（机械电子工程专业论文）路基加载疲劳试验机的设计与实现.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢带和卫 签字日期：f 年占月7 多r 导师签名：弯榜( 雾 、每苌钱) 签字日期：2 口，护年多月艿日 中图分类号：t h l 3 7 u d c ：6 2 6 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 路基加载疲劳试验机的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h el o a df a t i g u e t e s t i n gm a c h i n eo f t h er o a d b e d 作者姓名：杨相正 导师姓名：李长春 学位类别：工学 学科专业：机械电子工程 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 学号：0 8 1 2 1 8 1 2 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：机电系统控制及 自动化 j l 致谢 本论文的工作是在我的导师李长春教授的悉心指导下完成的。 在硕士研究生期间，李老师不但为我提供了良好的学习环境和科研条件，而 且在学习、科研工作和生活上不断给我鼓励和启迪。李老师渊博的学识、丰富的 经验、踏实认真的科研作风、严谨的治学态度给我留下了深刻的印象，使我不但 在学术上，而且在为人处世上受益匪浅，这对我今后的工作和学习都将产生巨大 的影响，在此谨向李老师表示衷心的感谢和深深的敬意。 张金英老师、延皓老师还有刘晓东老师对于我的科研工作和论文都提出了许 多的宝贵意见，在此向他们表示衷心的感谢。特别是延老师，在论文选题方面给 我很大的帮助，项目进展过程中的很多问题的解决也是得益于延老师的教诲。 在实验室工作及撰写论文期间，孙萌师兄、杨雪松等同学对我论文中的试验 研究工作给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业， 感谢他们多年来为我付出的一切。 1=i- 研究对象， ，在不同负 首先，本课题在阅读相关文献和完成负载匹配计算的基础上对液压加载系统 进行了设计与选型。设计并实现了控制系统的硬件电路，完成了基于计算机和数 据采集卡的控制器方案。其次，结合动力机构的基本方程完成了力控制系统和位 置控制系统的数学建模，并借助m a t l a b s i m u l i n k 工具箱进行了仿真研究。为了 改善系统性能引入了前馈补偿控制策略。 最后针对正弦信号响应品质的改善问题，提出了基于w i d r o w h o f f 学习算法 的幅相控制策略，在仿真研究的基础上，借助x p c 实时控制系统进行了位置控制 系统的试验，并完成了加载疲劳试验机的调试工作。证明该算法不需要对液压系 统进行在线或离线的辨识，易于工程实现，既对运动平台有效，也对单独的液压 系统有效，在实验中取得了良好的控制效果。算法的稳定性分析表明，学习系数 应在一定范围内选取才能保证系统的稳定性。 关键词：电液伺服；路基动态响应；位置控制；w i d r o w h o f f 学习算法；x p c 分类号：t h l 3 7 a b s t r a c t a bs t r a c t t h i st h e s i ss t u d i e da ne l e c t r o n i c - h y d r a u l i cs e r v ol o a d i n gs y s t e m ，w h i c hi sb a s e d 0 1 1t h ea p p l i c a t i o no fr o a d b e dd y n a m i cr e s p o n s ea n ds t a b i l i t ya n a l y s e se x p e r i m e n ta n d i su s e dt os i m u l a t et h es t r e s se n v i r o n m e n to ft h er o a d b e dm a t e r i a l b a s e do nt h e r e s e a r c ho ft h a t ，s t u d y i n gd i f f e r e n tr o a d b e dm a t e r i a l sd i s t o r t i o na n dt h el i f es i t u a t i o n u n d e rt h ed i f f e r e n tl o a di n t e n s i t y , w i l