电液伺服疲劳试验机模糊控制系统研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.18MB 74 页 15积分
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摘 要
随着电液伺服技术的发展和应用领域的逐步推广，对电液伺服系统的控制要求
越来越高。在诸多影响电液伺服系统控制精度的因素中，控制策略非常关键。
本论文从提高疲劳试验机的控制精度入手，成功地将模糊控制策略应用于电液
位置伺服系统。通过仿真试验，得出模糊控制比 PID 控制适应性好，更适用于像
液压这样的非线性、时变系统。
本论文对电液伺服控制扭杆疲劳试验机系统进行理论分析，建立起数学模型，
推导出电液位置伺服系统的位移闭环传递函数，采用 PID 控制策略校正系统，运
用试凑法整定 PID 控制参数。仿真结果表明 PID 控制存在参数整定比较困难、适
应性不好等缺点。通过对模糊控制理论的初步研究，设计了常规模糊控制器，经
仿真试验表明其动态响应较好，但稳态精度较差。针对这些不足，分析其原因，
并结合 PID 控制，从不同的角度提出了改进措施，且实现了控制算法。自调整因
子模糊控制器通过在线自动调整模糊控制规则，改善了控制器的自学习能力；自
适应模糊控制器结合专家系统，对 PID 参数在线自调整和自寻优，提高了控制精
度和自适应、自学习能力。论文比较全面地分析了模糊控制的算法，利用 Matlab
作为仿真工具进行分析和计算，并利用 Simulink 进行仿真，最后得出在电液伺服
控制疲劳试验机系统中采用模糊控制，模糊控制策略比 PID 控制能够有效提高试
验机的控制性能。
论文推导的模糊控制器数学表达式可加深对模糊逻辑推理本质的理解；研究工
作中编制的 PID 参数整定方法、模糊控制算法以及仿真图形可为今后的科研和生
产提供参考。
关键词：电液伺服系统 PID 控制 模糊控制 自适应模糊控制
ABSTRACT
With the development of electro-hydraulic servo technology and the wide use in
more areas, the higher capability of electro-hydraulic servo system is required more and
more. The control strategy of electro-hydraulic servo system is one of the most
important factors that affect the control capability. Fuzzy control is more adapted to the
nonlinear and time-variable system such as hydraulic system.
The article has improved the existed fluid power system of hydraulic machine. On
the basis of fluid dynamics and classical control theory, the mathematical model of
asymmetry cylinder controlled by symmetry four-way valve is set up. Through
analyzing the dynamic and static characteristics, the author regulates system by using
PID control strategy and uses Cut & Try method to adjust the parameters of PID
controller. Through the simulation and experiment, we adjust the parameters of PID
controller, the self-adaptive not good too.
By researching on Fuzzy control theory, the article designs the conventional Fuzzy
controller. Although the dynamic response performance is good, its steady-state
precision is bad. Fuzzy-PID dual-mode Fuzzy controller can automatically change
control mode by a threshold between the Fuzzy control with PID control, so it processes
the advantages of those two control modes. Self-tuning factor Fuzzy controller can
automatically adjust the control rulers of Fuzzy controller on-line in real time, so it
improves the self-leaning function of the controller. Self-adaptive controller can adjust
and optimize the PID control parameters on-line by using expert system, it enhances the
control precision and the function of self-adaptive and self-learning.
The mathematics expression of Fuzzy controller can be adopted toward the
understanding of the substance of Fuzzy logic illations, and those program such as
parameter adjustment of PID controller, the arithmetic of Fuzzy control and simulation
process, can be applied in scientific research and production in the practice.
Key Words: electro-hydraulic servo system PID control
Fuzzy control self-adaptive fuzzy control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 疲劳试验机简介 ...............................................................................................1
§1.2 疲劳试验机的研究现状和发展趋势 ...............................................................2
§1.3 电液伺服疲劳试验机系统组成 ........................................................................3
§1.3.1 电液伺服系统的特点与要求 .................................................................3
§1.3.2 电液伺服疲劳试验机的系统组成 .........................................................3
§1.4 电液伺服系统的模糊控制研究概况 ...............................................................4
§1.4.1 电液伺服系统的研究概况 .....................................................................4
§1.4.2 模糊控制的研究概况 .............................................................................6
§1.4.3 电液伺服系统的模糊控制研究现状 .....................................................6
§1.5 课题背景与研究内容 .......................................................................................7
§1.5.1 课题背景 ..................................................................................................7
§1.5.2 课题的研究内容 .....................................................................................7
§1.5.3 课题的研究工具 .....................................................................................8
第二章 电液伺服疲劳试验机系统的建模 ..................................................................... 9
§2.1 疲劳试验机的系统组成 ....................................................................................9
§2.2 电液伺服系统原理图 .....................................................................................10
§2.3 系统数学模型的推导 .....................................................................................11
§2.3.1 伺服放大器 ...........................................................................................11
§2.3.2 电液伺服阀 ...........................................................................................11
§2.3.3 液压动力机构 .......................................................................................12
§2.3.4 传感器 ...................................................................................................17
§2.4 电液伺服控制系统的数学模型 .....................................................................17
§2.5 本章小结 .........................................................................................................18
第三章 电液伺服疲劳试验机系统的 PID 控制 .......................................................... 19
§3.1 电液伺服系统的控制策略 .............................................................................19
§3.2 电液伺服系统的 PID 控制 ............................................................................ 20
