基于AMESim与MATL...机电液比例流量控制系统设计_汪红星.pdf

o 基于 与 的注油机电液比例流量控制系统设计汪红星，朱 华，潘政阳（南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京）摘 要：为满足注油机对流量控制的高精度要求，首先完成了注油机液压系统的设计，又以注油机电液比例流量控制系统为研究对象，分别利用 与 建立了液压系统模型与控制器模型，并通过联合仿真分析了系统在 控制与模糊自适应 控制下的控制效果。仿真结果表明：与 控制相比，注油机电液比例流量控制系统在模糊自适应 控制下其动态特性与控制精度得到明显提升。最后搭建了注油机电液比例流量控制系统测试平台，通过实验测试验证了仿真的准确性，表明了注油机电液比例流量控制系统的有效性。关键词：注油机；流量控制；模糊自适应；联合仿真中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）o o ooo o oo o o o gg，gg（oo o oo o ，oo o，）：o o o o o oo o o，o o o o，o oo o ，oo o oo oo o o o o o o oo，oo o o ooo o oo o oo，o o o o o ooo o oo o o o o o o oooo o oo ：o ；o oo；oo收稿日期：基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项目（）作者简介：汪红星（），男，山东济宁人，硕士研究生，主要研究方向为精密驱动与控制。引言注油机是智能制造的一个重要功能装备，在航空航天、精密仪器、汽车工业、家用电器等行业占有重要地位，如压缩机注油、变压器注油、电机注油等，对注油精度的要求也越来越高。以压缩机为例，加注冷冻油是压缩机生产过程中的关键环节，冷冻油能够起到润滑、密封、降温及能量调节等功能，由于冷冻油加注量会影响压缩机的制冷性能，所以压缩机要求注油量精准、频次高。综上，提高注油流量的控制精度，是注油机生产厂家必须面对和解决的一个问题。而拥有一套结构简单、性能优越的液压控制系统和与之相配合的控制算法是提高控制系统精度的有力保证。软件专门用于机械液压领域的建模仿真，运用图形化的物理建模方式，简单便捷，让设计者专注于系统建模设计，并且提供了与其他软件交互的丰富的接口模块。是功能强大的仿真集成软件，具有优秀的数值运算处理能力，还包含多样的基本功能模块库和各领域的专业工具箱。将 与 相结合，在 中完成复杂的机械液压系统建模，在 中完成控制器的设计，各自处理各自领域擅长的部分，液压气动与密封年第期从而获得更加精确的模型和更加准确的仿真结果。本文首先完成了注油机液压系统的设计，又以注油机电液比例流量控制系统为研究对象，针对电液比例系统存在的时变、非线性等问题，分别利用 与 建立了系统的液压系统模型与控制器模型，通过联合仿真分析了系统在 控制与模糊自适应 控制下的控制效果。最后搭建了注油机电液比例流量控制系统测试平台，通过实验测试验证了仿真的准确性，表明了注油机电液比例流量控制系统的有效性。注油机液压系统及电液比例流量控制系统设计1.1 注油机液压系统设计图 为注油机液压系统原理图。油箱 设有泄油阀，用于定期换油以及清理油箱内沉淀物；设有液位计 与液位控制继电器 ，并配备液位发讯装置，用于实现油箱内的液位控制；设有加热器 、与温度传感器，用于实现油液的温度控制；设有空气过滤器，用于保持油泵 的自吸能力以及滤除空气中的灰尘杂物，兼作加油口用；设有电机，用于驱动油泵 吸油。油路上设有粗过滤器 与精过滤器 ，粗过滤器 用于过滤油泵吸油前油液中的大颗粒杂质，精过滤器 用于过滤吸油后油液中的小颗粒杂质；设有单向阀，用于吸油止回；设有溢流阀，用于系统的压力调节；设有压力表 和压力传感器，用于压力检测与显示。