lt h e ng i v et h ei n s t r u c t i o nc o m m e n tt ot h ef u t u r e c o n s t r u c t i o na n dt h em a i n t e n a n c e a tf i r s t ，c o n s u l t e dn u m e r o u sr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n dr e f e r e n c em a t e r i a l sa th o m ea n d a b r o a d ，h y d r a u l i cs y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e da n dr e l a t i v ec o m p o n e n t sa r e c h o s e no rm a n u f a c t u r e db a s e do nt h ec o m p l e t i o no ft h el o a d i n gm a t c h i n gc a l c u l a t i o n s o f h y d r a u l i cs y s t e m c o n t r o ls y s t e m sh a r d w a r ec i r c u i ta r ed e s i g n e da n dr e a l i z e dt h e n t h ec o n t r o ls c h e m eo fc o m p u t e ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r da r ef i n i s h e dt o o s e c o n d l y , c o m b i n i n gt h eb a s i ce q u a t i o n so ft h ei n s t i t u t i o n s ，t h eg e n e r a l m a t h e m a t i c a lm o d e lo f i l 1 2 1 国内研究生产情况2 1 2 2 国外生产研究情况4 1 3 电液伺服控制技术5 1 4 近代电液伺服控制策略6 1 5 本文的研究内容8 2 系统构成及数学建模9 2 1 液压加载系统9 2 1 1 动力机构负载匹配计算1 0 2 1 2 液压系统设计1 0 2 2 系统数学模型的建立。1 2 2 2 1 动力机构基本方程1 3 2 2 2 阀控非对称缸数学模型1 5 2 2 3 系统数学模型1 8 2 2 3 1 力控系统数学模型1 8 2 2 3 2 位置系统数学模型1 8 2 3 系统仿真。1 9 2 3 1 力控系统仿真1 9 2 3 2 位置系统仿真2 2 2 4 前馈补偿2 3 2 4 1 前馈补偿原理2 3 2 4 2 未补偿的系统特性2 4 2 4 3 补偿后的系统特性：2 5 2 5 本章小结2 7 3w i d r o w - h o f f 学习算法2 8 3 1 神经网络控制研究现状。2 8 3 2 幅相控制策略2 9 3 2 1w i d r o w h o f f 学习算法2 9 3 2 2 校正控制器3l 3 2 3 仿真实现3 2 3 3 本章小结4 0 4 控制器的设计与试验研究4 1 4 1 控制系统硬件设计4 l 4 1 1 数字控制器4 1 4 1 2 检测系统4 3 i i i 北京交通人学硕士学位论文 4 1 3 硬件电路二_ 4 5 4 1 3 1 模拟电路4 5 4 1 3 2 保护电路4 5 4 2 主从式实时控制系统设计研究4 5 4 2 1x p c 目标简介。4 5 4 2 1 1x p c 目标的信号采集和分析4 6 4 2 1 2x p c 目标的参数调节4 7 4 2 2x p c 目标用户接口4 7 4 2 3x p c 目标a p i 函数分析4 7 4 2 4 调用x p c 目标a p i 函数分析4 9 4 3x p c 目标宿主机启动盘的制作4 9 4 4 利用s i m u l i n k 外部模式实现控制5 2 4 5 控制试验研究5 5 4 6 本章小结。5 9 5 结论与展望：6 0 5 1 结论6 0 5 2 展望6 0 参考文献。6 2 附录6 5 作者简历6 6 独创性声明6 7 学位论文数据集。6 8 i v 绪论 1 绪论 基的动态响应及稳定性分析”设计配套试验 设备。该设备是一个路基加载疲劳试验机，试件是一般的路基黄土，可以模拟路 基的受载环境，为路基的动态响应及稳定性分析提供液压加载试验平台。课题中 对单自由度液压加载系统的控制策略进行理论和试验研究。 