（机械工程专业论文）油源恒温模糊控制系统及其实现.pdf

摘要 本文是来源于某研究所的“冷却风扇液压泵马达传动试验台”项目，该试验台 用于进行冷却风扇、液压泵、液压马达系统的试验及液压部件试验。本文主要讨 论的是该试验台液压系统的油温控制问题。根据试验要求，本试验台在工作中， 必须将液压油的工作温度维持在一定范围内，特别是在进行系统热平衡试验项目 时，要求油箱温度的控制精确为士1 以内。由于液压油的最高温度为1 3 0 ，而 且油路系统各部分对温度的影响情况复杂，所以温度控制成了这个项目的瓶颈问 题。 首先，在对液压系统温控方案和温控装置作了整体设计的基础上，提出用d s p 作为数据采集系统的核心处理器，温度控制方法采用多级模糊控制器串联的方式， 一级级减小温度跳动量，以保证最后的精度要求。 在硬件设计上，设计了个基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的多通道高速 数据采集系统，用来对液压系统中指定各个点的温度实现采集，并可将数据通过 r s 4 8 5 网络传给工控机。该采集系统包括下列模块：电源模块、复位电路、晶体 振荡器电路、外部总线扩展接口、j t a g 接口、外部e e p r o m 接口、模拟信号采 集模块、异步串行接口模块、d a 输出模块等。文中对系统的各个模块的设计进 行了详细论述，并给出了原理图。 在控制方法上，本文作了三个方面的尝试，分别详细地论述了常规模糊控制 器、参数自整定模糊p i d 控制器、带有自调整因子的模糊控制器的设计过程。 最后，以m a t l a b 为仿真平台，对传统p i d 控制器和模糊p i d 控制器的控 制性能进行比较，仿真结果表明，模糊p 1 d 控制器的鲁棒性强，响应速度更快。所 以本系统最终决定采用模糊p i d 控制。另外还通过改变自调整因子的值，比较分 析模糊控制器的自调整因子对控制性能的影响。 仿真结果表明，将模糊控制方法用于本油温控制系统可以达到预期的效果， 它将人们处理问题的经验方法和传统p i d 控制方法相结合，能够满足工业生产需 要，具有较强的可行性和实用性。 关键词：恒温控制；模糊控制；d s p ；多通道数据采集 i i 兰堡堡堡篓塑耋型至篓垒! ! 兰竺 一 ! ! = = ! = = = = = = = = = ! = = = = = = = ! = ! = = = 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e s i r e dt ob ea c c u r a t e l yc o n t r 0 1 l e dt ob ew i t h i n 士l w h e nd o i n gh e a te x p e r i m e n t s a st h em a x i m u mo i lt e m p e r a t u r ei sl3 0 ，a n di ti s c o m p l e xt oe s “m a t et h ei n n u e n c eo fe a c h t h eo i lt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gh a sb e c o m e h y d r a u l i cp a n so nt h eo i lt e m p e r a t u r e ，s o ab o t t l e n e c kp r o b l e mi nt h i sp r o j e c t f i r s t l y ， b a s e do nt h ei n t e g r a ld e s i g n 0 rt h e h y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m s t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gm e t h o d sa n di t se q u i p m e n t s ，t h i sp a p e rc h o o s e sd s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) a st h ec o r ef b rs i g n a lc o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e m a st oe n s u r e t h ef i n a la c c u r a c y ，m u l t if u z z yc o n n o l l e r sa r ep l a c e di ns e r i e s ，s ot h et e m p e r a