位置式算法由于积分项可能使增量超过执行机构的线性区，产生积分饱 和，引起非线性，而增量式算法可使积分饱和得到改善，超调量减小， 过渡过程时间缩短，系统的动态性能有所提高。 ( 4 ) 在计算机发生故障时，由于执行装置本身有寄存，仍可保持在原位， 只变动增量值。 增量式的缺点是：积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大，尽管如此， 在实际系统中，增量式仍较位置式的使用广泛得多。 从p i d 的控制原理可以看出，p i d 控制计算量小，实时性好，实现非常方便， 主要工作就是确定比例系数足p 、积分系数蜀和微分系数k d 。工程上一般采用整 定法确定这三个参数，常用的方法有z - n 法和扩充临界比例带法，其方法是使系 统出现等幅振荡，此时控制系统的比例增益为临界比例增益k 一积分系数足，和微 分系数髟d 三个参数。们 4 2 2 2 改进的p i d 控制1 m 2 m 3 m 川“1 在计算机控制系统汇总p i d 控制规律是用计算机来实现的，因此它的灵活性 很大。一些原来在模拟p i d 控制器中无法实现的问题在引入计算杌后就可以得到解 决，于是产生了一系列的改进算法，以满足不同控制系统的需要。常见的有：积 分分离p i d 控制算法、遇限削弱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、带死区的p i d 控制算法等。 同时针对那些传统方法难以解决的控制对象参数在大范围变化的问题，通过 在线调整p i d 参数，将智能控制方法和常规p i d 控制方法融合在一起，形成了许多 形式的智能p i d 控制器，它吸收了智能控制与常规p i d 控制两者的优点。首先，它 具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控 3 s 浙江大学硕士学位论文 制参数、能够适应被控过程参数的变化；其次，它又具有常规p i d 控制器结构简单、 鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。这些智能控制算法包 括模糊p i d 、神经网络p i d 、专家p i d 控制及基于遗传算法的p i d 控制等。 1 积分分离p i d 控制算法 在普通的p i d 数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差，提高 精度。但在过程启动，结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的 偏差，可能引起系统比较大的超调，甚至引起系统的震荡，这是某些生产过程中 绝对不允许的。引进积分分离p i d 控制算法，即能够保持积分作用，又减少了超 调量，使得控制性能有了比较大的改善。数学表达式如下： i 材( 七) = 七，e ( k ) + k l k i “) + k ( 后) 一口( 七一1 ) 】 - ，曩口 ( 4 - 2 3 ) 式中当i p ( 七) | 巾占m l ，即偏离l “七) l 比较大时，= 0 ，采用p i d 控制，可以避 免过大超调，又使系统有比较快的响应；当l p ( 后) i g 时，即偏离i p ( j i ) i 比较小时， k ，= l ，采用p i d 控制，可保证系统控制精度。 2 遇限削弱积分p i d 控制算法 当控制变量u 进入饱和区后，便不再进行增大积分项的累加，而只执行削弱 积分项的累加，数学表达式为： 士 u ( k ) = k p e ( k ) + k s k , e ( j ) + k d e ( k ) - e ( k - 1 ) 】 ，霉o ( 4 2 4 ) 当u ( k ) 1 - 作在线性区时：七，= l 当u ( k ) 工作在饱和区时：e ( k ) o 时，t = 0 ；当e ( k ) 冗0 时，k l = 1 。 3 不完全徽分p i d 控制算法 微分环节的引入，改善了系统的动态特性，但是对于干扰特别敏感。且有以 下不足之处：( 1 ) 微分项的输出仅在第一周期引起激励作用，对于时间常数比较 大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的。( 2 ) 容易造成计算 机中的数据溢出，此外输出过大或过快对执行机构也会造成不利的影响。为了克 服以上缺点，仿照模拟调节器的实际微分调节器，假如惯性环节。为此，在数字 p i d 调节器中接低通滤波器( 一阶惯性环节) 形成不完全微分数字控制器，不仅可 以平滑去微分产生的瞬时脉动，而且能够增强微分对全控制过程的作用。 4 徽分先行p i d 控制算法 微分先行p i d 控制算法，其特点是只对输出量c ( t ) 进行微分，而对给 定值r ( t ) 不作微分，这样，在改变给定值时，输出不会改变，而被控制量的 3 6 浙江大学硕士学位论文 变化，通常总是比较缓和的。它有两种结构：一种是对输出量的微分，另一种 是对偏差的微分，第一种结构只对输出量c ( t ) 进行微分，适用于给定量频繁 升降的场合。第二种结构对偏差值先行微分，它对于给定值和偏差值都有微分 作用，适用于串级控制的副控回路。 5 带死区的p i d 控制算法 某些计算机控制系统在控制精度要求不高，控制过程要求尽量平稳的场合， 为避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，可以人为地设置一 个不灵活区，即采用带死区的p i d 控制算法。 6 模糊自适应p i d 控制算法。