随着我国交通运输业的迅猛发展，作为交通运输载体的路基的设计施工，使 用寿命及日常养护工作越来越需要深入的研究方能产生更大的经济效益和社会效 益，以及环境效益。在这个背景下，全面了解路基材料在不同负载，不同使用阶 段的变形以及沉陷等问题就具有不可替代的指导意义。这就对相关试验设备的设 计和制造提出了新的课题【2 】。 为了达到良好的模拟效果，提高试验的研究价值，试验需要一个性能与可靠 性较高的试验设备。为了真实地模拟出车辆对路基施加的压力，要求试验装置能 够对试件施加幅值和频率可调的动态力，并且要有较高的力加载精度与位移采集 精度。由于连续试验时间较长对试验设备的可靠性要求也很高。可以说，试验设 备的性能与可靠性直接影响到路基试验的研究价值。 路基加载液压系统是疲劳试验机的一种，工业生产中各种材料、零部件、构 件以至整机或整个建筑物等都需要经过试验才能确定他们的力学性能。在了解了 这些性能以后才能使设计合理、使用可靠。试验机是一种用于研究与检测材料、 零部件、各类产品的力学性能与可靠性的测试仪器，在各类材料的产品质量检验、 生产过程质量控制、材料科学研究和教学试验中进行力学性能测试，是科研、生 产部门必备的基本设备。因此，试验机在国民经济中占有相当重要的地位，它的 发展水平在某种程度上反映了一个国家的工业水平f 3 】。 1 2 疲劳试验机研究生产现状 疲劳试验是指用一组试样、模型或全尺寸零部件在循环载荷下进行试验，以 提供材料或零部件的某种疲劳性能数据的过程。疲劳试验机就是用来测试材料疲 劳极限或疲劳寿命的试验机。大范围推广疲劳性能测试很有必要性。首先，疲劳 性能测试可保证结构件的安全性，防止疲劳破坏和安全事故的发生；其次，高精 度的疲劳试验可以在结构件设计时减小其安全系数，从而达到节约材料，减轻重 北京交通大学硕十学位论文 量的目的。 疲劳试验机【4 j 是光机电等一体化、技术密集的高科技产品，品种繁多。其主要 分类为： 1 ) 材料试验机。用于金属、非金属、构件、成品、新材料的力学物理性能如 拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离、撕裂、顶破、刺破、蠕变、松弛、冲击、疲劳 等项目的测试、分析和研究。如动静万能试验机、静态电液伺服试验机、构件疲 劳试验机、电子万能试验机、冲击试验机、示波冲击试验机、扭转试验机、弹簧 试验机等各种试验机。 2 ) 机车车辆试验设备。如转向架综合试验台、车钩缓冲器试验台等。 3 ) 汽车零部件及整车试验系统。如汽车减振器测试系统、汽车板簧动静测试 系统、汽车座椅疲劳测试系统等其他车辆零部件及整车试验系统。 4 ) 道路模拟实验设备【5 】、建筑材料疲劳试验机等。 1 2 1 国内研究生产情况 国内生产试验机的厂家如长春试验机研究所、济南试金集团有限公司、上海 华龙测试仪器厂、中英合资浙江机械设备有限公司、深圳市新三思计量技术有限 公司等，国内这些厂家生产的试验机控制系统大都是采用单片机或者台式机的单 机独立控制结构，虽然整体性能不错，但也有很大的缺点。首先，由于单片机运 算处理速度比较低，虽然可以满足静态加载的控制要求，但对于动态加载控制则 超出了其工作能力范围；其次，现有的疲劳试验机大都是独立系统，计算机与试 验机绑定在一起配套使用，无法进行多通路的协调加载【6 j ；再次，在数据处理、现 场控制和监测上也都是相互独立的系统，需要大量的人员操作，而又缺乏统一的 管理。所以，很多企业只能做静态试验机，而不能做疲劳试验机的高端产品动态 疲劳试验机，那些能够做动态疲劳试验机的企业，缺少独立的技术储备，以采用 国外的电子控制器，集成国内的机械设备的形式组织生产。比如，珠海三思试验 设备有限公司采用的是德国多力( d o l i ) e d c l 2 0 控制器吲，实现应力、应变、位置 三闭环控制；同样性质的企业还有济南时代试金仪器有限公司与国外著名的试验 机厂家日本岛津公司、美国m t s 公司、德国多利公司合作，吸收了对方的控制器 和设计思想形成自身的产品。 然而我们吸收的产品往往是这些国家9 0 年代初期的产品，虽然也称作是数字 疲劳试验机，但由于设计工况不同，往往缺少大范围的适应性，比如中铁铁路产 品认证中心2 0 0 4 年斥资通过济南试验机厂引进了美国m t s 的一套多点试验机控 制系统，由于不具备自适应的能力，造成不同的零件需要重新优化参数的问题， 2 绪论 而该中心要有1 0 0 多种类型的零部件要试验，试验效率低下 中国疲劳试验机行业从上个世纪8 0 年代以后开始进行电子化、微机化的升级， 一些科研院所和高等院校以课题的方式开始进行试验机的升级改造工作。计算机 技术的进步己经为试验过程的自动完成与数据的自动处理提供了条件，研究人员 努力将最先进、可靠的技术应用于疲劳试验机，保证试验的准确、高效f 8 】。 