油箱 泄油阀 液位计 加热器 空气滤清器 温度传感器 过滤器 电机 油泵 单向阀 溢流阀 压力表 压力传感器 电液比例阀 节流阀 流量传感器 电磁通断阀 注油枪图 注油机液压系统原理图1.2 注油机电液比例流量控制系统设计注油机电液比例流量控制系统主要由指令元件、控制器 模糊自适应 控制器、比例放大器、电液比例阀、流量传感器、电磁通断阀组成。图 为注油机电液比例流量控制系统原理图，其工作原理为：指令元件给定输入信号（即流量信号），注油触发，电液比例阀、电磁通断阀 打开，流量传感器 实时检测输出流量值，并转换为反馈信号（反馈量）与给定输入量相比较，若二者存在偏差，则该偏差值会被送入到 控制器与模糊自适应 控制器中进行处理，处理后的控制量作用于电液比例阀，驱动阀芯运动改变阀口的开度，从而改变输出流量，直到实际的输出流量与给定的输入流量相等，最终实现实际的输出流量能较好的跟踪给定的输入流量信号。图 电液比例流量控制系统原理图 模糊自适应 控制器设计模糊自适应 控制结合了 控制理论和模糊控制理论，利用模糊控制算法在线调整 控制参数。既拥有 控制的原理简单、操作便捷、鲁棒性好等优点，又具有模糊控制的自适应能力与灵活性。本文将模糊自适应 控制应用于注油机电液比例流量控制系统中，实现对系统输出流量的精确控制，模糊自适应 控制原理如图 所示。图 模糊自适应 控制原理图本文设计了一个二输入三输出的模糊自适应 控制器。在 控制的基础上，以系统的偏差 与偏差的变化率 c 作为模糊控制的输入量，以 控制的三个修正参数、作为模糊控制的输出量，并找出输入量、c 与输出量、之间的模糊关系，在控制系统的运行过程中实时检测输出量、o、，然后依据相应的模糊控制规则进行模糊逻辑推理实时调整输出量、，最终将 控制的三个初始参数、与调整得到的输出量、相加得到模糊自适应 控制器的控制量、，如式（）所示：（）模糊自适应 控制器的设计主要分为输入输出量的模糊化（）、建立模糊控制规则、输出量的解模糊化（）三个步骤。2.1 输入输出量的模糊化（D/F）模糊控制的输入量、c 为精确值，不能作为控制量进行模糊控制，只有将它们模糊化（）转换为模糊值才能进行模糊逻辑推理。输入参数与输出参数的模糊语言变量分别为、c、，将各参数的模糊论域子集设为 个等级，分别为、，模糊子集隶属度函数设置：等级 的取值偏小，选择 型隶属度函数；等级 的取值偏大，选择 型隶属度函数；中间的等级选择灵敏度较好的 型隶属度函数。2.2 建立模糊控制规则模糊控制规则的确定是根据专家与设计者的经验或实践得出的控制参数，使模糊控制器按照实际需求实现参数的在线自适应调整。模糊控制规则构成被控过程的模糊模型，如式（）所示，控制器对输入量、c 进行比例、积分、微分运算处理从而得到所需的输出量：（）（k）（）k（）（）（k）（k ）（）2.3 输出量的解模糊化（F/D）经过模糊逻辑推理运算后，得到的模糊输出量还不能作为控制量直接控制注油机电液比例流量系统，需要对该模糊输出量进行解模糊化（）转变成精确值才能使用。为得到精确的控制量，需要解模糊算法能精确地表达出隶属度函数计算结果，解模糊化算法主要有最大隶属度法、加权平均法、取中位数法等，都是利用模糊论域和隶属度函数来精确计算的，本文采用工业控制中使用较为广泛的加权平均法进行解模糊化（）。按照上述步骤设置模糊论域子集与隶属度函数进行模糊化（）、确定输出参数、的模糊控制规则、利用加权平均法进行解模糊化（），最终得到模糊 参数的自适应调整三维示意图，如图 所示。图 模糊 参数自适应调整 仿真和实验对比验证分析3.1 基于 AMESimMATLAB/Simulink 联合仿真 与 是两款优秀的建模仿真软件，将两者结合进行联合仿真，既可以发挥 在机械液压领域优秀的仿真性能，又可以依靠 强大的数值处理能力，优势互补，从而获取优秀的仿真效果。3.2 基于 AMESim 搭建液压系统模型为了分析对比系统在 控制与模糊自适应 控制下的控制效果，在 中搭建液压系统模型，对相应液压元件的基本参数进行设置，如表 所示。同时添加与 联合仿真的接口模块o 将两款软件进行连接。