m 9 3 f u z z y ( 模糊) 控制器有更快的响应，对过程参数的变化也不敏感，有较强的鲁 棒性，可以克服非线性因素的影响。但常规的模糊控制器有许多不足之处，如系 统的上升特性不理想、超调大、抗干扰能力差、稳态误差大等。因此如果采用模 糊控制与经典p i d 控制相结合的控制策略，则可以扬长避短，使系统既有p i d 控制 的精度高的特点，又具有模糊控制的灵活、适应性强的特点。利用模糊控制规则 在线对p i d 参数进行修改，便构成了模糊自整定p i d 控制器，结构如图4 - 3 所示。模 糊控制器的工作过程可描述为：首先，将控制器的输入e ，d e 模糊化；其次，模糊 逻辑决策根据模糊控制规则，应用模糊逻辑推理算法得出控制器的模糊输出量； 最后，经精确化得到的精确值即为p i d 控制器的3 个参数。模糊控制器如图2 所示模 糊控制器的工作过程可分为3 4 过程：模糊化、模糊逻辑推理和精确化。 p 图4 - 3 模糊白适应p i d 算法结构图 kd 图4 - 4模糊控制器 k p k i k d 7 神经网络p i d 控制算法7 m 。m 9 在常规p id 控制器的基础上，加入一个神经网络控制器，构成如图4 5 所示的 神经网络p i d 控制器，此时神经网络控制器实际是一个前馈控制器，它建立的是被 控对象的逆向模型。由图4 5 容易看出，神经网络控制器通过向传统控制器的输 3 7 浙江大学硕士学位论文 出进行学习，在线调整自己，目标是使反馈误差e ( t ) 或u 1 ( t ) 趋近于零，从而使自 己逐渐在控制作用中占据主导地位，以便最终取消反馈控制器的作用。但是以p id 构成的反馈控制器一直存在，一旦系统出现干扰等，反馈控制器马上可以重新起 作用。因此，采用这种前馈加反馈的智能控制方法，不仅可确保控制系统的稳定 性和鲁棒性，而且可有效地提高系统的精度和自适应能力。 y 图4 - 5 神经网络p i d 控制器 8 专家p i d 控制算法7 1 川州 具有专家系统的自适应p i d 控制器结构如图4 6 所示。它由参考模型、可调系 统和专家系统组成。从原理上看，它是一种模型参考自适应控制系统。其中，参 考模型由模型控制器和参考模型被控对象组成；可调系统由数字式p i d 控制器和实 际被控对象组成。控制器的p i d 参数可以任意加以调整，当被控对象因环境原因而 特性有所改变时，在原有控制器参数作用下，可调系统输出y ( t ) 的响应波形将偏 离理想的动态特性。这时，利用专家系统以一定的规律调整控制器的p i d 参数，使 y ( t ) 的动态特性恢复到理想状态。专家系统由知识库和推理机制两部分组成，它 首先检测参考模型和可调系统输出波形特征参数差值即广义误差e 。p i d 自整定的 目标就是调整控制器p i d 参数矢量oc 使。值逐步趋近于om ( 即e 值趋近于o ) 。该系 统由于采用闭环输出波形的模式识别方法来辨别被控对象的动态特性，不必加持 续的激励信号，因而对系统造成的干扰小。另外，采用参考模型自适应原理，使 得自整定过程可以根据参考模型输出波形特征值的差值来调整p i d 参数，这个过程 物理概念清楚，并且避免了被控对象动态特性计算错误而带来的偏差。 图4 - 6 专家p i d 控制器 3 8 浙大学确学位论i 4 3 控制软件设计 本计算机控制系统软件包括上位机p c 和下位机p l c 程序等二部分，其中上位 机p c 软什包括主监控软件、o p c 服务器软件、波形发生器驱动接u 软件、波形编 辑软件和板骨驱动和配置软件等五大部分组成。下位机p l c 软件包括主程序和p i 参数初始化、数据采集处理、充液排气加热、系统自动加压、停机处理、报警处 理、油缸卸压阀控制和中断程序等7 个子程序组成。 4 3 1 上位机使用控制软件 43 1 1 主监控较件 采用l a b vr e w85 开发平台开发的“压力空变监控系统”是五个软件中的核心 软件，其他四个软件均是为其工作服务，l a b v le w 85 开发平台其有以下特点； 1 、l a b v ie v 8 5 开发平台具有并彳亍盐理特性 l t a bv ie w 85 开发平台能够将用户事件响应功能、数据记录功能、系统状卷监 控功能，数据采集处理功能等划分到不同的w h i le 循环中进行并行处理，并通过 全局变量等在相互之间实现数据传递和沟通。l a b v le w 85 开发平台的用户事件响 应功能模块的程序设汁如图4 7 所示。 曰贮蕊甄盟 二二二二二j 堙 田一 目47 用户事件响应功能模块 习- 晖 新 学硕学位论文 图48 所示 5 开发平台具有强大的数据记录功能，数据记录功能的程序设计如 l 匡圄d l 臣亘圈 目4 - 8 数据e 自功 f 焉 l a b v l e _ 85 开麓甲台具有良好的系统状态监控功能，系统状态监控的程序设计 如图4 9 所示 图49 系统状春挖 l a bv ie w 85 开发平台具有岛好的系统状态监控功能具有完善的数据采集和处 理功能，数据采集和处理模块的程序设计如图410 所示。 豳；囱 时。；：等等 卧萨瓣 圈4l0 数据采集和址a 横块 4 0 浙大学硕学位论文 2 、l a b v ie w 8 5 开发平台具有器丈的羲据采集功能 在本计算机控制系统中，由上位机p c 、高速数据采集卡n i6 2 2 0 和压力变送 器组成独立的数据采集系统，采用n i 公司的6 22 0 扳卡，可在l a b 删i直接配置 和调用有关板卡的信息，直接用l a b v ie - 中的d qa ss is t a l l tv i 就可以方便的得 到