浙江大学方面，研究的材料试验机电液比例控制系统】1 3 】获得了良好的控制效 果。系统采用基于i s a 总线的高性能、低成本的全数字式材料试验机测控系统，进 行了负载刚度变化对系统影响的理论分析和仿真研究，提出了相应的可拓智能控 制策略的解决办法。但是，自行研制的数字式电液比例微小流量阀在系统频响、 滞环等方面存在不足【9 】。应用直接数字控制技术研制了水泥压力试验机控制系统。 系统采用了国产的最新的2 d 数字阀，这类阀具有重复精度高及无滞环的优点。但 是，步进式数字阀是通过阀芯的步进运动将输入的信号量化为相应的步数( 脉冲 数) ，因而存在着量化误差。通过增加阀的工作步数可以减少量化误差，但却使阀 的响应速度大大降低。 哈尔滨工业大学方面，姜成国、杨忠华等人2 0 0 2 年受威海市试验机制造有限 公司委托对万能试验机专用微机系统进行了研制和开发，采用嵌入式c p u ，自行 开发主机板及外围扩展硬件，实现在d o s 系统中基于c + + 开发软件操作程序【l o 】。 对数控往复式摩擦磨损试验机及其测试系统进行了研究。研究了新型弯扭联合作 用疲劳试验机，给出并论证了试件断裂后自动识别、自动停机、自动计数的方案。 但是，疲劳试验机在运行中存在冲击振动，而且此设计与采用工业控制计算机为 核心，集计算机自动控制，微机数据采集与处理，故障自动识别为一体的控制系 统相比，试验机的自动化程度还不太高。 西安交通大学方面，研究了抽油机加载系统控制方法i n ，针对电液伺服系统 的非线性、参数不确定性而导致的建模不确切、加载系统本身的复杂性和加载过 程中存在大的外负载干扰等情况，设计了模型参考模糊自适应控制方法。控制器 本身具有较好的可移植性和鲁棒性，控制精度高，动态响应比较快，响应过程比 较平稳，稳态下没有抖动。 北京航空航天大学的满庆丰对新型疲劳试验机控制系统进行了深入的研究 【l2 1 ，其参与研制的以p c 1 0 4 为下位机控制中心的疲劳试验机加载控制系统已经在 哈尔滨东安航空发动机公司技术中心试验室投入使用，先后在七个不同台架上对 国产军机上多种关键零部件进行了动态加载试验，并给出了疲劳寿命。系统采用 了智能化的p i d 控制方法，集中管理、分散控制的上下位机两级结构的控制模式。 此外，他进一步提出了以d i m m p c 为下位机核心的替代方案以及在控制算法中加 入了p i d 参数自整定的过程。 北京交通人学硕士学位论文 。 。 天津大学研制了p w s 一1 0 0 a 电液伺服动静万能试验机，开发的预拉应力横梁夹 紧结构、非金属支撑高速作动器、具有拉压对称循环动静态试验能力的液压强迫 夹头等多项技术属国内首创。为其它结构类动态试验机及大型多通道复杂电液试 验设备的开发奠定了良好基础，现已经开发出1 0 k n 1 0 0 0 k n 系列电液伺服动静力能 机和单通道和多通道协调加载试验系统【1 3 】。 长春理工大学根据辽阳凯利特传动带有限公司的要求，开发研究了同步带疲 劳寿命试验机【1 4 1 。燕山大学的胡国栋以9 0 0 h c 单机架可逆式冷带轧机为研究对象， 对模糊神经网络控制理论在该轧机板形控制中的应用进行了研究【1 5 】。西北工业大 学采用多传感器信息融合控制方案为重庆长安公司设计了扭转疲劳试验微机控制 电液伺服系统。 1 2 2 国外生产研究情况 国外电子万能试验机经过四十年的发展，先后推出了四代产品，即第一代为 电子管与晶体管模拟时代；第二代为集成电路模拟时代；第三代为数字时代；第 四代为计算机时代【l 们。 国外的试验机研究一般以企业为中心展开，目前国外生产试验机的著名企业 有美国m t s 公司、美国i n s t r o n 公司( 兼并了著名的德国申克集团( c a r ls c h e n c k a g ) 的材料试验机部和结构试验部等) 、英国的d a t a e c 公司、德国的d o l i 公司、 日本鹭宫制作所、日本岛津制作所以及瑞士w + b 等，他们的产品体现着疲劳试验 机行业的先进技术水平。上述公司长期以来占据着世界范围内的大部分动态试验 机市场。市场份额在不同的时期、不同的地区区别很大。以中国市场为例，7 5 年 至8 5 年，i n s t r o n 在中国市场上属领头羊的地位，约占市场份额的6 0 - 7 0 ；8 5 年以后，美国m t s 公司的市场份额大幅度上升，达n 7 5 ，i n s t r o n 下降为2 0 ， 日本岛津、鹭宫等公司占1 0 ；市场的变化，与这些公司在中国的营销策略有较大 关系，但重要的是这些公司的技术水平因素在起作用。 国外试验机行业知名的几大公司均已推出其代表性的数字控制疲劳试验系 统，完成了模控技术向数控技术的转化。