【導(dǎo)讀】的自動(dòng)控制是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)等的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。支油缸，上、下各六只萬(wàn)向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，可用到空間宇宙飛船的對(duì)接，空中加油機(jī)的加油對(duì)接中。在加工業(yè)可制成六軸。聯(lián)動(dòng)機(jī)床、靈巧機(jī)器人等。由于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制，涉及機(jī)械、液壓、高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標(biāo)志性象征。1．查閱資料，了解國(guó)內(nèi)外多自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。3．建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,使用PID控制方式提高系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，由于有極為廣闊的應(yīng)用前景，可以完成在空間六個(gè)自由度（X，Y，平臺(tái),平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定,流暢。為平臺(tái)控制的進(jìn)一步改進(jìn)和完善奠定了基礎(chǔ)。

　　

【正文】 流量為： m i Lqkq vp ????? 工進(jìn) 2 時(shí)泵的流量為： m i Lqkq vp ????? 根據(jù)上面計(jì)算的壓力和流量，查產(chǎn)品樣本，選用 MAYBN ?? 型的限壓式變量葉片泵，排量為 rmL15 ，該泵的壓力調(diào)節(jié)范圍為 ? ?~ ，額定轉(zhuǎn)速 min1500r 。 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 電機(jī)的選擇 m i i 01015 3 LLvnq v ?????? ?? 根據(jù)以上計(jì)算，知道快進(jìn)時(shí)功率最大，故按快進(jìn)時(shí)估算電機(jī)功率。 差動(dòng)快進(jìn)時(shí)，壓力油經(jīng)三位四通閥，二位二通閥 1 和二位二通閥 2 進(jìn)入液壓缸大腔，大腔壓力 MPaPP j ?? ,由已知條件知 , MPaP ??? 于是泵的出口壓力為 . MPaPp ? 總效率 ?? 。 KWWqPP p 36111 ??? ????? ?? 查手冊(cè)，選用 Y90S4 型電動(dòng)機(jī)，其額定功率為 ，額定轉(zhuǎn)速為 1400r/min。 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 4 液壓油路設(shè)計(jì) 液壓設(shè)備外接線路 設(shè)計(jì)原理如下圖： 圖 液壓缸設(shè)計(jì)原理圖 原理說(shuō)明： ㈠、利用液壓油泵供油，出油泵以后首先接入“電磁溢流閥（ YB YB2）”，由“電磁溢流閥”決定下一步的油壓。（這一項(xiàng)通過(guò) PLC 控制） ㈡、“電磁換向閥（ YA YA YA3）”在中間位置（ YA3）時(shí)，泵輸送的油完全泄入油缸，油缸不工作；在左邊位置（ YA1）時(shí)，活塞正向運(yùn)動(dòng)；在右邊位置（ YA2）時(shí)，活塞負(fù)向運(yùn)動(dòng)。（這一項(xiàng)通過(guò) PLC控制） ㈢、“調(diào)速閥（ YC YC2）”對(duì)輸入油缸正向的油壓大小進(jìn)行控制，可以調(diào)節(jié)到需要的尺度。（這一項(xiàng)通過(guò) PLC 控制） ㈣、油缸處于正向工作狀態(tài)的時(shí)候，濾油器可以對(duì)液壓油進(jìn)行過(guò)濾。 ㈤、油缸行程的始端和末端有行程開關(guān)，控制活塞停止和運(yùn)動(dòng)。（這一項(xiàng)通過(guò) PLC 控制） 操作板 PLC 控制面板如下圖： 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 圖 PLC 控制面板 控制步驟及解釋： ㈠、泵開啟按鈕選擇是否開啟額定壓力（通過(guò)“電磁溢流閥”控制泵輸出壓力）； ㈡、速度按鈕選擇活塞運(yùn)行速度（通過(guò)“調(diào)速閥”控制）； ㈢、自動(dòng)回程按鈕選擇是否自動(dòng)回程（默認(rèn)不自動(dòng)回程）； ㈣、正向按鈕活塞正向運(yùn)動(dòng)； ㈤、負(fù)向按鈕活塞負(fù)向運(yùn)動(dòng)； ㈥、急停按鈕在任何情況下停止活塞運(yùn)動(dòng)； ㈦、復(fù)位按鈕在任何情況下停止活塞運(yùn)動(dòng)并等待一秒鐘時(shí)間后返回初始位置； （注：如果泵壓力按鈕選擇關(guān)閉，則其他部件全部失效，用于完全停止液壓缸的運(yùn) 行） 程序地址分配 利用德國(guó)西門子 STEP7200 編程，共使用三個(gè)芯片板，下表中已標(biāo)明各地址分配值的具體作用，沒(méi)有標(biāo)出符號(hào)的地址只用于程序內(nèi)部，不用做外部直接輸出。 