電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的研究_圖文

1、第20卷第2期2007年2月傳感技術(shù)學(xué)報(bào)CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORSVol.20No.2Feb.2007R esearch on Electro 2H ydraulic Servo F atigue T est F acility Control SystemL I A N G R ui ,T A N G Yong 2z he3,W A N G J i ng(College of A utomation ,N ort hwestern Pol ytechnical Universit y ,X i an 710072,China Ab

2、stract :The large range variation of controled object parameters ,redundant force ,t he dist urbance caused by test specimen torsion deformation and f riction mo ment is t he major factors to have an effect on conrtol accuracy of Test Facility system.To raise t he cont rol accuracy of system ,t he m

3、ulti 2sensor information blend control p rogram is determined ,which is based on analysis 、matlab simulation ,comparison to t he PID Cont rol and Multi 2Sensor Information Blend Cont rol p rogram ,combining wit h t he act ual instance of sys 2tem and relevant experience.The system has gained satisfy

4、ing effect.Cont rol accuracy is improved.K ey w ords :elect ro _hydraulic servo cont rol ;cont rol program ;matlab simulation ;fatigue test facility large range ariation of parameters ;PID cont rol ;Multi 2Sensor Information Blend Cont rol EEACC :8340;7210電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的研究梁蕊,唐永哲3,王靜(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,西安710

5、072收稿日期:2006203201修改日期:2006203220摘要:被控對(duì)象參數(shù)的大范圍變化、多余力、試件扭轉(zhuǎn)變形對(duì)負(fù)載的干擾以及摩擦力矩干擾是影響試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)控制精度的主要因素.為了提高系統(tǒng)的控制精度,在對(duì)PID 控制與多傳感器信息融合控制方案進(jìn)行分析、matlab 仿真與比較的基礎(chǔ)上,結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際情況和相關(guān)經(jīng)驗(yàn),確定了多傳感器信息融合控制方案,系統(tǒng)得到了令人滿意的效果,提高了控制精度.關(guān)鍵詞:電液伺服控制;控制方案;matlab 仿真;疲勞試驗(yàn)機(jī);參數(shù)大范圍變化;PID 控制;多傳感器信息融合控制中圖分類號(hào):TP271文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):100421699(2007022*試驗(yàn)機(jī)

6、是一種用于研究與檢測(cè)材料、零部件、各類產(chǎn)品的力學(xué)性能與可靠性的測(cè)試儀器.它可廣泛用于科學(xué)研究、能源交通、機(jī)械電子等各領(lǐng)域,是科研、生產(chǎn)部門必備的基本設(shè)備.就本試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)而言,它是根據(jù)汽車工業(yè)發(fā)展的需要而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的汽車零部件檢測(cè)設(shè)備,其試驗(yàn)對(duì)象是一系列不同型號(hào)的汽車底軸,材質(zhì)、應(yīng)力都有所不同,試驗(yàn)對(duì)象經(jīng)常變化,從而使整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)經(jīng)常變化,且其變化范圍很大;再考慮到系統(tǒng)構(gòu)成中包含電液伺服閥、伺服擺動(dòng)馬達(dá)和馬達(dá)間接變速裝置等具有非線性特點(diǎn)的組成器件,而且整個(gè)加載機(jī)構(gòu)中又充斥著很多機(jī)械方面的連接,這些都可能導(dǎo)致系統(tǒng)在工作過(guò)程中產(chǎn)生諸如存在死區(qū)、滯后、后沖力以及分段線性區(qū)間等嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能的非線性情

7、況.不僅會(huì)使系統(tǒng)的性能指標(biāo)、控制精度大打折扣,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起系統(tǒng)振蕩,甚至系統(tǒng)的不穩(wěn)定.所以對(duì)這種系統(tǒng)的控制有一定的難度.1系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)采用伺服閥控制擺動(dòng)式液壓伺服馬達(dá),而且馬達(dá)軸直接和試件用聯(lián)軸節(jié)相聯(lián)的傳動(dòng)方案,相對(duì)于傳統(tǒng)的齒輪箱傳動(dòng),這樣做的優(yōu)點(diǎn)是大大減少了折合到伺服馬達(dá)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,從而有利與提高系統(tǒng)頻寬和傳動(dòng)效率.系統(tǒng)的具體構(gòu)成如圖1所示.系統(tǒng)的機(jī)械和液壓部分為電液伺服控制系統(tǒng),通過(guò)電液伺服閥控制擺動(dòng)式液壓伺服馬達(dá),力矩馬達(dá)作為電液轉(zhuǎn)換裝置,將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的角位移,再以噴嘴擋板作前置放大,把角位移轉(zhuǎn)換為較弱的液壓控制油流,最后再利用液壓功率放大級(jí)轉(zhuǎn)換 圖1系統(tǒng)構(gòu)成較大的液壓功率