t u r e n u c t u a t i o ni sr e d u c e dg r a d u a l l y a st ot h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，am u l t l 一c h a n n e ls y n c h r o n o u s d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c hi su s e dt oc o l l e c tt h e t e n l p e r a t u r es i g n a l so ft h eh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mi nd i f = 暗r e n tp l a c e s t h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi n c l u d e sm a n ym o d u l e ss u c ha sp o w e rs u p p l ym o d u l e ，r e p o s i t i o n m o d u l e ，e x t e r n a le e p r o mm o d u l e ，c r y s t a lo s c i l l a t o rm o d u l e ，e x t e r n a ld a t ab u s e x p e n d i n gi n t e r f a c e ，j t a gi n t e r f a c e ，a n a l o gs i g n a l sa c q u i s i t i o nm o d u l e ， a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，d ao u t p u tm o d u l e ，e t c t h ed e s i g n m e t h o da n dc o n c r e t ec i r c u i td i a g r a m sf o ra 1 1o ft h e s em o d u l e sa r ep r o b e di nd e t a i l a st ot h ec o n t r o l l i n gm e t h o d ，t h i sp a p e rm a d ea na t t e m p tt oc o m p a r et h r e ek i n d s o ff u z z yc o n t r o l l i n gm e t h o dt ob ea p p l i e di nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gs y s t e m ， i n c l u d i n gg e n e r a lf u z z yc o n t r o l l e f ，a u t o t u n i n gp a r a m e t e rf u z z yp i dc o n t r 0 1 l e r a n ds e l f - a d j u s t i n gp a r a m e t e rf u z z yc o n t r o l l e r f i n a l l y ，t h ec o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e ra n df u z z yp i d c o n t r o l l e ra r e c o m p a r e dt h r o u g ht h ew a yo f s i m u l a t i o nb yu s i n gm a t l a b t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z yp i dc o n t r o l l e rh a sb e t t e rr o b u s tp e r f o r m a n c e ， f a s t e rr e s p o n s es p e e d ，s o ，f u z z yp i dc o n t r o l l e ri sc h o o s e df i n a l l y w h a t sm o r e ，t h e i n f l u e n c eo ft h es e l l a d j u s t i n gp a r a m e t e rf b rt h ec o n t r 0 1 l i n gs y s t e mi sa n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti ti s p o s s i b l e t oa c h i e v et h ea n t i c i p a t i v e i i i 颁l 学位论文 c o n t r o l l i n gp e r f o r m a n c eb ya p p l y i n gt h ef u z z yc o n t r o l l i n gm e t h o di nt h i ss y s t e m i t c o m b i n e st h ep i dc 。