液压变压器配流盘控制性能研究.pdf

2 0 1 0年 1 1月 第 3 8卷 第 2 l 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S No v ．2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ． 21 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 1 ． 0 0 1 液压变压器配流盘控制性能研究 陈延礼 ，刘顺安 ，苗淼 ，周旭辉 ，姚永 明 吉林大学机械科 学与工程 学院，吉林长春 1 3 0 0 2 5 摘要阐述液压变压器配流盘控制系统的工作原理，在此基础上建立电液伺服阀控缸与配流盘转角问的数学模型，应 用 P I D、F L C F u z z y L o g i c C o n t r o l l e r 和 F u z z y - P I D 3种控制方式对该系统控制性能进行仿真研究，对 比3种控制方式的基 本性能及其鲁棒性。结果表明 F u z z y P I D具有响应速度快、鲁棒性好、误差较小、抗干扰能力强等优点，可以更有效地完 成液压变压器配流盘的控制。 关键词液压变压器；控制性能 ；控制角度 ；配流盘 中图分类号T H1 3 8 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 1 0 0 1 3 Re s e a r c h o n Co n t r o l Pe r f o r ma nc e o f Va l v e Pl a n t o f Hy dr a u l i c Tr a n s f o r me r C HEN Ya n l i ，LI U S h un ’ a n， MI AO Mi a o。ZHOU Xu h u i ， YAO Yo n g mi n g M e c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ， J i l i n U n i v e r s i t y ，C h a n g c h u n J i l i n 1 3 0 0 2 5 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c t r a n s f o r me r v a l v e p l a n t wa s d e s c r i b e d ，a n d b a s e d o n i t ，t h e ma t h e ma t i e a l mo d e l b e t we e n v a l v e p l a n t c o n t r o l a n g l e a n d e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o v a l v e c o n t r o l l e d c y l i n d e r w a s d e d u c e d ．A f t e r s i mu l a t i o n a n a l y s i s ，c o n t rol p e r f o r ma n c e o f t h e s y s t e m w a s c a r r i e d o u t b y u s i n g P I D、 F L C a n d f u z z y P I D，an d b a s i c p e r f o rm a n c e s a n d rob u s t n e s s e s o f t h e s e t h r e e k i n d s o f c o n t r o l mo d e w e r e c o mp a r e d ．T h e r e s u l t s h o ws t h a t f u z z y P I D c o n t r o l l e r c a n a c c o mp l i s h c o n t r o l r e q u i r e me n t s f o r h y d r a u l i c tra n s f o r me r v a l v e p l a n t wi t h a d v a n t a g e s i n r e s p o n s e ，rob u s t n e s s ，s t a b i l i t y a n d a c c u r a c y ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c t r a n s f o rm e r ； C o n t rol p e rfo rm a n c e ； C o n tro l an g l e ； Va l v e p l a n t 目前 ，液压变压器作为一种新的流量控制元件 ， 既可以无节流损失地调节输出压力，又可以解决液压 系统中的压力耦联、流量耦联现象，是较理想的液压 元件之一。但是 ，液压变压器仍未在实际工程中得到 应用 ，主要 因为配流盘 的控制 问题 、噪声 问题和配流 盘径向力分布不均问题。针对配流盘的控制问题，作 者进行深入研究。由于液压变压器的配流盘和缸体惯 量小 ，液压变压器本身的动态响应速度快，因而它的 抗干扰能力很差 ，配流盘的微小变动就直接影 响变压 器的输出压力，因此必须对液压变压器采用闭环反馈 伺服控制。为了更有效地控制液压变压器的配流盘， 作者针对该系统在 P I D 、F L C F u z z y L o g i c C o n t r o l l e r 和 F u z z y P I D控制方式 的性 能进行 仿真研 究 ，分析 该 系统在 3种控 制方式下的基本控制性能及鲁棒 性 能 。 