【正文】 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 前言 隨著時代的進步，科技的發(fā)展，人們對各種加載系統(tǒng)的性能的要求越來越高，傳統(tǒng)的加載系統(tǒng)存在諸多缺點，比如：效率較低、成本過高、不宜實現(xiàn)自動控制、不適宜動態(tài)模擬試驗等。為了彌補傳統(tǒng)的加載系統(tǒng)各方面的缺點，我們對加載系統(tǒng)應(yīng)用了二次調(diào)節(jié)技術(shù)，充分發(fā)揮了計算機控制的優(yōu)越性，實現(xiàn)了能量的回收利用，提高了系統(tǒng)的效率等。因此，由于這些原因，我們對二次調(diào)節(jié)加載試驗臺進行了研究，通過了解其性能等各方面的優(yōu)越性，使其應(yīng)用在實際的生活和生產(chǎn)中，可以說，此項研究具有重要的理論意義和實際意義。 本文研究的二次調(diào)節(jié)加載試驗臺屬于大型 復(fù)雜的電液伺服系統(tǒng)，為了采用適當?shù)目刂评碚搶ζ溥M行仿真分析，因此，在建立其精確的數(shù)學(xué)模型的同時，我們對其數(shù)學(xué)模型進行了簡化。也正是這樣，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的近似性、系統(tǒng)本身存在的非線性因素和外界對系統(tǒng)的干擾等因素，（即此加載試驗臺中廣泛存在的不確定性）對整個加載試驗臺的動態(tài)性能產(chǎn)生了很大的影響。隨著科技的發(fā)展，應(yīng)用傳統(tǒng)的控制理論很難使本二次調(diào)節(jié)加載試驗臺的性能控制在人們所期望的理想狀態(tài)下，因此，我們尋找出了一種先進的控制理論，以能夠使本加載試驗臺獲得很強的魯棒性，即魯棒控制理論。本文針對此二次調(diào)節(jié)加載試驗臺設(shè)計出 了相應(yīng)的動態(tài)魯棒補償器，對此加載試驗臺進行了動態(tài)補償，最終應(yīng)用 Matlab 軟件進行了仿真分析，以得到動態(tài)性能良好的二次調(diào)節(jié)加載試驗臺。 楊婷婷：二次調(diào)節(jié)加載試驗臺魯棒補償控制及其仿真 2 1 緒論 研究目的和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于加載系統(tǒng)的各項要求也越來越高，如在能量回收利用、系統(tǒng)效率、數(shù)字控制的可靠性、系統(tǒng)的動態(tài)性能以及經(jīng)濟效益等諸多方面都面臨著更高層次的要求。傳統(tǒng)的加載系統(tǒng)：開放式加載系統(tǒng)，其致命弱點是需要大功率動力，能量無法回收利用，效率低，實驗成本相對較高；機械封閉式加載系統(tǒng)，雖然對動力消耗有所降低，但其不 易實現(xiàn)自動控制，不適宜用于動態(tài)模擬加載實驗；液壓封閉式加載系統(tǒng)，系統(tǒng)效率高，系統(tǒng)加載過程中形成的動載影響，基本被限制在液壓系統(tǒng)內(nèi)部，因此對電網(wǎng)沖擊很小。為了使加載系統(tǒng)能夠更充分利用計算機控制的優(yōu)越性，使加載參數(shù)的調(diào)節(jié)非常靈活方便，且系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能良好，可對各種復(fù)雜工況進行模擬，因此，基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)的加載系統(tǒng)是十分理想的。 由于二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的不同，其控制策略也不盡相同。對于二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)這種大型復(fù)雜的電液伺服系統(tǒng)，往往存在很強的非線性、時變不確定性和耦合干擾等因素，因此可以說模型的不確定性 在系統(tǒng)中廣泛存在。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，人們對控制系統(tǒng)的性能要求越來越高，基于數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制理論面臨著新的挑戰(zhàn)，遇到了難以克服的矛盾。由于數(shù)學(xué)模型的近似性和不確定性，非線性對系統(tǒng)的效應(yīng)、測量的不準確性、控制系統(tǒng)本身的參數(shù)變化等，人們在設(shè)計控制系統(tǒng)時，只能在近似和簡化的基礎(chǔ)上進行。但系統(tǒng)是否具有良好的動態(tài)性能 ,并對模型、初值、測量噪聲等不確定因素具有穩(wěn)健性，人們很難確定。因此針對當系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型存在不確定性因素（包括外部干擾和未建模動態(tài)）時，采用普通的控制方法，很難保證系統(tǒng)始終保持在所希望的控制 性能上，必須研究某種先進的控制方法，使系統(tǒng)獲得很強的魯棒性。 所謂“ 魯棒性 ” ，是指控制系統(tǒng)在一定（結(jié)構(gòu)，大?。┑膮?shù)攝動下，維持某些性能的特性。魯棒控制理論是處理以上各種不確定性問題的有力工具。 為解決如上一些問題，本課題主要研究考慮二次調(diào)節(jié)加載實驗臺魯棒控制及其仿真。