n t r o l l i n gm e t h o da n dp e o p i e se x p e r i e n c et o g e t h e r ；i tc a nm e e t t h ed e m a n d so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n s oi ti sf e a s i b l ea n dp r a c t i c a l k e y w o r d s ： i n v a r i a b l e t e m p e r a t u r ec o n t r o u i n g ；f u z z yc o n t r o i i i n g ；d s p ； m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o n v 硕上学位论文 插图索引 图2 2 油源温控系统整体组成示意图 图2 3吸油管路油温调节液压原理图 图2 4回油管路及油箱油温调节液压原理图 图2 5多级模糊温度控制器串联 图2 6冷却器热平衡计算 图2 7 加热装置的组成 图3 1d s p 应用系统框图 图3 2d s p 系统设计过程示意图 图3 3m a x l 2 5 引脚封装图 图3 4电源模块 图3 5 复位电路 图3 6 无源晶体振荡电路 图3 7 有源晶体振荡电路 图3 - 8p l l 外部滤波电路 图3 9t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 外部总线扩展接口电路图： 图3 1oj t a g 电路连接 图3 1 1t m s l f 2 4 0 7 a 存储器扩展电路图 图3 1 2m p ，丽引脚连接电路图 图3 1 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 外部存储器扩展逻辑译码图 图3 1 4m a x l 2 5 外部接线示意图 图3 1 5t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 与m a x 2 3 2 接口电路 图3 1 6t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 外围扩展4 8 5 接口电路一 图3 1 7 模拟量输出模块框图 图3 18t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 与d a 输出接口电路 图3 1 9p t l 0 0 电桥电路 图4 1温度模糊控制系统结构及原理框图一 图4 2 一维、二维、三维模糊控制器示意图 图4 3 温差e 的隶属度函数 图4 4 温差变化率e c 的隶属度函数 图4 5控制电压u 的隶属度函数 图4 6 加热器部分典型响应曲线 图4 7 规则观测器g u i x ，1 0 1 l ，1 1 1 6 1 7 1 9 一2 0 2 1 2 3 2 6 2 7 2 7 2 8 2 8 2 9 2 9 3 0 ，3 l 3 l 3 2 3 3 3 4 3 4 3 5 3 7 ，3 9 4 5 4 6 4 7 4 7 一4 8 4 9 油源恒温模糊挡制系统及其实现 图4 8 从规则观测器中看输出随输入的变化 图49 规则庠的三维曲面观测图 图4 1 0 冷却器部分典型响应曲线 图4 11 用重心法解模糊( 一) 图4 ，1 2 用重心法解模糊( 二) 图4 13用重心法解模糊f 三) 图4 1 4 用重心法解模糊( 四) 图4 1 5e = 2 ，e c = 1 时的模糊推理过程一 图4 1 6 温度模糊控制程序流程图 图4 1 7 参数自整定模糊p i d 温控系统组成示意图 图4 1 8自适应模糊控制器 图5 1 系统仿真程序框图 图5 2传统p i d 与模糊p i d 控制性能比较( 一) 图5 3传统p i d 与模糊p i d 控制性能比较( 二) 图5 4 温升不同时传统p i d 控制性能曲线 图5 5有外界干扰时传统p i d 控制和模糊p i d 控制的性能比较 图5 6 温差量化因子k 。