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1、辽宁工程技术大学工程硕士学位论文l 绪论1 1 电液伺服控制概述1 1 1 电液伺服控制的发展液压伺服系统是控制领域中的一个重要组成部分，它是在液压传动和自动控制技术基础上发展起来的一门较新的科学技术，己广泛应用于国民经济的各个领域，电液伺服阀是一个电、液转换的关键元件，它利用小功率的电信号控制大功率的液压动力，将电子技术和液压技术的特点结合在一起，使液压伺服系统的应用更为广泛。电液伺服系统具有反应快、重量轻、尺寸小、抗负载刚性大等优点，能够自动地、准确而快速地复现输入量的变化规律。随着电液伺服技术的发展，特别是电液伺服控制元部件的批量及规格化生产，使电液伺服阀的加工成本降低：另外逐渐完善和普
2、及的计算机控制技术也为电子技术和液压技术的结合奠定了基础，大大提高了液压控制系统的功能与完成复杂控制的能力，目前电液伺服系统已在自动化领域中占有重要的位置，凡是需要大功率、快速、精确反应的控制系统，都已经采用了电液伺服控制，机、电、液一体化技术己逐渐扩展到各个工业领域。1 1 2 电液伺服控制策略随着计算机技术的发展，越来越多的近代控制策略应用于电液伺服控制系统，常用的控制策略有：P I D 控制、自适应控制( A C ) 、鲁棒控制、变结构控制( v S c ) 、智能控制( A I C ) 、神经网络控制( N N C ) 和模糊控制C ) 等。1 L 2 1P I D 控制P I D 控
3、制是经典控制理论中控制策略的代表，其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，传统的P I D 控制难于协调快速性和稳定性之间的的矛盾，在具有参数变化和外干扰的情况下其鲁棒性也不够好。可以吸取自适应控制和鲁棒控制的基本思想并利用计算机技术优势，对传统的P I D 控制进行改造，使其适应新的要求。1 1 2 2 自适应控制自适应控制一边估计未知参数，一边修正控制作用。自适应控制可分为自校正白适应控制( S T C ) 和参考自适应控制( M R A C ) 两大类，S T C 由于在线辨识辽宁工程技术大学工
4、程硕士学位论文2系统参数需要实时计算，时间长，一般用于控制慢时变的对象。M R A C 对控制系统的性能的要求用一个参考模型来体现，模型的输出就是理想的响应，系统在运行中比较参考模型和被控对象的输出或状态，设二者的误差信号为e ，自适应控制器根据误差信号e 调整控制器的某些从参数或产生一个辅助输入，使e 尽快地趋近于零，从而控制对象的输出就是参考模型输出当被控对象的参数发生变动时，M R A C 系统仍然确保被控对象的输出为参考模型的输出。1 1 2 3 模糊控制( 蟹D模糊控制和精确控制一样，是一种闭环控制系统，其不同之处只是前者在控制器中采用模糊量和模糊推理，模糊量与精确量之间的转换以及模
5、糊推理的规则，则是用专家的经验予以确定模糊控制适用于被控参量无精确的表示方法或被控对象各种参数之间无精确的相互关系的情况，控制性能比精确控制性能好而电液伺服系统正属于此类情况，如影响系统动态品质的液压固有频率、阻尼比磊以及流量增益K 等，它们的准确值与一些软参量有关，难以精确计算。1 1 2 4 神经网络控制( A N N )神经网络控制模仿人类的感觉器官和脑细胞的工作原理，由一些简单的带有门限逻辑单元按并行结构经过可调连接权连接而成，可以同时接受大量信息，并进行处理，结果也是平行输出的一批信息。在系统中硬件模仿神经细胞的网络，软件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”