8、輸出油流.系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是通過(guò)PCL 2816H 數(shù)據(jù)采集/輸入輸出板卡,它兼具D/A和A/D 的雙重功能,將其安裝于工控機(jī)的擴(kuò)展槽中.指令波形由工控機(jī)軟件產(chǎn)生,可以對(duì)兩個(gè)通道同時(shí)或單獨(dú)提供控制功能.當(dāng)兩個(gè)通道同時(shí)工作時(shí),它們之間相互作用、互相配合,模擬出汽車實(shí)際行進(jìn)過(guò)程中汽車主軸所承受到的的沖擊和應(yīng)力,相當(dāng)于對(duì)汽車主軸進(jìn)行疲勞測(cè)試.2控制算法的研究在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中,對(duì)于控制系統(tǒng)或多或少的要采用PID 控制方案,這是由于PID 控制的一些特點(diǎn)決定的,PID 控制具有控制率簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),物理意義明確,而且具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性,因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器,深受工程技術(shù)人員的喜愛(ài).2.1PID

9、 控制我們首先對(duì)采用簡(jiǎn)單PID 控制的系統(tǒng)進(jìn)行Matlab 數(shù)字仿真,其目的是為了直觀地了解被控對(duì)象參數(shù)和輸入信號(hào)變化時(shí)PID 控制方案的控制效果,圖2是本試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)PID 控制器時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) .圖2采用傳統(tǒng)PID 控制器時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果與分析:固定一組被控對(duì)象參數(shù),當(dāng)輸入信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí),整定PID 控制器的參數(shù),系統(tǒng)的響應(yīng)如圖3所示.PID 控制器的參數(shù)不變,改變被控對(duì)象的參數(shù),當(dāng)輸入階躍信號(hào)時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)如圖4所示.被控對(duì)象的參數(shù)與1情況保持一致,PID 控制器的參數(shù)也不變,當(dāng)輸入信號(hào)分別為頻率1Hz 的三角波和方波時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)如圖5和6所示.由以上仿真結(jié)果可以看出: 被控對(duì)

10、象參數(shù)的變化圖3輸入信號(hào)為階躍信號(hào)的系統(tǒng)響應(yīng)J m =0.0827,G m =16656,K p =1.5,K i =0.5,K d =0. 001圖4被控對(duì)象參數(shù)改變時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)J m =0.1636,G m =67998,K p =1.5,K i =0.5,K d =0.001圖5輸入信號(hào)頻率為1Hz 三角波的系統(tǒng)響應(yīng)J m =0.0827,G m =16656,K p =1.5,K i =0.5,K d =0.001圖6輸入信號(hào)頻率為1Hz 方波的系統(tǒng)響應(yīng)J m =0.0827,G m =16656,K p =1.5,K i =0.5,K d =0.001對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性均有

11、影響,采用輸入階躍信號(hào)時(shí)整定的PID 控制器,當(dāng)被控對(duì)象參數(shù)發(fā)生變化時(shí),控制效果變差,甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定.因此,當(dāng)被控對(duì)象參數(shù)變化時(shí),PID 控制器同時(shí)保持系統(tǒng)的穩(wěn)定和性能的能力是有限的.所以,采用簡(jiǎn)單PID 控制時(shí),被控對(duì)象參數(shù)的變化范圍不能太大.如果被控對(duì)象參數(shù)變化不大(具體到本系統(tǒng)即為一個(gè)型號(hào)的汽車主軸,而且經(jīng)常使用某一種參考輸入信號(hào)(如正弦波,并且試驗(yàn)信號(hào)頻率不高的情況下,那么采用線性PID 控制是可取的.但對(duì)于本154第2期梁蕊,唐永哲等:電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)的研究系統(tǒng)而言,被控對(duì)象參數(shù)的變化范圍很大(一系列的汽車主軸,而且試驗(yàn)參考輸入信號(hào)多變(正弦波、三角波、方波等,試