对系统控制性能的影响一 图5 7 温差变化率量化因子k 一对系统控制性能的影响 图5 _ 8 比例因子k 对系统控制性能的影响 图5 9口取不同值时的响应曲线 x 5 0 ，5 0 5 l 5 l 5 2 5 2 5 2 5 3 5 4 5 6 5 8 6 0 6 5 6 6 6 7 6 7 6 8 6 8 6 9 7 0 钡十学位论文 附表索弓 表2 1 一拖三工况时冷却面积计算 表3 1m a x l 2 5 引脚功能表 表3 ，2m a x l 2 5 工作模式 表3 3 具有阻尼系数为2 o 的滤波元件推荐参数 表3 4a d 6 6 7 真值表 表4 1 控制量u 的模糊控制规则表 表4 2 控制电压u 的模糊控制查询表 表4 3 “温度影响因子”k ，的赋值表 表4 4 修正后的温度影响因子k ，赋值表 x 18 2 4 2 4 2 8 3 5 4 9 5 2 5 7 5 7 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：钥暖兰日期：御年上月伸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密耐。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：钥爱兰 导师签名：鲤历莎易 日期：j j t ；年f 月，日 日期：删年歹月日 1 1 课题来源 第1 章绪论 随着液压技术的迅速发展及应用领域的日益广泛，对液压元件、组件和系统 的品种及性能的要求愈来愈高，相应地对液压测试技术提出了更高的要求。因此， 为确定和考核液压系统及其组成元件的完整的性能参数、品质指标等进行的测试 工作也就需要满足更高的要求。 液压元件测试台在对液压元件的各种性能参数、品质指标进行测试过程中， 液压油的粘度将直接影响液压元件的工作性能，进而影响试验测试精度、数据准 确度和可比性。为确保试验结果准确可靠，在国际标准及国家机械工业委员会液 压行业局批准的企业标准中规定了液压元件试验温度等级( 按测量等级分，油温 变化范围分别是a 级对应士1 ，b 级对应士2 ，c 级对应士4 ) ，以间接将油液粘 度的变化控制在一个较小的范围内。为了适应标准，达到液压元件的高精度测试， 必须对液压油温进行控制，可以说油温控制是建立液压元件试验台必不可少的环 节。 本课题来源于某研究所的“冷却风扇液压泵马达传动试验台”项目，该试验台 用于进行冷却风扇、液压泵、液压马达系统的试验及液压部件试验。本文主要讨 论的是该液压系统的油温控制问题。 将液压油的工作温度维持在一定范围内对液压系统尤其是液压元件实验台非 常重要，因为油温的变化会引起油的粘性变化，从而使元件泄漏量也发生变化， 这就导致元件的容积效率发生变化。此外，油温不同也可能引起摩擦力的变化， 从而使机械效率发生变化1 2 j 。 另外，由于本试验台有对系统的热平衡进行运算的试验项目，所以对于这么 一个大型的系统来说，其源头一油箱的温度要精确控制，否则会给热平衡计算带 来很大的误差。 液压系统及其元件通常工作在常温状态，但是为了满足某些特定条件和特定 场合的需要，也往往要求它们适应一定的高温工作环境的要求。在本文中讨论的 油源系统的主要技术要求如下： ( 1 ) 油源的温度应能在常温至1 3 0 之间随意调节 ( 2 ) 油源系统带温控装置，出口温度波动要求控制在士1 以内。 ( 3 ) 油源系统要求在油箱提供试验的油温在5 13 0 的条件下，能够长时间稳定 工作，每次连续稳定工作应不低于8 小时。 从上面的技术要求中可以看出，本系统的难点在于工作温度较高，通常都是 硕士学位论文 在1 0 0 以上，因而它的散热情况复杂。而且要求控制到士1 的精度是相当高的。 这是系统设计过程中在硬件和软件方面都需要综合考虑的因素。 论文将针对高温液压试验台的液压系统设计、测控系统设计以及温度控制策 略展开研究。高温试验条件的获得以及保持系统在高温环境下的性能稳定和测控 自动化是本试验台的重点和难点，具有较强的实际意义和一定的难度，也是本试 验台要解决的关键问题，本文将针对这些问题进行重点研究。 1 2 本论文研究的主要内容 本文所作的工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 对液压系统温控部分作了整体设计。包括温控方案的整体设计、油源部分 液压方案的设计、温控算法的选择、冷却装置的设计、加热装置的设计等。 【2 ) 对温度测控系统的硬件电路进行了设计。由于d s p 具有运算速度快，处 理数据能力强等优点，所以采用了d s p 作为核心处理器，该电路用来对液压系统 中指定各个点的温度实现采集，并可以通过r s 4 8 5 将数据传给计算机网络。同时， 通过d a 转换模块将控制量输出。