这些公司在原有模控技术成熟经验的基 础上，充分利用了数字控制系统抗干扰能力强、性能价格比大、人工智能控制策 略易软件实现等特点，推出的控制系统实现了仪器虚拟、人工智能、组态模块以 及网络连接等功能【l8 】，为国际疲劳技术的研究与发展做出了贡献。 4 绪论 1 3 电液伺服控制技术 由于电液伺服阀的产生，出现了力的电液伺服控制系统，满足了负载模拟自 动化的要求，逐步取代了其它加载方式。电液伺服系统作为疲劳试验机的执行机 构综合了电磁和液压两方面的优点，具有控制精度高、响应速度快、信号处理方 便灵活、输出功率大、结构紧凑、重量轻等特点，所以目前国内外的高性能试验 机大多采用电液伺服控制方式【l9 1 。电液疲劳试验机是科研院所、大专院校、商检 质检、工矿企业等部门进行检测、科研、仲裁工作不可缺少的检测设备。 电液伺服控制是- i q 新兴的科学技术，它不但是液压技术中的一个新分支， 而且也是控制领域中的一个重要组成部分。电液伺服控制技术最先产生于美国的 m i t ，后因其响应快、精度高很快在工业界得到了普及。“工业液压技术在全球经 济中稳步发展，其应用没有边界”【2 0 1 。 1 9 4 0 年底，首先在飞机上出现了电液伺服系统。但在那种系统中，滑阀由伺 服电机拖动，作为电液转换器。由于伺服电机质量大，使电液转换器成为系统中 时间常数最大的环节，限制了电液伺服系统的响应速度。直到5 0 年代初出现了快 速反应的电磁力矩马达，才形成了电液伺服阀的雏形。5 0 年代末，又出现了喷嘴 挡板阀作第一级的电液伺服阀，进一步提高了电液伺服阀的快速性。从而使电液 伺服系统成为响应速度最快、控制精度最高的伺服系统。6 0 年代，各种结构的电 液伺服阀相继出现。特别是杆式力矩马达的出现，进一步提高了电液伺服阀的性 能。由于电液伺服阀和电子技术的发展，使电液伺服系统得到了迅速的发展。随 着加工能力的提高和电液伺服阀的工艺性能的改善，电液伺服阀的价格不断降低。 出现了抗污染和工作可靠的工业用廉价电液伺服阀，使电液伺服系统丌始向一般 工业中推广【2 1 1 。目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统己成为武器自动化和工 业自动化的一个重要方面，应用非常广泛。液压伺服控制已经发展成一门比较成 熟的技术，一些基本的理论和技术问题得到了较好的解决。目前对一般的使用范 围( 频率在2 0 赫兹左右) 来说液压伺服系统的设计基础已大体上完成了。今后需要 研究频率特性更好的液压伺服系统，以满足更高要求的应用场合，如特殊的材料 试验机和振动试验机等伫2 1 。要进一步提高液压伺服系统的响应速度，需要解决在 高频范围出现的一系列问题，如孔口节流的动态特性、按分布参数计算管路的非 定常流动问题、为了改善高频特性提高伺服系统供油压力所引入的高频振动问题 和高频电液伺服阀的研制等。大惯量伺服电机的出现使电气伺服系统又重新具有 了竞争能力，在机床中液压伺服渐渐被电气伺服所取代。但目前大惯量伺服电机 只能用于小功率的场合，所以在功率比较大的伺服控制中，电液伺服控制仍有着 广阔的发展前景。如果说在位置伺服控制和速度伺服控制中，电液伺服受到电气 北京交通大学硕士学位论文 伺服强有力的挑战，那么在力控系统中电液伺服控制却取得越来越大的优势。 目前电液伺服技术在应用中仍存在许多问题。如非线性系统理论不完备，对 诸如控制策略设计、稳定性分析以及非线性和智能控制理论方法在实际应用中存 在的局限性缺乏有针对性的研究等。此外，虽然电液伺服系统中的非线性因素会 对控制系统的设计产生一定的影响，但是这些非线性因素的影响在多数条件下远 不如负载干扰的影响大。在控制器的鲁棒作用下，这些影响也都可以在一定程度 上得到削弱。但由于电液伺服系统的空载特性与负载特性差别很大，因此在进行 电液伺服系统的结构设计和控制器设计时，必须考虑负载特性的影响。以往，人 们多停留在对线性弹簧质量负载的研究和分析中，而对非线性负载，却很少从整 个非线性闭环系统的角度进行分析和综合的研究。有些文献即便涉及了这方面的 研究，也大都是针对具体问题进行的，并没有为电液伺服控制这一类系统建立较为完善 和规范化的非线性设计理论和方法【2 3 1 。 1 4 近代电液伺服控制策略 作为控制领域的一个重要研究对象，电液伺服系统的设计理论的方法一直受 到控制学科的指导和启发，经历了从线性到非线性智能控制的发展历程【2 4 】。 与经典控制理论相应发展起来的控制策略是以p i d 控制为代表的。近代控制 理论和智能控制理论仍然吸取了p i d 控制的一些基本思想。p i d 控制基于系统误 差的现实因素( p ) 、过去因素( i ) 和未来因素( d ) 进行线性组合来确定控制量， 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广泛的应用。 