地址分配表格如下： 表 41 地址分配表 序號(hào) 地址 符號(hào) 備注 1 SB1 活塞正向運(yùn)行 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 2 SB2 活塞負(fù)向運(yùn)行 3 SB3 活塞急停 4 SQ1 行程末端開關(guān)觸發(fā) 5 SQ2 行程始端開關(guān)觸發(fā) 6 SS1 泵供油開通 7 SS2 泵供油關(guān)閉 8 SF 全部復(fù)位 9 SG1 選擇 3m/s行進(jìn)速度 10 SG2 選擇 6m/s行進(jìn)速度 11 SZ1 活塞自動(dòng)回程開啟 12 SZ2 活塞伸出到位停止 13 YA1 電磁換向閥正向位 14 YA2 電磁換向閥負(fù)向位 15 YA3 電磁換向閥中間位 16 YB1 溢流閥值 4MP 17 YB2 溢流閥值 0MP 18 鎖時(shí)（程序內(nèi)部使用） 19 YC1 調(diào)速閥 3m/s位 20 YC2 調(diào)速閥 6m/s位 21 自動(dòng)回程（內(nèi)部使用） 芯片接線圖 接線圖 1： 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 圖 接線圖 1 注釋： SQ SQ2 是行程開關(guān)的動(dòng)合觸點(diǎn)，活塞到達(dá)行程的始端和末端會(huì)壓合觸點(diǎn)，執(zhí)行相應(yīng)的程序控制液壓缸的動(dòng)作。 接線圖 2： 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 圖 接線圖 2 接線圖 3： 圖 接線圖 3 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 PLC 程序指令： ①、選擇活塞速度 圖 選擇活塞速度 PLC 指令圖 ②、選擇是否自動(dòng)回程 圖 選擇是否自動(dòng)回程 PLC 指令圖 ③、選擇油泵工作是否有效 如果油泵有效，意味著溢流閥保持在 4MP 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 圖 選擇油泵工作是否優(yōu)先 PLC 指令圖 ④、正向運(yùn)行 圖 正向運(yùn)行 PLC 指令圖 ⑤、負(fù)向運(yùn)行 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 圖 負(fù)向運(yùn)行 PLC 指令圖 ⑥、急停 無(wú)論正向還是負(fù)向運(yùn)行，都會(huì)立即停止。 圖 急停 PLC 指令圖 ⑦行程始端末端自動(dòng)停止 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 圖 行程始端末端自動(dòng)停止 PLC 指令圖 ⑧、自動(dòng)回程 如果開始選擇了自動(dòng)回程（事實(shí)上在油缸運(yùn)作中也可以對(duì)此項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置），活塞完全伸出后，等待時(shí)間為 1m，之后自動(dòng)返回初始位置。 圖 自動(dòng)回程 PLC 指令圖 ⑨、復(fù)位 首先全部動(dòng)作停止 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 圖 復(fù)位 PLC 指令圖 之后等待 1m，活塞自動(dòng)回到初始位置。 圖 活塞延時(shí)回到初始位置 PLC 指令圖 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 5 液壓伺服系統(tǒng)的建模與仿真 六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 本文研究的模擬機(jī)六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由液壓驅(qū)動(dòng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由控制計(jì)算機(jī)、作動(dòng)器、液壓泵站、控制板卡和各類接口、現(xiàn)場(chǎng)總線、傳感器等組成 ,總體結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 平臺(tái)控制示意圖 主控 計(jì)算機(jī) (Host industrialPC)通過(guò) HSSL(HighSpeed SerialLink)與控制板卡實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、讀取 ,同時(shí)通過(guò) FIP(Factory Instrumentation Protocol)與液壓泵站和集成板卡進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。控制板卡和作動(dòng)器之間 ,作動(dòng)器和液壓泵站之間都有位置和壓力反饋回路 ,形成閉環(huán)控制 ,以實(shí)現(xiàn)精確控制的目標(biāo)。