该测控系统以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心处理器， 文中对该系统的电源模块、复位电路、外部存储器扩展模块、晶体振荡器电路、 外部总线扩展接口、j t a g 接口、外部e e p r o m 接口、模拟信号采集模块、异步 串行接口模块、模拟量输出模块等做了详细介绍，并给出了原理图。 ( 3 ) 设计一个温度控制器。用来实现油箱的温度应能在常温至1 3 0 之间随意 调节、精度为士1 的要求。由于本系统存在参数时变、非线性、模型复杂等特点， 用传统的p i d 控制难以处理。而模糊控制无需建立被控对象的精确数学模型，对 被控对象的非线性、时变性和滞后具有更强的适应性能，所以将模糊控制用于本 系统。本文作了三个方面尝试，分别详细论述了常规模糊控制器、参数自整定模 糊p i d 控制器、带有自调整因子的模糊控制器的结构设计过程。 ( 4 ) 对所设计的模糊油源恒温控制系统用m a t l a b 进行了模拟仿真。在获得良 好的控制调整参数后，保持这些参数不变，改变系统的迟延参数、要求的温升、 添加干扰等，对传统p i d 控制器和模糊p i d 控制器的控制性能进行比较；接着， 分析比较量化因子和比例因子对模糊控制系统性能的影响；最后，通过改变自调 整因子的值，比较分析模糊控制器的自调整因子对控制性能的影响。 1 3 液压系统发热原因及影响 液压系统是以液压油为工作介质来实现能量转换的。液压油性能的稳定与否， 对液压系统的工作有着重要的影响。而液压油本身的性能特别是油液的粘度对温 度的变化极为敏感，温度升高，油液的粘度即显著下降。对一个液压系统来说， 油源恒温模糊控制系统及其实现 油液的温度随工作时间的延长，油液不可避免地产生压力损失、容积损失和机械 损失等，而这些损失都基本上转化为热能：特别是大功率闭式回路的工程机械进 行长时间工作时，由于油液在系统内封闭循环，得不到良好的冷却，油液温升更 为明显。因此，科学地进行系统设计，以使油液迅速达到热平衡，这对液压系统 保持良好的工作特性具有不可低估的作用。但是，由于设备使用一段时间后，系 统中的各个零部件磨损而使泄漏量增大，从而使容积损失转化为热能。同时，风 冷系统中的冷却器的翅片因粉尘影响而降低散热功率，过滤器堵塞而使回油不顺 畅，造成回油管道的背压增高，再加上部分零部件预定功能的失效等，都可能导 致油液温度打破原有的热平衡而上升。 当油液温度过高时，会产生以下几种现象： ( 1 ) 导致油液粘度下降，系统泄漏量增加，从而使系统容积效率降低，同时， 油液粘度下降还会使运动副的油膜被破坏，造成摩擦阻力增加，导致运动件工作 速度不稳定，甚至系统不能正常工作，引起系统发热。 ( 2 ) 橡胶密封件变形，加速老化失效进程，造成系统的泄漏，而泄漏的产生又 将使油液的温度进一步升高。 ( 3 1 使液压元件中热膨胀系数不同的运动副间隙变小，或发生卡阻现象，引起 动作失灵。 ( 4 ) 加速油液氧化变质，使油液的使用寿命缩短。同时，油温过高还将导致油 液的空气分离气压降低，从而产生气穴现象，造成流量和压力脉动，引起局部液 压冲击和气蚀现象，影响液压元件的工作性能，从而使其寿命大大缩短。 ( 5 ) 引起机器机构热变形，破坏其应有的精度。 ( 6 ) 油温过高将导致石油基油液形成胶状物质，并在物体局部过热的表面上形 成沉淀物，它会堵塞元件小孔和缝隙，使之不能正常工作，而水油乳化液过热则 会分解，失去工作能力。 造成液压系统发热的原因比较复杂，涉及面广，其主要原因有液压系统功率 损失大、液压系统设计不当等。另外，液压系统中相对运动元件的机械摩擦所产 生的热量，大部分被液压油带回油箱，是油温升高的另一个原因。由于从液压系 统设计上无法完全消除系统发热再加上受地域、季节变化的影响，所以要较好地 控制液压系统油温，必须同时从以下几个方面着手解决。 ( 1 ) 优化液压系统设计。在选择回路及在组成系统的整个设计过程中，应力求 减少系统压力和体积损失，要注意选用高效率的液压元、辅件，尤其在选择过滤 器时，流量和过滤精度选择不当会造成系统压差太大产生热量使整个系统发热； 正确选用液压油，合理选择油管内径，尽量减少油管长度和弯曲处数目；采用效 率高的压力、流量和功率适应回路等。例如，在调速回路设计中，应避免将节流 阀设置在液压缸的进油端，形成进油节流调速，这样会使系统能量在节流中转换 硕士学位论义 成热量，油温升高，一般在不强调特定要求的情况下，选变量泵定量马达、定量 泵变量马达或变量泵变量马达等容积式调速回路中与工况相适配的一种，因为容 式调速回路的一个显著特点是温升低、效率高。另外，在液压回路传统设计中， 常常设置背压阀，防止设备下长坡时发生超速溜坡，损坏液压马达，但背压势必 引起压力和能量损失，设计中解决这一问题可行方法是在液压马达上加装具有背 压功能的控制阀，这样可以减少压力损失，进而提高了系统效率。 ( 2 ) 对于采用定量泵的液压系统，加一蓄能器可以有效地控制油温。因为当液 压缸有较长时间不工作时，液压能变成热能被白白损失，加一蓄能器可以作为液 压泵停止供油时的备用( 或辅助) 动力源，也可以用于制动系统的保压，并补充系 统的泄漏，见图1 1 所示。 图1 1 蓄能器节能系统 ( 3 ) 采用强制冷却方式。目前常见的强制冷却方式主要有风冷、水冷和加装油 冷却机。风冷方式比较简单，将热油引入冷却器( 或称热交换器) 紫铜管圆路内， 经过高导热性铜管和高效铝翅片将油液中的热量传递到换热器表面，被风机产生 的循环空气带走，使油液温度降低。水冷方式是在液压系统回油管路上加水冷却 器，按散热效果分，目前主要有多管式、翅片管式、滚牙管式冷却器等几种，如 果配以温度调节器，通过调节冷却水的流量可以实现油箱油温的自动控制。现在 在数控机床等对液压系统油温有严格要求的机械设备上均加装油冷却机，油冷却 机主要有油泵蒸发器、压缩机、冷凝器、风扇电机等组成。根据温度控制方式， 有温度固定型和室温同调型两种。这种冷却方式比较可靠，对油温可实现自动控 制【3 1 。 1 4 液压测控技术发展现状 传统的液压测控系统主要采用自动检测仪表为测控手段，自动控制系统的结 4 油源恒温模糊控制系统及其实现 构大多是单输入单输出系统，被控的参数主要是温度、压力、流量和液位四种工 艺参数，控制的目的主要是保持这些工艺参数的稳定，确保生产的安全。 随着工业生产的不断发展，计算机越来越多的应用于测控系统中，各种比较 常用的控制方式有：前馈一反馈控制、s m i t h 预估控制、p i d 控制、最优控制、 自适应控制、智能控制等。 对于不太复杂的液压系统，p l c ( 可编程控制器) 得到了广泛的应用，p l c 也 可以视为一个功能较简单的计算机。液压系统工作环境往往较为恶劣，现场干扰 大，其控制很多是基于逻辑控制，p l c 能适应恶劣的环境、可靠性高、抗干扰能 力强，同时具有强大的继电器逻辑控制功能，此外，p l c 编程方便且易于扩展和 外部通信。因此，p l c 在液压领域得到越来越多的应用，国内很多科研机构和高 等院校积极参与了相关的研究，在各类学术期刊上有很多这类文章，主要涉及p l c 对液压缸、换向阀等液压元件的控制，典型液压回路的p l c 控制，p l c 对现场设 备的控制，对现场状态的采集，p l c 和p l c 之间，p l c 和工控机之间的通信。 在液压测试技术中计算机的作用越来越突出，计算机测控系统一般由计算机 系统、i 0 通道和测控对象三大部分组成。计算机系统是测控系统的核心：i 0 通 道是计算机系统与测控对象的接口；测控对象通常是反映设备或过程的工况的参 数和状态，它包括将参数和状态转换为电信号的传感器以及对参数、状态实施控 制的执行机构。 通常计算机系统和i o 通道两者统称为测控计算机系统，随着测控规模和功 能的不同，测控计算机系统在体系结构上也有所不同。对于一般规模不大、要求 不高的数据采集处理系统和直接数字控制系统来说，采用单处理机构即可满足要 求；对于控制对象集中，相互耦合紧密，但控制规律复杂，数字运算任务重，且 实时性要求高的测控系统来说，可以采用多处理器结构；对于控制对象较多且在 地理上功能上比较分散，相互问独立性强，且又要进行统一协调管理和集中监控 操作的测控系统来说，可采用分布式或集散式计算机结构。 近年来计算机在液压系统控制方面的应用愈加广泛。计算机强大的计算功能 和越来越先进的应用元件使诸多最新的控制理论和方法可以方便的应用于液压系 统，如模糊控制、神经网络控制等。而且，随着计算机硬件的发展，计算机控制 系统的多任务处理性能将大大提高。计算机可以方便的组成网络，实现液压控制 系统与其他系统的信息交流。计算机还可以作为中央计算机负责统一调度指挥复 杂液压控制系统的各个子系统【4 】。 1 5 国内外温度控制系统的发展概况 目前，对于控制系统大都采用以微处理器为核心的计算机控制技术，既能提 高设备的自动化程度，又能改善控制器的控制精度。但是，目前还有许多电阻炉 的控制器完全由模拟p i d 控制电路组成，所以，对这些恒温控制系统进行技术改 造具有重要的意义。由于模拟p i d 控制器的控制精度较低，采用模拟p i d 控制器的 控制系统己经不能满足生产高质量的要求。对恒温控制器必须进行技术改造，以 提高控制精度、改善设备的综合性能，提高产品的成品率，增强市场的竞争力。 工业生产对象大多在不同程度上存在着纯滞后。在工业过程闭环控制系统中， 若在控制对象调节通道、测量元件及执行机构等环节存在纯滞后时，闭环特征方 程中就存在纯滞后，而且存在纯滞后的环节较多时，系统滞后时间随之增加。由 于纯滞后的存在使得被调量不能及时反映控制信号的动作，控制信号的作用只有 在延迟t 以后才能反映到被调量：同时，当对象受到干扰而引起被调量改变时，控 制器产生的控制作用不能及时对干扰产生抑制作用。