12、驗(yàn)信號(hào)頻率范圍大(0.01Hz215 Hz,所以采用線性PID控制是不可取的.2.2多傳感器信息融合控制從上面看出,PID控制在被控對(duì)象參數(shù)大范圍變化或者輸入信號(hào)形式或頻率發(fā)生變化時(shí),控制效果有不同程度的變差傾向.比如采用整定的PID控制器在試驗(yàn)信號(hào)為三角波的情況下控制效果較好,可在試驗(yàn)信號(hào)為方波的情況下效果就不是很好.究其原因,除了對(duì)系統(tǒng)建模的不夠完善、有所誤差和這種控制方式自身存在一些缺點(diǎn)之外,還有兩個(gè)導(dǎo)致控制效果變差的主要因素:在輸入信號(hào)的形式或頻率改變時(shí),液壓伺服系統(tǒng)內(nèi)部固有的多余力相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生不同的變化.試件的扭轉(zhuǎn)變形會(huì)對(duì)扭矩控制產(chǎn)生干擾,試件的扭轉(zhuǎn)變形必然消耗了一部分伺服閥輸出流量

13、,可以認(rèn)為這部分流量是對(duì)扭矩控制的干擾.針對(duì)這些因素,文獻(xiàn)1提出了一種解決方案.按照這種結(jié)構(gòu)不變性理論,對(duì)于電液伺服系統(tǒng),只需要找到某一個(gè)容易測(cè)量的物理量,并依此進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償,可以一舉克服液壓伺服系統(tǒng)中的參數(shù)攝動(dòng)、通道耦合以及干摩擦的影響.仔細(xì)分析系統(tǒng)的運(yùn)行特性,可以發(fā)現(xiàn)流量干擾和試件扭轉(zhuǎn)變形的角度近似成比例關(guān)系(在一定的限制條件下和變化范圍內(nèi),所以可以考慮利用此角度信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償.本文將運(yùn)用多傳感器信息融合的理論與技術(shù),將扭角傳感器傳回的信號(hào)作為一個(gè)新的參數(shù)變量引入到控制流程中,使其直接參與控制信號(hào)與控制指令的發(fā)生和執(zhí)行,希望得到切實(shí)有效的控制方法和更好的控制結(jié)果.所謂多傳感器信息融合就是將

14、多個(gè)傳感器所獲得的空間或時(shí)間上互補(bǔ)和冗余的觀測(cè)信息,依據(jù)某種優(yōu)化原則加以自動(dòng)分析、綜合的信息處理過(guò)程.單一的傳感器信息采集量不足,且易受周圍環(huán)境等干擾因素的影響,因此很難保證檢測(cè)信息的準(zhǔn)確性和可靠性,從而給系統(tǒng)決策的正確性造成影響.因此,采用多傳感器信息融合技術(shù),利用各種傳感器在性能上的差異和互補(bǔ)性彌補(bǔ)單一傳感器的缺陷,從而達(dá)到良好的控制效果.圖7給出了一種通用的多傳感器信息融合模式及算法的實(shí)現(xiàn).測(cè)控系統(tǒng)的控制功能都是由控制器輸出控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的.所以,兩個(gè)傳感器信息融合的結(jié)果最終還是要體現(xiàn)在控制信號(hào)中來(lái)的.在兩個(gè)傳感器信息融合之前,控制量u(t的表達(dá)形式可記為 :圖7多傳感器信息融合模式u(

15、t=P(t+I(t+D(t(3式中:P(t控制量的比例分量;I(t控制量的積分分量;D(t控制量的微分分量.其中比例分量的作用是提升系統(tǒng)響應(yīng)的梯度,積分分量能有效地消除系統(tǒng)靜差,微分分量的作用是提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,使得調(diào)節(jié)時(shí)間縮短.考慮到本系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)特性,當(dāng)比例分量和微分分量基本確定后,就不應(yīng)再對(duì)它們做大的調(diào)整.所以,傳感器信息融合的大部分工作就集中在改造積分分量上.兩個(gè)傳感器經(jīng)過(guò)信息融合后,控制量的積分分量可表示為:I(t=(I(t-1+e(tt+2(t(1式中:現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)確定的調(diào)整系數(shù),e(t兩次采樣之間扭角傳感器的輸出信號(hào)之差,取值為:e(t=(t-(t-1/t,t采樣時(shí)間間隔,(t試