1 液压变压器控制系统的工作原理及数学模型 作者采用电液伺服阀控缸来驱动液压变压器配流 盘，通过检测变压器配流盘控制角来构造液压变压器 的闭环控制系统，实现对配流盘控制性能的研究。系 统工作原理见图 1 。 l 一 发动 机2 一 变量 液 压泵／ 马达 3 一 高压 蓄 能器4 一 低压 蓄 能器 s 一 电磁 比例 阀6 一 液压 缸7 一 液 压变 压器8 一角 度传 感 器 一 计算机采集系统 l O 一液压 马达 图 1 液压变压器配流盘控制系统原理图 该系统的数学模型如下 液压变压器 配油盘摆角方程 0 1 HT 比例 阀线性化流量方程 一 K c P 2 液压缸工作腔的连续性方程 Q A L S 3 液压缸与负载的力平衡 方程 收稿日期2 0 0 91 l 一2 4 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 0 4 7 5 0 1 1 ；吉林大学 “ 9 8 5工程”项目 4 5 002 2 1 0 2 002 作者简介陈延礼 1 9 8 3 一 ，男，博士研究生，主要从事电液控制及节能技术、流体有限元分析。通信作者刘顺安，电 话 1 3 5 043 0 1 5 6 1 。Em a i l l s a j l u ． e d u ． c a 。 2 机床与液压 第 3 8卷 F PI AI M H T s 。 十BH T s X L T 十F H T 4 比例电磁铁 电压增量方程 U [ s 兄 r ] ， 5 电磁铁 的动力学方程 F Ki I m s X B s X Kx X 角度传感器方程 Ui Kr O 式 2 一 4 联立可得 一 A 1 去s 1 v 一 A 。 。 s ． MH T V o 3 MH T K , B H T V ／ 2 百B H T K c K删 HT V ／ s 一 叁 y 一 I J， 卅 ㈨ 由于 ⋯ 1 1 ，故式 5 、 6 联立 可得 X v 瓢东蓑 叫 一 】 ， j下 Bx t 6 7 8 考虑 到 F 肿 。和 B H T K c 1时 ，将式 1 。 、 1 代 入式 9 并化简为 尼系数，N s ／ m；K 为负载的弹簧刚度，N ／ m；F 为活塞上 的负载 力 ，N；U i 为 比例 电磁铁 的 电压增 量 ，V；L为线圈 电感 ，H；K e 为感 应 电动势位 移变 化增益系数 ，V s ／ m；R 、r n 分别 为线 圈和放 大器 的 内阻 ，Q； 为 线 圈位 移 ，m；K i 为 电磁 力转 换 系 数 ，N ／ A；i 为线 圈控 制 电流 ，A；B 为气 隙磁感 应 强度 ，Wb ／ m ；D为控制线 圈平均直径 ，I n ；N o 为控 制线圈匝数；m 为衔铁组件 的质量，k g ；B 为阻尼 系数，N s ／ m；K x 为衔铁组件的弹簧刚度，N ／ m；K r 为角度传感器的放大系数，v ／ 。 。 2 控制器的建立 表 1 表述 为负 大 N B、负 的隶属度函数 中N M、负小 N S 、零 Z O、正小 N S 、正中 N M、正大 N B 。相应 的 论 域 为{ 一6 ， 一5 ， 一4 ， 一3 ， 一2 ， 一 1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 } ，其 隶属 度 函数 如 图 2 所示 。 采用 M a m d a n i 最小推理法，反模糊化面积平分 法。由于误差 的基本论域为 [一 ， ] ；误差变 化 E C的基本论域为 [一 ] ；模糊控制量 u的 基本论 域 为 [一Y ，Y ] ，故 量 化 因子 n ／ x 6 ； K e n ／ x 0 ． 1 ；比例因子 K y ／ n 0 ． 1 6 6 7 。 建立的模糊控制规则 如表 1 。 、 、 、u 模糊规则表 第2 1 期 陈延礼 等液压变压器配流盘控制性能研究 3 3 系统仿真研究 建立系统方框图如图3所示。 经数学模型分析，应用 MA T L A B ／ S i m u l i n k 软件 1 1 ． o． 0 ． 图3 P I D、F L C和 F u z z y ． P I D控制器对液压变压器配流盘控制角的仿真图 图4 P I D、F L C和 F u z z y - P I D调节 响应 曲线 图 5 P I D、F L C和 F u z z y P I D调节误差曲线图 4 性能分析与结论 4 ． 1 基本性能 稳 态误差、动 态品质分析 针对液压变压器配流盘的调控系统 ，分别设计了 3种控制器的参数 1 P I D， 0 ． 6 5 、K i 0 ． 4 、 0 ． 0 0 1 ； 2 F L C ， 6 、 o ． 1 、K 0 ． 1 6 6 7 ； 3 F u z z y 。 P I D，K 1 ． 2 5 、K i 1 ． 2 、K d 0 ． 0 0 5 、 0 ． 6 5、 i O ． 0 0 1、 d0 ． 0 01 。 在单位 阶跃信号输入 的情况下 ，该系统的基本控 制性 能见表 2 。 表 2 基本控制性能表 由表 2可见 ，F u z z y P I D控制系统和 P I D 、F L C系 统一样为无误差系统 ，且具有较好的动态品质 ，它的 优点是，与 P I D相 比，其初始能量较小；与 F L C相 比，响应更快，上升时间更短 ，最大超调量较小 ，且 较快地达到稳态。 4 ． 2 鲁棒性分析 鲁棒性是控制系统的重要性能指标 ，作者在液压 变压器配流盘控制系统输入端受脉冲信号干扰影响 时，分析其鲁棒性。 在 t 8 s 时 ，系统输入端受到 幅值为 1的脉冲信 号 一 口、v 划 瑶 时 间， s 图6 输入端存在脉冲干 扰系统响应曲线图 、7所示 。 