因此，含有纯滞后环节的闭 环控制系统必然存在较大的超调量和较长的调节时间，纯滞后对象也因此而成为 难控的对象。而且，纯滞后占整个动态过程的时间越长，难控的程度越大。一般 认为纯滞后时间t 与过程的时间常数t 之比大于o 3 则说该过程是具有大迟延的工 艺过程。当“t 增加，过程中的相位滞后增加，使上述现象更为突出，有时甚至会 因为超调严重而出现停产事故；有时则可能引起系统的不稳定，被调量超过安! 限，从而危及设备及人身安全。因此，大滞后系统的控制一直受到许多学者的； 注，成为重要的研究课题之一。 1 5 1 国内温度控制系统的发展概况 温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的g 度控制器来看，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国； 相比，仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面的总体技术水平还处于2 0 世 8 0 年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的p i d 控制器为主，只能适 应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统。而适应于较高控制 场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应 用的控制仪表也较少。 目前，我国在温度等控制仪表业与国外的差距主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 行业内企业规模小，且较为分散，造成技术力量不集中，导致研发能力不 强，制约技术发展。 ( 2 ) 商品化产品以p i d 控制器为主，智能化仪表少，这方面同国外差距较大。 目前，国内企业对复杂的及精度要求高的温度控制系统大多采用进口温度控制仪 表。 ( 3 ) 仪表控制用关键技术、相关算法及控制软件方面的研究较国外滞后。例如： 在仪表控制参数的白整定方面，国外己有较多的成熟产品，但由于国外技术保密 及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件；控制参数大多靠 油源恒温模糊控制系统及e 实现 人工经验及现场调试来确定。这些差距，是我们必须努力克服的。 随着我国经济的发展及加入w t 0 ，我国政府及企业对此都非常重视，对相关 企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技 术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度等仪表工业得到 迅速的发展。 1 5 2 国外温度控制系统的发展情况 白7 0 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技 术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发 展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得显著成果。在这方面，以 同本、美国、德国、瑞典等国的技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异 的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点 ( 1 ) 适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。 ( 2 ) 能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制。 ( 3 ) 能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制。 ( 4 ) 这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智 能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。 ( 5 ) 温控器具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对 象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能根据历史经 验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。 ( 6 ) 温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国 外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展【5 1 。 1 6 本章小结 本章在对课题来源和温控技术要求进行介绍的基础上，论述了本文所讨论的 一些主要内容，同时对液压测控技术和温度控制在国内外的发展现状进行了讨论。 第2 章冷却风扇泵一马达试验台油源系统整体概况 2 1 冷却风扇泵一马达试验台概述 随着液压系统向高压大功率发展，液压元件的上作温度不断的提高，因此研 究液压元件在高温条件下的寿命情况及其动、静态特性十分必要。应某研究所的 需要，我们设计了专门测试液压部件的高温高压液压试验台。液压油温度是最主 要的被控量之一，也是本试验台的关键技术所在a 2 1 1 实验台组成及各部分功能 冷却风扇液压泵马达传动实验台用于进行冷却风扇、液压泵、液压马达系统 的试验及液乐部件试验，它由动力驱动系统、加载系统、测控系统、风扇性能测 试系统、监视系统和辅助系统等组成，如图21 所示。 图2 1冷却风扇液压泵一马达传动实验台组成 动力驱动系统用于驱动被测试液压泵。 加载系统包括测功机、加载电控比例溢流阀给被测试液压马达加载的以及为 泉作部件测试用的电控比例溢流阀，测功电机作为发电机( 或电动机) 用于给液压 马达加载( 或作为拖动电机) 。整个系统采用直流公其母线运行方式，驱动部分和 加载部分组成电功率闭环，加载电机将产牛的电能回馈到直流母线乃至电网，实 现能量循环的目的。 风扇性能测试系统由测试风筒及测试系统组成，用来测试实验环境下的状态 风扇性能测试系统由测试风筒及测试系统组成，用来测试实验环境f 的状态 油源恒温模糊控制系统发其实现 参数( 大气压力、温度、湿度等) ，测试风扇进口压力等参数，测试风筒集流器中 的压力参数等。 测控系统用于对动力及加载装置进行远程控制、数据采集分析等。 监视系统用于试验现场的视频监视。 辅助系统包括试验支架、辅助油源、液压管路、阀块、电气线路等。 本论文中重点讨论的油源恒温控制系统是属于测控系统这一模块。 2 1 2 实验台主要参数 输出最大功率：2 0 0 k w 动力输出端转速范围：0 3 5 0 0 r m i n 加载端最高转速：6 0 0 0 r m i n 系统进口油温：常温1 3 0 系统最高工作油压：3 5 0 b a r 液压泵最大排量：1 0 0 m l r 动力源最大输入功率：2 0 0 k w 液压马达最大输出功率：9 0 k w ( 三台总和不大于2 0 0 k w ) 2 2 温控要求及分析 由1 1 节中的列出的本油源系统温控技术要求可以看出，本系统的难点在于 工作温度较高，系统的工作温度通常都是在1 0 0 以上，因而它的散热情况复杂， 而且要求温度控制精度在士1 范围内是相当高的。这是系统设计过程中在硬件和 软件方面都需要综合考虑的因素，在硬件设计时采用多级控制器串联控制，冷却 和加热相结合，粗调和细调相结合，以保证从原理上分析是可行的。在软件设计 时，也要在不断比较各种方案的基础上，综合运用多种控制策略和方法，总结专 家经验和调试经验，以求最佳的控制策略。 目前液压系统高精度温度控制大多是用伺服阀来控制冷却水流量来实现的。 由于液压系统、冷却器及油箱温度场是具有大滞后特性的复杂系统，因此可借用 已有的大时滞过程的控制方法如s m i t h 预估控制器，广义预测控制等【6 l 。本文在 前期工作的基础上【7 罐】，提出了基于d s p 与模糊控制原理的温度控制器，解决了 液压系统油温的高精度控制问题，以求油温控制精度达到士1 。 本油源系统的主要技术参数如下： 油源系统的最大流量：3 5 0 l m i n 。 油源系统的供油工作压力：s 3 5 m d a 。 这是在硬件选型中都必须考虑的因素，尤其是各种元件都要适合在高温高压 的条件下使用。 9 硕士学位论文 2 3 油源温控系统整体方案设计 结合本项目进展的具体情况，本文准备采用d s p 作为核心处理器，用来对液 压系统中指定各个点的温度实现采集，同时可通过r s 4 8 5 将数据传给计算机网络。 d s p 然后根据采集的温度信号。利用模糊控制算法算出控制量后，将控制量通过 d a 输出，进而去控制冷却装置和加热装置，以达到给定的温度要求。系统的构 成如图2 2 所示： 囝2 2 油源温控系统整体组成示煮圈 2 4 油源温控系统液压方案选择 为了保证实验过程中液压油温度稳定，油箱设加热器、冷却器、搅拌器等组 成的油箱恒温控制系统。控制系统通过调节加热器功率、冷却水流量来实现对液 压油温度的控制。根据冷却器和加热器位置安装的不同，有以下两种方案可供选 择。 2 4 1 吸油管路油温调节 如图2 3 所示，这种温度调节技术的主要特点是冷却器和加热器直接置于管 路中，确切地说是置于液压泵的吸油管路中，在吸油管路上安有温度传感器，它 与温度控制器相连，同时温度控制器又与电动调节阀和加