本課題對以上諸問題的解決，對進一步補充和完善二次調(diào)節(jié)加載技術(shù)的理論及其控制策略、加載系統(tǒng)的分析與設(shè)計及其在實際中的應(yīng)用，都具有極其重要的理論意義和實際意義。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的研究發(fā)展與應(yīng)用 國內(nèi)外二次調(diào)節(jié)技術(shù)研究發(fā)展概況 二次 調(diào)節(jié)技術(shù)是 20 世紀 70 年代末 80 年代初開始發(fā)展起來的一種新型靜液傳動技術(shù)，近年來越來越受到人們的重視，它在諸如大型加載試驗臺、車輛傳動、造船工業(yè)、鋼鐵工業(yè)等許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，并表現(xiàn)出許多獨特的優(yōu)點。由于這項技術(shù)的成功利用，使得液壓技術(shù)向前推進了一大步。 二次調(diào)節(jié)技術(shù)起源于德國，從事這項技術(shù)的研究也主要限于德國。 1977 年，西德國防大學(xué)的 教授首先提出二次調(diào)節(jié)靜液傳動的概念。 1980 年， 教授和 先生開始利用單出桿變量油缸的二次元件進行液壓直接轉(zhuǎn) 速控制的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究。 1981 年， 教授采用雙出桿變量油缸的二次元件進行液壓直接轉(zhuǎn)速控制的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究。在這種液壓直接轉(zhuǎn)速控制的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，用測速泵來作為二次元件輸出轉(zhuǎn)速的檢測和反饋元件。由于測速泵的最小感知轉(zhuǎn)速較高，當所要求的轉(zhuǎn)速低于最小感知轉(zhuǎn)速時，不能真實地檢測轉(zhuǎn)速值。因此，這種系統(tǒng)的調(diào)速范圍比較小，最低工作轉(zhuǎn)速也比較高。 1982年開始研究液壓先導(dǎo)控制二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中有機液位移反饋調(diào)速和機液力反饋調(diào)速兩種調(diào)速形式。從 1983 年開始研究電液轉(zhuǎn)速控制的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)和電 液轉(zhuǎn)角控制的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在電液控制系統(tǒng)中，用測速電機作為二次元件輸出轉(zhuǎn)速的檢測和反饋元件，它的最小感知轉(zhuǎn)速低，系統(tǒng)的調(diào)速范圍大，消耗的能量少，系統(tǒng)的效率高。此后又有一系列關(guān)于對二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究，其中有對單反饋和雙反饋電液轉(zhuǎn)速控制二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究等。 1987 年， 為提高系統(tǒng)的控制性能，提出了數(shù)字模擬混合轉(zhuǎn)角控制系統(tǒng)，將經(jīng)過電液力反饋轉(zhuǎn)速控制的二次元件作為被控對象，用數(shù)字 PID 控制方法，實現(xiàn)位置(轉(zhuǎn)角 )、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率控制。 1993 年， 和 又研究了轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 控制的二次調(diào)節(jié)問題，其中包括對這種系統(tǒng)中兩個參數(shù)的解耦問題的研究。 1994 年， 先生研究了具有高動態(tài)特性的電液轉(zhuǎn)矩控制二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并在四輪驅(qū)動車上進行了實物試驗。 1995 年，德國力士樂公司為德累斯頓工業(yè)大學(xué)內(nèi)燃機和汽車研究所研制了大功率、用于旋轉(zhuǎn)試件并接近于實際運行條件的二次調(diào)節(jié)反饋控制試驗臺。從此，這一技術(shù)開始逐漸應(yīng)用到生產(chǎn)實際中，并不斷地擴大應(yīng)用范圍。目前在德國，這項技術(shù)已進入實用階段，在許多與液壓相關(guān)的領(lǐng)域獲得了成功利用。 國內(nèi)從 1989 年開始從事二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)的研究。哈爾濱工業(yè)大 學(xué)的謝卓偉博楊婷婷：二次調(diào)節(jié)加載試驗臺魯棒補償控制及其仿真 4 士首先對二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理及其機液，電液調(diào)速特性進行了理論分析，并于 1990 年在哈爾濱工業(yè)大學(xué)機械工程系液壓傳動與氣動實驗室內(nèi)的試驗臺上，用單片機組成閉環(huán)控制系統(tǒng)進行試驗研究，提出了用變結(jié)構(gòu) PID 控制算法來控制二次元件的轉(zhuǎn)速，并取得了一定的成果。 