16、件扭轉(zhuǎn)角度的變化速度,取值為:f=/+2(t.其中,(t是試件扭轉(zhuǎn)變形時(shí)扭角傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)采集、濾波和數(shù)學(xué)變換處理后的表達(dá)形式.該信息融合表達(dá)式的基本思想為:試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),控制器輸出控制信號(hào),經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換器、伺服放大器、伺服閥、液壓馬達(dá)和具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)而使試件受力.當(dāng)試件所受力的大小尚不致使試件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí),(t和(t的值均為零,f等于1,即此時(shí)此刻無(wú)傳感器的信息融合發(fā)生,控制形式仍為正常的PID控制(同時(shí)采用數(shù)據(jù)鏈表技術(shù),一旦試件所受力的大小達(dá)到或超出使試件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形所需力的最低限度時(shí),(t和(t的值中最少有一個(gè)不為零, f小于或等于1,傳感器的信息融合發(fā)揮作用,并且在專家知識(shí)庫(kù)的

17、監(jiān)督與指導(dǎo)下選擇具體的信息融合算法去補(bǔ)償因試件扭轉(zhuǎn)變形而損耗的伺服閥流量并同時(shí)抑制系統(tǒng)內(nèi)多余力的變化.如果因?yàn)樵囼?yàn)輸入信號(hào)的幅值或頻率發(fā)生較大變化而使控制效果變差時(shí),可以考慮采用式(2所示的傳感器信息融合算法表達(dá)式,可能會(huì)使控制效果得到不同程度地改善:254傳感技術(shù)學(xué)報(bào)2007年I (t =(I (t -1+e(t t + e2(t (2式中: e (t 是兩次采樣之間試件扭轉(zhuǎn)角度的變化速度之差,取值為:e (t = (t -(t -1=(t -2(t -1+(t -2t(3由式(3看出,由于在式(2的計(jì)算中涉及到前兩拍信號(hào)的扭角值變化速率,我們從中獲得的信息量多于從式(1中只計(jì)算前一拍信號(hào)的

18、扭角值變化速率所獲得的信息量,因此可以更加深入地了解試件扭轉(zhuǎn)變形的過(guò)程,確定更有針對(duì)性的控制方式,從而得到更好的控制效果.仿真結(jié)果與分析:如圖8和9所示為在MA T 2L AB 下對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行仿真的結(jié)果,它們反映了信息融合下系統(tǒng)的控制效果和試驗(yàn)輸入信號(hào)的頻率變化時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)特性.通過(guò)仿真可以看出,在階躍響應(yīng)輸入信號(hào)下,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性都得到了快速的響應(yīng).當(dāng)輸入為1Hz 215Hz 的正弦波信號(hào)且被控對(duì)象參數(shù)大圖8 信息融合下系統(tǒng)的響應(yīng)圖9輸入信號(hào)正弦波時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)范圍變化時(shí),系統(tǒng)響應(yīng)曲線變化范圍不大,能夠滿足克服被控對(duì)象參數(shù)大范圍變化的影響,抑制摩擦力矩,并能減小多余力,實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)試件

19、的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),預(yù)測(cè)控制.3結(jié)論P(yáng)ID 控制的控制率簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),但是當(dāng)被控對(duì)象參數(shù)發(fā)生大范圍變化時(shí),常需要調(diào)整相應(yīng)的PID 參數(shù),才能達(dá)到規(guī)定的性能,這給系統(tǒng)的維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)操作帶來(lái)諸多不便.多傳感器信息融合控制方式能有效的克服被控對(duì)象參數(shù)大范圍變化的影響,抑制摩擦力矩,并能減小多余力.它并不是一種全新的、以往沒(méi)有的控制方式,實(shí)際上,它是在有效利用現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上,結(jié)合幾種控制方式各自優(yōu)點(diǎn)的一種優(yōu)化融合.在現(xiàn)代工業(yè)中,這種多傳感器信息融合控制系統(tǒng)具有很廣泛的應(yīng)用前景.參考文獻(xiàn):1劉長(zhǎng)年.液壓伺服系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論M .北京:冶金工業(yè)出版社,1989.7.2周德澤,袁南兒,應(yīng)英.計(jì)算機(jī)智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用M .北京