§3.2.1 PID 控制的基本原理 ......................................................................... 20
§3.2.2 PID 控制参数整定的试凑法 ............................................................. 22
§3.2.3 PID 控制仿真 ..................................................................................... 22
§3.3 PID 控制的适应性问题探讨 ........................................................................24
§3.4 本章小结 .........................................................................................................25
第四章 模糊控制理论 ...................................................................................................26
§4.1 模糊控制理论的产生 .....................................................................................26
§4.2 模糊控制的特点 .............................................................................................27
§4.3 模糊控制的数学基础 .....................................................................................28
§4.3.1 普通集合的概念及其描述 ...................................................................28
§4.3.2 模糊集合的概念及其描述 ...................................................................28
§4.3.3 模糊集的运算 .......................................................................................29
§4.3.4 模糊关系和模糊矩阵 ...........................................................................30
§4.4 模糊控制系统 .................................................................................................30
§4.5 模糊控制器 .....................................................................................................31
§4.5.1 模糊控制器的工作原理 .......................................................................31
§4.5.2 模糊控制器的设计 ................................................................................31
§4.5.3 模糊控制器的结构 ...............................................................................37
§4.6 本章小结 .........................................................................................................39
第五章 电液伺服疲劳试验机系统的模糊控制 ...........................................................40
§5.1 常规模糊控制器 .............................................................................................40
§5.1.1 常规模糊控制器的设计要求 ...............................................................40
§5.1.2 模糊控制器的结构设计 .......................................................................40
§5.1.3 模糊控制规则的设计 ...........................................................................41
§5.1.4 精确量的模糊化与模糊控制量的精确化 ...........................................43
§5.1.5 总控制表的计算 ...................................................................................44
§5.1.6 常规双输入单输出模糊控制器与 PID 调节器的关系 ...................... 45
§5.1.7 常规模糊控制器的仿真 .......................................................................49
§5.2 自调整因子模糊控制器 .................................................................................53
§5.2.1 模糊规则的可调整因子 .......................................................................53
§5.2.2 带自调整因子模糊控制器的结构与设计原则 ...................................54
§5.2.3 带自调整因子模糊控制器的设计 .......................................................54
§5.2.4 系统仿真 ...............................................................................................55
§5.3 自适应模糊 PID 控制器 ................................................................................ 57
§5.3.1 算法介绍 ...............................................................................................57
§5.3.2 系统仿真 ...............................................................................................60
§5.4 模糊控制的适应性 .........................................................................................62
§5.5 本章小结 .........................................................................................................63
第六章 结论与展望 .......................................................................................................65
参考文献 .........................................................................................................................67
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................70
致 谢 ........................................................................................................................... 71
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 疲劳试验机简介
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，它可广泛用于科学研究、能源交通、机械电子等领域，是科研、生产
部门必备的基本设备。试验机在材料试验、新型材料开发、产品设计、产品质量
监督以及质量控制等方面都发挥着重要的作用[l]。试验机可分为如下几类：金属材
料试验机、非金属材料试验机、平衡机、无损检测仪器、振动台与冲击台、力与
变形检测仪器、摩擦磨损、润滑与工艺试验机、包装件试验机、大型结构试验机
及汽车专用测试设备等。
疲劳试验机属于技术密集型的测试装置，它涉及到机械、液压、电子、材料、
测量、自动控制等许多技术领域，并且还综合了近代闭环伺服、数字显示、机电
一体化以及电子计算机等高新技术，被广泛应用于新材料开发，结构设计和机械、
船舶、航空、航天、人体力学性能研究等方面。国内外许多大型试验机都具有低
周疲劳试验的功能，能进行低周疲劳试验的可以是某些静态材料试验机和动态试
验机。静态试验机一般采用微电子伺服技术，通过改变机器的运行参数就能自动
完成所需进行的试验，并将试验结果和试验数据自动采集、处理、显示记录和打
印，极大程度地减轻了技术人员的劳动强度并提高了试验效率。由于试验机具有
闭环机电伺服自控系统，又因它负载范围广，因此能完成低频的往复拉压循环实
验。另一种为动态疲劳试验机，它是机械、液压、电子系统三者组合的现代伺服
机构[2]。电液伺服疲劳试验机不仅变开环控制为闭环控制，而且大大提高了试验精
度并增加了动态试验负荷的种类。电液伺服疲劳试验机除能施加正弦波载荷外，
还能施加矩形波、三角波、锯齿波、梯形波以及可根据实际记录的结构承受的交
变载荷谱对试件施加交变随机载荷，因此，试验的结果更加逼真于实际的工况状
态，为最佳优化设计提供了依据。当代任何一项重大的工程项目都必须经过动态
力学试验，否则就不能保证设计安全。目前，电液伺服疲劳试验机随着科技进步
和被试验对象的需要，正向着全微机化、智能化、节能化的方向发展，以期进一
步提高试验机的效率，提高试验机的精度和降低能耗。
摘要：

摘要随着电液伺服技术的发展和应用领域的逐步推广，对电液伺服系统的控制要求越来越高。在诸多影响电液伺服系统控制精度的因素中，控制策略非常关键。本论文从提高疲劳试验机的控制精度入手，成功地将模糊控制策略应用于电液位置伺服系统。通过仿真试验，得出模糊控制比PID控制适应性好，更适用于像液压这样的非线性、时变系统。本论文对电液伺服控制扭杆疲劳试验机系统进行理论分析，建立起数学模型，推导出电液位置伺服系统的位移闭环传递函数，采用PID控制策略校正系统，运用试凑法整定PID控制参数。仿真结果表明PID控制存在参数整定比较困难、适应性不好等缺点。通过对模糊控制理论的初步研究，设计了常规模糊控制器，经仿真试验...

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