1992 年，蔣曉夏博士對二次元件的模型進行了一定的簡化，同時研究了用微機控制的二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并引入了僅需要輸入輸出信號的二次調(diào)節(jié)全數(shù)字自適應(yīng)控制系統(tǒng)。浙江大學(xué)的金力民等根據(jù)二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，研究了低速滯環(huán)問題，并采用非線性補償算法來克服低速滯環(huán)。 中國農(nóng)機研究所的閆雨良等也進行過二次元件調(diào)速特性的試驗研究，并且應(yīng)用到遙控裝載機行走液壓傳動系統(tǒng)中。同濟大學(xué)范基等進行了二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)的節(jié)能液壓實驗系統(tǒng)研究。 1995 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)姜繼海等人采用智能PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制等方法，分別對轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)角控制的二次調(diào)節(jié)進行了研究。1997 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的田聯(lián)房博士在國內(nèi)首次將二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)用于扭矩伺服加載技術(shù)中，并建立了二次調(diào)節(jié)加載試驗臺。同時，還進行了轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制以及它們之間解耦技術(shù)方面的研究，并將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制引入二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，形成了神經(jīng)模糊 PID控制方案。 2021 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電液伺服仿真及試驗系統(tǒng)研究所研制的“特種車輛輪橋加載試驗臺”，應(yīng)用德國 Rexroth 的二次元件，采用計算機控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及恒功率控制，系統(tǒng)技術(shù)含量高，可滿足車輛不同路況的模擬加載要求，是國內(nèi)首例應(yīng)用二次調(diào)節(jié)技術(shù)的成型產(chǎn)品。 二次調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用 由于二次調(diào)節(jié)靜液傳動技術(shù)有許多優(yōu)點，使得它在很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。如在有位能變化的機械中：起重機械、搬運機械、卷揚機械、礦井提升機械以及索道機械等，利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)可以回收其位能；對于往復(fù)運動機 械，在頻繁的啟動、制動過程中會產(chǎn)生和消耗許多慣性能，利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)，不僅可以儲存慣性能還可以在啟動時釋放所儲存的能量，以利于加速啟動，提高工作效率。 二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)除了具有可回收能量和重新利用的特點外，其最突出的優(yōu)點在于它同數(shù)字控制的完美結(jié)合，可靈活方便地實現(xiàn)各種控制，使系統(tǒng)獲得相當高的動態(tài)性能，因而可利用二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)來模擬各種復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，這種系統(tǒng)特別適用于各種旋轉(zhuǎn)試件的模擬加載、性能測試等試驗。圖 11所示為二次調(diào)節(jié)技術(shù)用于旋轉(zhuǎn)試件試驗臺的實例。在這種試驗臺上可進行液壓泵、馬達、內(nèi)燃機、皮帶輪、車 輛輪胎、齒輪箱等旋轉(zhuǎn)試件的模擬加載、性能測試等試驗。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 魯棒控制理論 電液伺服系統(tǒng)控制理論的發(fā)展 PID 控制即比例 積分 微分控制，是最早發(fā)展起來的控制策略之一，是古典控制的代表，適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)。 20世紀中期，自適應(yīng)控制方法發(fā)展起來，它在一定程度上解決了系統(tǒng)的非線性和時變性等問題 , 其性能比常規(guī) PID 控制、最優(yōu)控制等大大地前進了一步。目前，有許多國外學(xué)者將自適應(yīng)控制理論成功應(yīng)用于電液伺服控制領(lǐng)域，國內(nèi)一些大專院校在這方面也進行了卓有成效的研究工作。