o 的作用是将 的液压系统模型导入到 中进行数值运算，其输入端为流量传感器的流量信号（），输出端为通过 运液压气动与密封年第期算得到的电液比例阀的控制信号（）。系统通过接口模块将流量传感器的流量信号（）传递到 控制模型中，通过计算得到输出信号（）作用于电液比例阀，阀芯运动促使阀口开度增加或减小，从而控制系统输出流量。在 搭建的系统物理模型如图 所示。表 液压元件基本参数设置元件名称参数设置值液压泵排量 转速 溢流阀开启压力 单向阀开启压力 比例阀额定电流 压降 额定流量 固有频率 阻尼比 流量传感器增益通断阀额定电流 图 液压系统仿真模型3.3 基于 MATLAB/Simulink 搭建系控制器模型在 中搭建 控制器与模糊自适应 控制器，其中控制算法全部使用 中的 o 实现，同时添加与 联合仿真的接口模块 o 将两款软件进行连接。o 的作用是对导入的 的液压系统模型进行数值运算，其输入端为通过控制器运算得到的电液比例阀的控制信号（），输出端为流量传感器的流量信号（）。在 中搭建的控制器仿真模型如图 所示。图 控制器仿真模型3.4 联合仿真结果分析基于图、图 搭建的液压系统模型与控制器模型进行 控制与模糊自适应 控制的联合仿真。输入幅值为 的阶跃信号，两种控制系统下的仿真跟踪效果如图 所示。与 控制相比，系统在模糊自适应 控制下超调量由 减小到，上升时间由 减少到 ，调节时间由 减小到 ，两种控制系统下阶跃信号的仿真跟踪结果对比如表 所示。图 联合仿真阶跃信号跟踪结果对比表 两种控制系统下阶跃信号仿真跟踪结果对比控制方式超调量上升时间 调节时间 控制 模糊 3.5 实验测试为了验证仿真的准确性，通过实际的注油机电液 o比例流量控制系统实验测试与仿真结果进行对比。根据设计需要，搭建了注油机电液比例流量控制系统测试平台，如图 所示，测试平台主要由：组态监控触摸屏、控制器、数模转换器、电液比例阀、流量传感器、液压站等组成。液压站包含电机、油泵、溢流阀、过滤器等辅助元件。测试流程：由液压站提供液压油源，组态监控触摸屏设定注油流量信号，通过控制器经过 转换给定电液比例阀位移信号驱动阀芯位移，流量传感器实时采集流量信号经过 转换反馈给控制器。图 注油机电液比例流量控制系统测试平台结合搭建的注油机电液比例流量控制系统测试平台进行实验测试，得到了的阶跃信号跟踪的实测曲线，将实验跟踪结果与仿真跟踪结果进行对比，如图 所示。图 阶跃信号跟踪仿真与实验结果对比表 阶跃信号跟踪仿真值与实测值对比超调量上升时间 调节时间 仿真值 实测值 根据图、表 所示，将实验结果与仿真结果进行对比，在考虑到一些实际外界因素干扰产生的误差下，流量阶跃信号跟踪实测数据与仿真数据基本吻合，实验测试验证了仿真的准确性，表明了注油机电液比例流量控制系统的有效性。结论（）本文首先完成了注油机液压系统的设计，又以注油机电液比例流量控制系统为研究对象，分别利用 与 建立了液压系统模型与控制器模型，并通过联合仿真分析了系统在 控制与模糊自适应 控制下的控制效果。仿真结果表明：与 控制相比，注油机电液比例流量控制系统在模糊自适应 控制下其动态特性与控制精度得到了明显提升。（）搭建了注油机电液比例流量控制系统测试平台，测试平台实验结果与仿真结果基本吻合，验证了仿真的准确性，表明了注油机电液比例流量控制系统的有效性。参考文献 郝帅，袁卓立，黄豪彩，等 深海液压系统专用注油装置的设计 液压与气动，（）：张宁，朱海鹏 电动注油机的设计制造与应用 内燃机与配件，（）：郭玲，龚雪 液压系统设计 北京：化学工业出版社，黄志坚 电液比例控制及应用实例 北京：化学工业出版社，付永领，齐海涛 系统建模和仿真实例教程 北京：北京航空航天大学出版社，刘昕晖，陈晋市 仿真技术在液压系统设计分析中的应用 液压与气动，（）：唐穗欣 控制系统仿真教程 武汉：华中科技大学出版社，刘金琨 先进 控制 仿真 第 版 北京：电子工业出版社，杨璐，雷菊阳 基于 的参数自整定模糊 控制器的两种设计方法 计算机测量与控制，（）：周伟安，应济，王硕，等 注塑机闭环电液比例伺服系统设计与速度控制研究 塑料工业，（）：陈婷 压电驱动精密流