电液伺服疲劳试验机模糊控制系统研究
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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。
电液伺服疲劳试验机模糊控制系统研究
2
§1.2 疲劳试验机的研究现状和发展趋势
自从人们发现了利用试验这一手段来研究和探索材料的特性以来，各种用于加
载试验的设备和系统不断产生，其性能不断完善，试验手段不断拓展。但是，随
着生产力水平的提高和科学技术的飞速发展，人们对各种新材料的强度试验提出
了更高的要求，研究人员关心的不单是试件在恒定载荷下的强度，而且，还关心
它们在某种规律下被加载时的表现。要完成特定规律下的加载控制，靠传统的控
制方法实现起来是比较复杂的，尤其是对于某些复杂的加载过程来说，传统的控
制系统是难于实现的。当前，人类文明已经进入计算机时代，计算机的应用己走
入科研和生产的各个领域，并在这些领域为我们开辟了许多新的发展空间。和许
多其它科研领域一样，材料的强度实验也进入了计算机时代。计算机参与控制的
疲劳强度试验系统是一种软硬件结合的控制系统，相对于传统的控制系统而言，
其优势是不言而喻的[1]。首先，它可以完成较为复杂的控制过程；其次,它的造价
较低，随着计算机产业的飞速发展，硬件产品的成本逐年下降，现在，只要花费
较小的代价就能构建功能较为全面，能完成较为复杂试验过程的控制系统；另外，
值得一提的是，计算机参与构成的实验控制系统具有试验结果的存储和分析功能，
使得此类系统能为研究人员提供及时准确的试验数据和结果分析，从而大大缩短
试验周期，提高试验效率。由此看来，开发操作简便，功能强大的试验控制系统
是有其实际意义的。
在六七十年代，多数试验机是采用传统的机电控制手段实现对试验过程的控
制，对此类设备中普遍存在操作过程烦琐、试验精度不高、试验数据的保存不便
和处理不及时等问题，上述问题的存在，在一定程度上限制了试验机的使用和发
展[4]。八十年代中后期，随着计算机技术的普及，国外的一些厂家先后将计算机控
制技术引入疲劳试验领域，试验机产业就其规模、品种、先进程度、销售量而言
以美国，德国、日本等国处于领先水平。比较知名的厂家有美国的 MTS 公司、奥
尔森公司(OLSEN)和总部设在美国的英斯特朗(INSTRON)公司，德国的 MFL 公司、
申克(SCHENCK)公司、沃尔伯特(WOLPERT)公司和茨维克(ZWICK)公司，日本的
岛津公司、东京衡机公司、东洋精机公司以及松泽公司等等。
我国对试验机领域新仪器和新设备的研制起步较晚，直到七十年代，长春试验
机厂研制出 50 吨动静万能试验机[5]。随后几年，长春试验机所、济南、天水红山
试验机厂研制出电液伺服试验机，标志着我国动态试验机研究水平提高了一大步。
近年来国内试验机行业正加快步伐，广泛采用计算机控制、电液伺服、高精度测
力和测变形技术，研制出各种金属和非金属的疲劳试验仪器和工况动态力学试验
第一章 绪论
3
设备，填补了国内空白，部分设备还达到了国际先进水平，同时，也使我国的试
验领域得到了进一步扩展。但是与国际先进水平相比，我国的试验机水平还相差
较远，因为相关领域如电液伺服阀、伺服液压缸、电子技术、计算机技术等仍相
对比较薄弱，在一定程度上影响了试验机行业的发展，关键零部件仍需进口。因
此，赶超世界先进水平，实现全部产品和零件国产化，是我国试验机行业今后的
奋斗目标。
§1.3 电液伺服疲劳试验机系统组成
§1.3.1 电液伺服系统的特点与要求
现代电液伺服系统由于时代的进步和社会的需求，具有以下特点[3,4,5]：
(1)环境和任务复杂，普遍存在较大程度的参数变化和外负载干扰以及交联藕合
的影响；
(2)非线性的影响，特别是阀控动力机构流量非线性的影响；
(3)有较高的频宽要求及静动态精度的要求，需优化系统的性能；
(4)计算机控制的数字化及离散化带来的问题；
(5)如何通过“软件伺服”以简化系统及部件的结构。
针对这些新的特征，对控制策略提出了下述要求[1,2]：
(1)应尽量满足系统的稳态、动态精度要求，使系统达到快速而无超调。
(2)对时变、外负载干扰以及非线性因素引起的不确定性，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。
满足以上要求对液压伺服控制系统是个关键。开展这方面的研究，建立近代液
压伺服控制的系统理论和控制方法，寻求工程实用的设计，对推广液压伺服控制
的应用和促进液压伺服控制的发展将有重大意义。
§1.3.2 电液伺服疲劳试验机的系统组成
目前，企业所用电液伺服疲劳试验机系统主要由主机系统、液压系统、计算机
系统和电控系统等组成(图1-1)，试验机的液压系统是动力源，它的任务是给主机
提供动力。依靠电机带动油泵输出高压油，推动所有液压执行机构动作，从而达
摘要：
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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...
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