6、，输出信号按“阐值”大小确定。神经网络控制虽然可以快速地处理复杂的事物，但要求在处理某一事物之前对系统进行教学，以便使系统通过“学习”求出“权值”和“阈值”1 1 3 电液伺服控制的要求1 ) 应尽量满足系统的稳态、动态精度要求，使系统做到快速而无超调。2 ) 对时变、外负载干扰以及非线性因素引起的不定性，控制系统应有较强的鲁棒性3 ) 控制策略应具有较强的智能性。4 ) 控制规律、控制算法应力求简单可行，实时性强。5 ) 系统应有较高的效率。1 2 课题的研究内容及章义辽宁工程技术大学工程硕士学位论文三1 2 1 课题的研究内容目前，自动校直切断机的电液控制系统( 开环) 存在以下问题：1
7、) 跟切缸的运动是用延时来控制的，在延时一定时间之后，跟切速度是否已跟上主机输送螺纹钢的速度，并不能精确知道，由此而产生的结果是：当跟切速度小于螺纹钢的速度时，切断刀在切断过程中会挡住螺纹钢的运动，如果螺纹钢较细，会使螺纹钢变弯：2 ) 跟切速度不能精确控制，当跟切速度发生变化时，切断动作仍按照原有固定的动作时序工作，螺纹钢的切断误差较大。针对上述问题，为了减小螺纹钢的切断误差，本课题主要解决跟切缸跟踪螺纹钢的输送速度。本课题的主要工作内容包括；1 ) 改进原有的液压系统，把跟切缸部分的液压系统从整个系统中分离出来，并把普通的电磁换向阀改成电液伺服阀，设计电液伺服系统：2 ) 对电液伺服系统进
8、行理论分析、建模；3 ) 用常规的P I D 控制策略控制电液速度伺服系统；4 ) 采用模糊控制( F c ) 策略，设计控制系统；5 ) 用计算机仿真验证各种控制策略的正确性，进行误差分析，比较各种控制策略的效果。1 2 2 课题的研究工具M A T L A B 是一种数学软件，具有卓越的数值计算的能力。其既具有结构化的控制语句，又有面向对象编程的特性，语言简洁紧凑，使用方便灵活。M A T L A B的库函数极其丰富，拥有功能强大的工具箱，使用者可从繁琐的计算机程序编码中解放出来，将精力更有效地放在解决专业技术的问题上，使得研究效率大大提高。姒T L A B 提供了S I I I U L
9、I 涨的软件包，用于系统可视化的动态仿真。S t I U L I N K支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时问系统以及连续和离散混合系统，为用户提供了大量的功能模块。用户可在其基础上利用S F U N c T l 0 N 函数编制符合特定要求的功能模块。S I J d U L I N X 的用户界面非常友好，模型由模块组成的框图来表示，用户可采用系统模块直观地描述系统的典型环节，十分方便地建立系统的模型。模型建立好之后，可以直接对它进行仿真，通过选择合适的输入源模块做输入信号，选择适当的接收模块如示波器来观察系统的响应。仿真时可方便辽宁工程技术大学工程硕士学位论文!地修改仿真参数，如仿真
10、的方法、仿真的开始和结束时间、仿真步长以及容许误差等参数。本课题使用M A T L A B 作为研究工具，利用其丰富的库函数，开发出了相应的应用程序。1 2 3 课题的研究意义本课题提高了自动校直切断机的工作精度，对模糊控制在液压伺服系统中的应用作子深入的研究，使模糊控制成功地应用于液压伺服系统。研究中编制的P I D 参数整定、模糊控制算法以及仿真软件等程序，可为今后的科研和生产提供参考。辽宁工程技术大学工程硕士学位论文52 电液速度伺服系统的设计2 1 高速自动校直切断机系统2 1 1 系统的组成螺纹钢一般都是成卷加工、存放、运输的，而在使用时，必须要首先校直螺纹钢，使之变直，然后根据不同
11、的工作要求，切断成长度不同的各种规格。因为用户对产品的性能、质量的要求日益提高，例如在提高劳动生产率的同时，希望提高整个系统的控制精度：在提高自动化程度的同时，希望提供良好的人机操作界面，要求提高送料速度，在6 0 m m i n 时，最短切断长度为0 8 m ，切断长度误差为5 m m 。整个系统的组成框图如图2 一l 所示，可编程控制器采用了P c C 2 0 0 3 。P c c是，一种较P L C 更高层次的、专为中小型控制项目设计的计算机控制器，集成了标准的P L C 和工业控制计算机的特点，具有多任务分时操作系统，数据运算和处理能力比P L C 更强大。它不仅可用常规P L C 的