传统的p i d 控制采用线性定常组合方案，难于协调快速性和稳定性之间的矛盾； 在具有参数变化和外干扰的情况下其鲁棒性也不够好。 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，这就是自适应控制( a c ) 问题。自适应控制( a c ) 可分为两 大类：一类以自校正控制( s t c ) 为代表，一类以模型参考自适应控制( m r a c ) 为代表。自适应控制( a c ) 的不足之处是对被控对象的数学模型( 阶此和相对阶) 仍有严格的要求，此外诸如持续激励、慢时变，严格正实和波波夫不等式等条件 也制约了自适应控制( a c ) 具有更强的鲁棒性【2 5 1 。 在实际问题中，系统的模型可能包含不确定因素，但又希望这时的控制系统 仍具有良好的系能，这就是鲁棒控制问题。今年来出现了日。设计方法，要求频率 响应函数的日。模的上确界极小。在日”模约束下，已经成功解决了多变量定常系 统的镇定补偿问题。但当系统的发生不是小振动时，日”下的优化是否能保持次优 性还不清楚【2 6 1 。 6 绪论 非连续性系统控制【2 7 】主要指b a n g b a n g 控制、变结构控制、p w m 控制、p c m 及模糊控制等。非连续系统控制实际上是通过简单的开关控制元件组成的机械执 行部分，利用计算机的思维能力软件伺服来弥补开关控制的不足，达到负载控制 并满足系统的性能要求。 1 9 7 1 年，人工智能【2 8 】的创始人傅京孙( f u k s ) 教授首先提出了智能控制概 念，即智能控制是人工智能( a i ) 和自动控制( a c ) 的交互作用的结果，多年来 有关智能控制的研究主要侧重于以下几个方面： 1 ) 专家控制； 2 ) 神经网络控制； 3 ) 模糊控制。 电液伺服控制策略的发展要求： 1 ) 应尽量满足系统的静、动态精度要求，严格地优化设计，使系统做到快速 而无超调； 2 ) 对时变、外负载干扰和交联耦合以及非线性因素引起的不定性，控制系统 应呈现较强的鲁棒性； 3 ) 控制策略应具有较强的智能； 4 ) 控制律、控制算法应力求简单可行，实时性强； 5 ) 系统应有较高的频率。 智能控制是当代科学技术中一个十分活跃和具有挑战性的领域，它融合了人 工智能、自动控制、运筹学、模糊集合论、神经生理学、人类工程学、计算机科 学、系统论、信息论等多学科知识，是一门新兴的交叉学科。智能控制是自动控 制理论发展的必然趋势1 2 9 1 ，基于精确数学模型的传统控制理论就显得力不从心了， 智能控制也就应运而生。智能控制开始成为一个新的学科的标志是1 9 8 7 年在费城 举行的第一次国际智能控制会议，许多原来从事自动控制系统或自动控制理论研 究的工作者，在进一步探索自动控制与其它领域的交叉发展的关系后，提出了自 动控制、人工智能、运筹学相结合或自动控制、人工智能、运筹学和信息论相结 合的说法。到了1 9 8 9 年在底特律举行国际人工智能联合会议时，人工智能与系统 科学相结合不但众所周知，而且已经取得了丰硕的成果。 7 北京交通人学硕士学位论文 1 5 本文的研究内容 本课题以自动控制理论和数字控制理论为基础，结合数字信号处理技术、信 号采集、a d ，d a 转换技术，对数据采集卡、高性能工业控制计算机进行开发， 构建了液压加载系统。进行了液压系统与控制系统的设计、搭建了系统硬件平台， 完成了控制器的硬件搭建和试验，使系统达到了全部的技术要求。 本课题在研究加载系统模型的基础上，进行了系统的仿真实验，完善了控制 器的抗干扰和保护功能。 结合x p c 实时控制系统进行了正弦信号响应品质改进的相关研究。建立了一 种基于w i d r o w h o f f 学习算法的液压疲劳试验机的校正控制器，并通过仿真讨论 了算法应用时应注意的一些限制因素。将此算法应用于一个实际的加载系统，取 得了良好的实验效果。 模 向的分别加载，水平方向模 能真实地模拟出车辆对路基 施加的压力，要求试验装置能够对试件施加幅值和频率可调的动态力，并且要有 较高的力加载精度与位移采集精度。 该系统主要由液压系统与计算机控制系统组成，液压加载系统采用阀控缸作 为执行机构，计算机控制系统采集当前试件所承受的压力，并与给定值比较后输 出控制信号来控制伺服阀液压系统，通过伺服阀控制液压作动器活塞杆的位置， 以调节试件承受的压力。竖直方向上的加载疲劳试验是力控制系统，加载波形为 正弦波。而水平方向上则要求位置控制为主。其中试件最大的静加载力值为2 0 k n ( 2 t ) ，动态加载时静态力值部分约为1 8 k n ，动载约为静载力值的1 0 。加载频 率为3 5 h z ；典型工况频率为2 h z 。动作行程不小于2 0 0 m m 。依据技术要求，设 计如图2 1 所示的一套液压加载系统。 | 譬零v l ： 伺一l 7 ： 。! 