1 ． 0 ． 一 0 ． j j}lj 账 ．O ． 图 7 输入端存在脉冲干 扰系统误差曲线图 下转第 7 9页 第 2 1 期 李春梅 等 直线导 轨摩擦力 测控 系统设计 7 9 图 6 控制面板程序流程图 在控制面板程序中，最关键的部分是串口通讯部 分。只有建立了可靠的通讯连接，工控机才能准确地 接收到面板发来的控制信号进行控制操作 ，而面板也 才能收到工控机发来 的状态信息 ，更新显示控制状 态 ，实现工控 机与控 制面板状 态的实时统一 。 串口通讯程序由工控机部分和单片机部分组成， 其 中 工 控 机 部 分 程 序 由 V B 编 写 。 采 用 V B 的 M S C o m m串行 口通讯控件 ，它提供了一系列标准通讯 属性和方法。利用它可以方便地建立起应用程序与串 行端 口的连接 。 MS C o m m控件提供了两种处理通讯的方式 事件 驱动方式和查询方式 。在该程序 中采用了事件驱动方 式 ，它是 处理串 口通讯的一种 非常有 效的方 法。利用 M S C o m m控件的 O n C o m m事件，当串口通信状态发生 改变时，MS C o m m控件触发 O n C o m m事件。在 O n C o m m事件 中，可通过检测 M S C o m m ． C o m m E v e n t 属性 值获知 串 口的各种状态 ，从而进行相应 的处理 。这种 方法程序 响应及时 ，可靠性高 。 3结论 作者主要设 计 了测 量直 线导 轨摩 擦 力 的控 制 系 统，该系统很好地完成 了系统设计的测量任务，设计 合理，运行可靠 ，实用性强。测试得到的数据处理以 及导轨的合格性判定在文献 [ 6 ]中有详细说明。 参考文献 【 1 】 笠井进一， 冢田澈， 加藤总一郎． 最近 、／ 7 卜 技术 动向[ J ] ． N S K T e c h n i c a l J o u r n a l ， N o ． 6 4 9 2 7 3 6 ． 【 2 】 尹学军 ， 刘经燕． H T S D直线滚动导轨副动态摩擦力实 验研究[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 0 6 1 6一l 7 ． 【 3 】 熊军． 滚动直线导轨副摩擦力及运动精度动态综合检测 原理及方法研究[ D] ． 武汉 华中科技大学 ， 2 0 0 2 ． 【 4 】孙健利， 张朝辉． 关于滚动直线导轨摩擦力与预紧力关系 的研究[ J ] ． 华中理工大学学报， 1 9 9 7 ， 2 5 3 4 7 4 9 ． 【 5 】陶正苏， 印向红， 蔡小峰． 一种直线滚动导轨综合测试仪 的研制[ J ] ． 现代计量测试 ， 1 9 9 5 3 1 61 9 ． 【 6 】 李春梅 ， 冯虎田， 赵江杰． 滚动直线导轨副摩擦力动态测 量系统设计[ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 9 9 2 5 2 8 ． 上接 第 3页 大，F u z z y P I D抗干扰能力较强。 由表 3 可见 ，P I D和 F L C受脉冲干扰信号影响较 表 3 输入端存在脉冲干扰 系统 的控 制性 能表 5结束语 通过 3 种方式的基本性能及其鲁棒性的仿真研究 表明 ，F u z z y P I D具有 响应 速 度快 、鲁棒 性 好 、误 差 较小 等优点 ，可 以更有效地完成液压变压器配流盘 的 控制 ，该控制方式具有很好的使用性能。 参考文献 【 1 】 刘金琨． 先进 P I D控制及其 M A T L A B仿真[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 2 】 王春行． 液压控制系统[ M ] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 9 ． 【 3 】欧阳小平， 徐兵， 杨华勇 ， 等． 液压变压器输出压力特性 研究[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 6 ， 1 7 2 3 2 4 9 2 2 4 9 5 ． 【 4 】 杨华勇， 欧阳小平， 徐兵． 液压变压器的发展现状 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 3 ， 3 9 5 1 5 ． 【 5 】黄忠霖． 控制系统 M A T L A B计算及仿真[ M] ． 北京 国 防大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 6 】Z a d e h L ． F u z z y S e t s [ J ] ． J o u r n a l o f I n f o r m a t i o n a n d C o n t r o l ， 1 9 6 5 8 3 3 8 3 5 3 ． 【 7 】 V G e o r g e s E M， A c h t e n P A J ， F u Z h a o ． T h e I n n a s h y d r a u l i c t r a n s f o r me r T h e k e y t o t h e h y d r o s t a t i c c o mmo n p r e s s u r e r a i l [ J ] ． S A E T r a n a s a e t i o n s ， 2 O O O ， 1 0 9 2 1 0 9 1 2 4 ． 【 8 】姜继海， 徐志进， 刘宇辉． 二次调节静夜传动位置系统的 模糊控制和实验研究[ J ] ． 哈尔滨工业大学学报， 1 9 9 8 ， 3 0 6 8 48 8 ．