但自適應(yīng)控制要求在控 制過程中獲得較多有關(guān)系統(tǒng)的信息，受到許多約束條件的限制，尤其在較復(fù)雜的電液伺服控制系統(tǒng)中，要同時解決穩(wěn)定性、魯棒性、通用性、算法復(fù)雜與快速性之間矛盾等問題，還存在困難，所以自適應(yīng)控制目前在國內(nèi)電液伺服控制領(lǐng)域中的實際應(yīng)用還不是很多。模糊控制是 20 世紀 70 年代開始發(fā)展起來的一種控制策略，它是以模糊集合論、模糊語言變量、模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。從線性與非線性角度來分類，它屬于非線性控制；從控制器的智能性來看，它屬于智能控制的范疇。 20世紀 80 年代初 Zames 提出的以系統(tǒng) ∞ 范數(shù)為性能指標的 H?控 制理論是目前解決魯棒控制問題比較成功且比較完善的理論體系，它一定程度上彌補了現(xiàn)代控制理論對數(shù)學(xué)模型依賴過高的缺陷。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是從 20 世紀 80 年代興起的一種智能控制理論，它是繼模式識別、人工自學(xué)習(xí)控制和異步自學(xué)習(xí)控制之后的新一代控制方法。它是依據(jù)人們現(xiàn)有的對人腦思維過程研究和掌握的基礎(chǔ)，采用物理可實現(xiàn)的裝置來模擬人腦神經(jīng)細胞結(jié)構(gòu)和功能的系統(tǒng)。 魯棒控制理論 現(xiàn)代控制 理論是本世紀 60 年代以后發(fā)展起來的控制理論，基于現(xiàn)代控制理論及由此而產(chǎn)生的所有 控制理論 ，都是從受控對象的精確模型出發(fā)。 然而，在各種工 業(yè)生產(chǎn)過程、生產(chǎn)設(shè)備、運輸系統(tǒng)以及其它眾多的被控對象，他們的動態(tài)特性一般都難以用精確的數(shù)學(xué)模型進行描述；有時即使獲得被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，但由于過于復(fù)雜，利用現(xiàn)有的控制系統(tǒng)設(shè)計手段也無法實現(xiàn)，因而不得不進行簡化；此外，隨著生產(chǎn)過程中工作條件環(huán)境變化，控制系統(tǒng)中元器件老化或損壞，被控對象本身的特性也會隨之發(fā)生變化；眾多因素導(dǎo)致所建立的數(shù)學(xué)模型和實際的被控對象不可避免地存在誤差及不確定性。自然地，人們希望有一種控制系統(tǒng)分析和設(shè)計方法，能按照已掌握的被控對象的數(shù)學(xué)模型及關(guān)于模型不確定性的某些信息來指導(dǎo)控制系統(tǒng)的 分析和設(shè)計，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定或滿楊婷婷：二次調(diào)節(jié)加載試驗臺魯棒補償控制及其仿真 6 足某種性能指標?；谶@一思想，魯棒控制理論很好的解決以上問題，它也發(fā)揮了其本身的優(yōu)越性能。 論文主要研究內(nèi)容 1） 系統(tǒng)建模。通過對二次調(diào)節(jié)加載試驗臺的原理及其特性進行系統(tǒng)的分析，首先建立了二次調(diào)節(jié)加載試驗臺的精確數(shù)學(xué)模型，畫出整個系統(tǒng)的方塊圖；又在此精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，忽略整個加載試驗臺的柔性環(huán)節(jié)，建立其簡化的數(shù)學(xué)模型并繪制其簡化方塊圖。 2） 頻域和時域特性分析。利用二次調(diào)節(jié)加載試驗臺的簡化方塊圖，對模擬加載實驗臺的閥控缸、驅(qū)動單元轉(zhuǎn)速控制、二次輸出加載單元轉(zhuǎn) 矩控制等系統(tǒng)進行頻域特和時域特性分析，并通過 Matlab 軟件進行仿真，通過把傳統(tǒng)的 PID 控制與動態(tài)魯棒補償控制相比較，分析并找出柔性環(huán)節(jié)的影響所在和驗證了動態(tài)魯棒補償方法的優(yōu)越性。 3） 控制策略研究。在對古典控制、現(xiàn)代控制和智能控制等各種控制方法有所了解的基礎(chǔ)上，重點研究解決適合于本二次調(diào)節(jié)模擬加載試驗臺的動態(tài)魯棒補償控制方法，并對其進行仿真分析與研究。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 2 二次調(diào)節(jié)模擬加載試驗臺的數(shù)學(xué)模型 模擬加載試驗臺組成與原理 試驗臺各部分組成及其功用 二次調(diào)節(jié)加載試驗 臺組成如圖 2－ 1 所示。 二次元件雙聯(lián)二次元件雙聯(lián)變速器驅(qū)動變速器二次輸出加載試件恒 壓 油 源驅(qū) 動 模 擬 單 元 二 次 輸 出 加 載 單 元低 壓 恒 壓 網(wǎng) 絡(luò)高 壓 恒 壓 網(wǎng) 絡(luò)1234 56 圖 2－ 1 加載試驗臺組成 Constitution of loading testbed rig 該加載試驗臺由恒壓油源及管路系統(tǒng) 、 模擬加載系統(tǒng) 、 控制系統(tǒng) 、 機械臺架四部分組成。恒壓油源為整個模擬加載單元提供恒定壓力，同各種液壓元件及管路一起構(gòu)成恒壓網(wǎng)絡(luò)。恒