服 ： 图2 - i 液压加载系统原理图 f i g2 - 1h y d r a u l i cl o a d i n gs y s t e md i a g r a m 9 力 传 感 器 北京交通火学硕+ 学位论文 2 1 1 动力机构负载匹配计算 根据对系统频宽和行程的要求，确定液压作动器的有效面积为a = 0 0 0 3 0 m 2 ， 油源压力选定为1 3 m p a 。 在此基础上，根据负载要求和典型工况进行负载匹配计算。使系统的阀特性 曲线与负载轨迹曲线相匹配，确定伺服阀的空载流量应不低于 q m = 1 5 l m i n 负载匹配的图形如2 2 所示。实线代表阀特性曲线，虚线代表负载轨迹曲线，只有 实线包裹虚线，伺服阀才能够满足性能要求【3 0 1 。 ： ：卜 、 ， ，一一一t - 氐 ， 、 ， 7 、 ， l - l 弋 ， 、 飞j 一一一一 、太。 。? ： 、 2 1 2 液压系统设计 图2 - 2 负载匹配图 f i g2 - 2l o a dm a t c h i n gf i g u r e 液压系统主要由伺服阀、液压缸、泵站及液压管道组成。液压系统的设计就 是根据系统的技术要求，运用液压系统动力机构的优化设计方法对液压系统进行 设计计算，得到液压系统各组成部分的性能指标，最终确定液压系统各组成部分 的型掣，。 1 ) 变量泵参数：工作压力1 3 o m p a ，最大流量1 6 l m i n ，系统过滤精度不低 于5 。 1 0 系统构成及数学建模 2 ) 电机功率：选择l1 k w 即可满足要求。 3 ) 伺服阀：7 m p a 下的空载流量为1 6 l m i n 。可选s f l 2 2 3 ( 航天一院1 8 所 产品) ，偏导射流阀。 4 ) 液压作动器：额定工作压力是1 3 m p a ，活塞行程为2 0 0 m m ，活塞直径为 6 3 r a m ，活塞杆直径为3 2 m m 。 5 ) 油箱容积：一般为泵每分钟流量的3 7 倍，采用矩形开式油箱，容积为 1 2 0 l ，油箱的有效容积是指油面高度只占油箱高度8 0 时的油箱容量， 故可知油箱的容量为1 5 0 l ，查表【3 2 】整定选为1 5 0 l 。 6 ) 液压缸采用前端法兰连接，活塞杆伸出端采用标准螺纹连接。 7 ) 冷却设计：系统采用水冷方式，选用列管式油冷却器，可选冷却器型号 为2 l q f l ，结构形式为翅片式，螺纹方式连接，冷却面积为0 6 5m 2 ，工 作压力为1 m p a ，油压降so 1 m p a ，水压降s0 0 1 5 m p a ，工作水温 2 5 3 0 。c ，工作油温 1 0 0 。c 。 液硪瓠 液位 i 图2 - 3 液压系统原理图 f i g2 - 3h y d r a u l i cs y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a m 北京交通大学硕士学位论文 l 埘 馘一 叼 薄 。是 = 勰i2 2l 口 1 + 2 73 5 2 6 2 + “2 0 0 ) i 柏2 1 1 6 图2 _ 4 液压作动器结构图 f i g2 - 4h y d r a u l i ca c t u a t o rs t r u c t u r ef i g u r e 图2 5 液压泵站外观图 f i g2 - 5o u t s i d ev i e wd r a w i n go f h y d r a u l i cp u m p i n gs t a t i o n 根据技术要求和负载匹配的计算结果，进行液压系统设计【3 3 1 ，液压站包括恒 压变量泵、电机、控制功能元件和辅助装置等部分，其液压原理图如图2 3 所示。 液压作动器是液压加载系统的重要组成部分，结构设计如图2 4 所示。图2 5 是设 计的液压泵站的部分尺寸说明。 2 2 系统数学模型的建立 由于非对称液压缸具有占用空间小、制造简单、成本低廉等优点，因此一般 都采用非对称液压缸。用传统的对称阀控制非对称液压缸系统存在一些固有的缺 点，即当活塞杆伸出和缩回时，流经液压缸两腔的流量不相等，而伺服阀的四个 节流窗口的大小是相等的，这就使系统呈现出本质上的非线性，使得在两个方向 上运动时的流量增益是不相同的，引起动态特性的差别。采用非对称阀控制非对 称液压缸可以消除压力突跳现象，使得系统能够适应较大的负载变化范围，从根 本上避免了非对称缸带来的气蚀和超压现象，所以说用非对称阀控制非对称缸是 1 2 系统构成及数学建模 比较合适的方案。另外，国外已经出现了单出杆对称缸，也彻底消除了非对称性 对系统性能的不利影响，但是由于单出杆对称缸结构复杂，目i i 成本较高。出于 经济性的考虑【3 4 1 。 。 2 2 1 动力机构基本方程 从液压控制系统角度研究阀控非对称液压缸的数学模型，结合文献【3 5 】做如下 假设错误。