來(lái)自主控計(jì)算機(jī)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)指令通過(guò) HSSL 和集成板卡上的 MIO DSP(modular input/output),與來(lái)自作動(dòng)器上的位置和壓力傳感器信號(hào)作偏差 ,通 過(guò)控制算法將結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號(hào) ,控制伺服驅(qū)動(dòng)放大器 ,最后將結(jié)果輸出到伺服閥 ,通過(guò)控制伺服閥的接通和斷開 ,調(diào)節(jié)六個(gè)作動(dòng)器的伸縮運(yùn)動(dòng)。模擬出與與操作相匹配的上平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。 數(shù)學(xué)模型的建立 對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的研究主要是對(duì)電液伺服閥閉環(huán)回路進(jìn)行研究。電液伺服閥是一種最基本和最常用的液壓伺服系統(tǒng)。主要用于控制進(jìn)入作動(dòng)器的液流的方向和速率 ,在電液伺服控制系統(tǒng)中 ,伺服閥的功能是將電氣信號(hào) (電壓、電流 )變成液壓信號(hào) (壓力、流量 )。在進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的同時(shí) ,將信號(hào)放大。電液伺服閥通常由力矩馬達(dá)、液壓放大器、反饋機(jī)構(gòu)三部分組 成。具有響應(yīng)速度快、輸出功率大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。力矩馬達(dá)的輸出力矩很小 ,無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)功率級(jí)閥的運(yùn)動(dòng) ,此時(shí)需要增加液壓前置級(jí) ,將力矩馬達(dá)的輸出進(jìn)行放大處理 ,進(jìn)一步控制功率閥 ,這就構(gòu)成了多級(jí)電液伺服閥。本文研究的機(jī)構(gòu)采用的是 MOOG 二級(jí)電液伺服閥。其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 圖 電液伺服閥 單個(gè)作動(dòng)器的數(shù)學(xué)模 型 單個(gè)伺服控制系統(tǒng)的輸出 Y 對(duì)輸出 X 的部分傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?? ? 2223 122412hvhhhtCEetCEhvKsssFsKvAKKsUsYsG h???????????????? ???? （ 1） 式 (1)中 ,Kv 為系統(tǒng)的電液伺服閥、電子伺服放大器的傳遞函數(shù)；ω h 為液壓缸的固有頻率；KCE 為總流量 壓力系數(shù)；δ h 為阻尼比；β e 為液壓油的體積彈性模量； A1 為液壓缸活塞有效面積； vt 為液壓缸左右腔及其與伺服閥連接管路的體積之和； Ft為集中考慮作用在液壓主動(dòng)關(guān)節(jié)上的等效干擾力。 根據(jù)系統(tǒng)的特征參數(shù)，取 Kv=， ω h=320Hz， δ h=， β e=7*108Pa， vt=*104m3，F(xiàn)t=1000N， KCE=*1012m5/(S N)， A1=*104m2，傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化為： ? ? ? ?? ? 6102400128 23 ??? ???? sss ssU sYSG 系統(tǒng)的控制及仿真 基于常規(guī) PID 的控制系統(tǒng)仿真研究 常規(guī)的 PID 控制器因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)物理意義明確、被控對(duì)象適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性優(yōu)良等顯著特點(diǎn) ,在各種控制理論不斷出現(xiàn)的今天 ,在工業(yè)控制領(lǐng)域仍然占有很大的比重。 PID 是按偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)組合而成的控制規(guī)律。比例控制簡(jiǎn)單易行 ,積分的加入能消除靜差 ,微分項(xiàng)則能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ,改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在已知傳遞函數(shù)的情況下 ,需要合理的選取比例、積分、微分系數(shù) ,以便獲得滿意的系統(tǒng)性能。 在本文中針對(duì)控制閉環(huán)回路在 Matlab 中繪制對(duì)應(yīng)的根軌跡圖 ,確定傳遞函數(shù) PID 控制中比例環(huán)節(jié)的臨界值。