12、梯形图( L A D ) 和指令表( S T L ) 来编程，而且提供了基于文本的面向过程的结构化高级语言( P L 2 0 0 0 ) 。P c c 的最大特点是分时多任务操作，在工程应用中，可分别编制出控制程序模块，这些模块相互独立运行，但数据问保持一定的相互关联。这些模块在经过独立编译和调试后，可一同下载至P C C 的C P U 中，在多任务操作系统的调度管理下，并行运行( 周期可由用户设定) ，共同实现项目的控制要求。P C C 几乎所有硬件都采用模块式结构，可灵活自由地通过任意组合插拔来扩展系统。图2 - - - - I 系统组成框图2 1 2 液压系统的原理及其工作过程自动校直切
13、断机的液压系统原理图如图2 - 2 所示。其工作过程分为手动和自辽宁工程技术大学工程硕士学位论文6动两种工况在手动工况下，可以实现主电机点动、切点动、翻点动和系统急停。在主电机点动时，可把螺纹钢送入主机的送料机构；切点动可把多余的螺纹钢切掉：翻点动可把已切断的螺纹钢从料台上翻转下来。在自动工况下，利用光电转换器来计量主机所送螺纹钥的长度，一旦达到设定值，控制系统立即给跟切缸发出跟的信号，D 3 得电，跟切缸带动切断刀运动，延时一定时间后，当跟切速度基本上达到螺纹钢的输送速度，给切断缸发出切断信号，如切刀在D l 一边，就D 1 得电：反之则D 2 得电，同时给翻转缸发出翻转信号，即D 5 得电
14、。由于采用了双刀切断，切断缸到位后便是下一循环的初始位置，而跟切缸、翻转缸到位后要立即复位，即D 3 失电，D 4 得电，跟切缸退回，D 5 失电，翻转缸复位，为下一循环作好准备。1 切断液压缸5 调速阀9 电机2 跟进液压缸6 溢流阀1 0 双联液压泵3 翻转液压缸7 过滤器1 1 三位四通电液换向阀4 两位四通换向阀8 液压泵1 2 单向阀图2 - 2 自动校直切断机的液压系统原理图2 2 液压系统的改进上述开环系统在现场调试过程中，出现了以下问题：辽宁工程技术大学工程硕士学位论文三1 ) 由于跟切缸的运动控制是一个开环系统，在延时一定时间之后，跟切速度是否已经跟上主机输送螺纹钢的速度，并
15、不能精确知道，这产生的结果是：当跟切速度小于螺纹钢的速度时，切断刀在切断过程中会挡住螺纹钢的运动，如果螺纹钢较细，从而会使螺纹钢变弯。2 ) 由于跟切缸的运动控制是一个开环系统，跟切速度不能精确控制，当跟切速度发生变化时，切断动作撞照固定的动作时序工作，从而使螺纹钢的切断误差较大，而且表现为随机误差，不易消除3 ) 因为跟切缸和切断缸共同由一个双联液压泵供油，在螺纹钢未达到设定长度时，低压大流量泵的流量全部输送到跟切缸，但一旦给切断缸发出信号，切断缸开始运动，当切断刀还未碰到螺纹钢时，切断缸的负载较小，此时，大流量泵的流量要分一部分给切断缸，从而使跟切缸的流量急剧减小，使跟切速度发生剧烈波动，
16、进一步加大了切断的随机误差。跟切和切断这两个动作之间的运动关系是产生误差最主要的来源。针对上述问题3 ) ，为了消除这两个动作之间的相互干扰，可以给切断缸和跟切缸分别供油，从而解决了双联液压泵流量分配的干扰问题。显然，经过这样的改进后，虽然解决了速度干扰的问题，但由于切断缸由一个液压泵单独供油，切断缸的速度显著降低，切断缸的运动时间增加，也会带来误差的增加。考虑到给翻转缸供油的液压泵在绝大部分工作周期中处于非工作状态，在切断缸空行程时，可把其流量分配给切断缸。针对上述问题1 ) 和2 ) ，为了减小螺纹钢的切断误差，必须把跟切缸的运动控制由开环控制改为闭环控制。自动校直切断机的控制系统的反应时间都是毫秒级的，而电液伺服阉的时问常数在0 1 1 0 - 3 s 之间，反应快。另外电液伺服控制可以允许较大的放大倍数，因而可以获得较高的静态与动态精度。电液比例阀的动态、静态特性稍差，其响应时间为4 0 - - 6 0 m s ，常用于开环系统中。对稳态精度要求较高的系统，一般采用电液伺服系统。为此