来找捌引用豫。： ( 1 ) 滑阀为理想零开1 3 四通阀，四个节流窗口是匹配和对称的； ( 2 ) 节流窗口处的流动为紊流，液体压缩性的影响在阀中予以忽略； ( 3 ) 每个相应工作腔的各点压力相同，油液温度和容积弹性模数可以认为是 常数； ( 4 ) 油源供油压力恒定，且回油压力为零； ( 5 ) 所有联接管道都短而粗，管道内的摩擦损失、流体质量影响和管道动态 忽略不计。 如图2 - 6 所示为阀控非对称液压缸，基于以上假设，得出系统运动机构的三个 基本方程。 1 伺服阀流量方程： q l ： q w x , 2 ( p s - p o l p , x , , 加 【c 2 w x , 4 2 ( p t 一片) p ， 0 ，( 2 。1 ) q 2 ： - w x , , , # 2 ( p 2 - p v ) i p 卸 卜c 4 w x , , , j 2 ( p s p 2 ) i p ， 0 其中： q l 流入液压缸无杆腔的流量( m 3 s ) ； q 2 一液压缸有杆腔流出的流量( m 3 s ) ； b 一油源压力( p a ) ； p o 一回油压力( p a ) ： 彳l 液压缸无杆腔的有效作用面积( m 2 ) ： 彳2 液压缸有杆腔的有效作用面积( m 2 ) ； p l 液压缸无杆腔压力( p a ) ； p 2 液压缸有杆腔压力( p a ) ； 露一折算到活塞杆的等效干扰力( n ) ； 卜负载位移( m ) ： 1 3 北京交通大学硕十学位论文 肝一负载惯性折算到活塞处的等效质量( k g ) ； 石。一阀芯位移( m ) 。 图2 - 6 阀控非对称液压缸 f i g2 - 6s e r v ov a l v ec o n t r o l l e da s y m m e t r i cc y l i n d e r 2 液压缸连续性方程： 丘= 鲁( 一攻+ q q l i ) 息= 鲁( 一吃+ q 2 + q u 一纨) 其中：= 一呦咖液压弹性模量( n m 2 ) ； 卜液压缸腔总容积( m 3 ) ； h 无杆腔容积( m 3 ) ； 圪有杆腔容积( m 3 ) ； q ii 内泄流量( m 3 s ) ； q i 广外泄流量( m 3 s ) 。 3 力平衡方程： f = 日4 一罡4 其中： 朋! j ；+ 鼠夕+ 孟+ e ( 夕) = f f 户= 一戈( 甓+ 鲁 + z c y ，日，昱， 1 4 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 系统构成及数学建模 鬈篙霉三 陋6 ， 文管而+ 等丽j 舭。 彳l 无杆腔面积( m 2 ) ； 彳r 有杆腔面积( m 2 ) ； b 广负载的粘性阻尼系数( n s m ) ； 卜弹性系数( n m ) ； 凡。广一外干扰力( n ) ； 卜缸摩擦力( n ) 。 2 2 2 阀控非对称缸数学模型 大多数文献中推导的阀控液压缸系统的数学模型都是以对称缸为研究对象 3 6 1 ，本节在其基础上推导一种通用的传递函数模型，它将缸和阀的对称性都进行 参数化处理，因此既能用于对称缸，也能用于非对称缸；既能适合对称阀，也适 合非对称阀。 设w l 、w 2 、w 3 、w 4 分别为伺服阀1 、2 、3 、4 节流窗口的面积梯度，且w l = w 4 ， w 2 = w 3 ，设w 2 w l - m ( o 梃1 ) 。液压缸两腔的有效面积比为a 2 a i = n ( o n 0 时，活塞杆伸出，则阀口1 和阀口3 的节流方程分别为 厅一 q i 2 c d w i x v 、盖假邶) q 。7 厅一 盱c d 咐v 1 盖b q 剐 式中c d 阀的流量系数； p 油液密度( k g m 3 ) 。 定义负载压降 吃= 足一喝= 孚 ( 2 - 9 ) 1 5 北京交通人学硕士学位论文 当液压缸活塞杆匀速运动时 q l = a 1 1 ， q 2 = 么2 ， 式中1 ，活塞杆运动速度( m s ) 。 所以 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 3 4 ) 、( 3 5 ) 可得 结合式( 2 3 ) 得 堕：a 2 _ _ y _ v ：刀：兰 94 1 ，去一，去吖一只一刀r 吖只一异 只= 吾b + 异 最= 等孚，z 。+ 垅 代入式( 2 1 ) 得 q l 增益为 k 口i k c l = 咖，2 m 享2 高 = 警嘲2m 2 面 = 鲁嘲焉压 缩回，则阀口2 和阀口4 的节流方程为 q i = qw l 石， 1 6 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) 警监矿 = a 系统构成及数学