然后反復(fù)調(diào)試整定 ,確定 Kp 的值為 20。最后根據(jù)臨界增益和臨界周期調(diào)整法則 ,對(duì) Ki 和 Kd 的值進(jìn)行選取。最后確定為 ： 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 ,12,20 ??? dip KKK 基于 BP 神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法 PID 控制器主要的局限是在于它對(duì)被控對(duì)象的依賴性 ,一般需要預(yù)先知道被控對(duì)象的傳遞函數(shù)才能進(jìn)行設(shè)計(jì) ,而這在工業(yè)設(shè)計(jì)中往往很難做到。雖然可以采用一些近似的工程整定方法來(lái)選擇 PID 參數(shù) ,但是仍需反復(fù)調(diào)試與實(shí)驗(yàn) ,一般很難做到最優(yōu)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法具有很強(qiáng)的非線性映射能力 ,不需要事先了解描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。并且具有一定的容錯(cuò)能力 ,即輸入樣本中有個(gè)別錯(cuò)誤時(shí) ,對(duì)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出規(guī)律影響很小。能逼近任意非線性函數(shù) ,可以處理那些難以用模型和規(guī)則描述的過(guò)程 ,在一些不確定系統(tǒng)的控制中已成功的應(yīng)用。六自由 度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制具有高度非線性 ,而且在載荷的作用下 ,對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很強(qiáng)的外干擾。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 PID 控制相結(jié)合 ,即在常規(guī) PID 控制的基礎(chǔ)上增加一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ,用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線調(diào)整 PID 參數(shù)。可以取得更好的控制效果。 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 PID 控制器如圖 4 所示。控制系統(tǒng)由兩部分組成 ,傳統(tǒng)的 PID 控制器和 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況調(diào)節(jié) PID 參數(shù) ,使輸出層對(duì)應(yīng)的三個(gè)參數(shù)通過(guò)自學(xué)習(xí)、權(quán)系數(shù)調(diào)整 ,不斷趨于最優(yōu)。 圖 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 PID 控制器 整個(gè)控制系統(tǒng)采用 353 結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制 ,其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。輸入的 3 個(gè)量分別為設(shè)定值和實(shí)際值 ,以及誤差值。輸出則對(duì)應(yīng)三個(gè)可調(diào)參數(shù) ： Kp、 Ki、 Kd。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)、權(quán)系數(shù)調(diào)整 ,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)某種最優(yōu)控制規(guī)律下的 PID 控制參數(shù)。 圖 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸入為 ： ? ? ? ? ? ? ? ?? ?kxkxkxhx n, 21 ?? （ 2） 網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入、輸出參數(shù)為 ： 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ?? ?phkhifkhophbkxwkhihhhni iihh,2,1,2,11??????? ?? （ 3） 式 (2)中的 n 為輸入層所含神經(jīng)元的個(gè)數(shù) ,取為 3。 式 (3)中 bh 為隱 含層的閥值 ,wih 為隱含層神經(jīng)元的加權(quán)系數(shù)。 隱含層的激活函數(shù)為正切 sigmoid 函數(shù)。 ? ? ? ? xx xx ee eexxf ?????? t a nh （ 4） 式 (4)能將神經(jīng)元的輸入范圍從 (], +])映射到 (1, +1)的范圍內(nèi) 。 網(wǎng)絡(luò)輸出層