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变构造扼制办法在物料试验机内的践行咗

时间:2021年12月02日

变构造扼制办法在物料试验机内的践行

系统建模电液伺服材料试验机是材料力学试验机中精度高的一种试验机,是研究材料的力学性能、模拟零件、部件,甚至整机在实际使用状态下的力学性能的有力试验手段,由于材料试验机上装备有位置、速度、压力控制系统,所以它还是电液伺服变结构控制方法系统控制技术研究的理想试验台。  本论文采用实验室建造的材料试验机中的电液伺服阀控制液压动力机构作为实验对象。计算机主机采用的是PIV-2.4G,并配有NI公司的数据采集卡PCI-6024E板等外设的接口板。位移传感器用于完成对活塞杆位置的检测,位移传感器输出的位置信号经过端子板送到计算机进行处理。系统的输入信号通过软件来给定,系统的输出信号即位移信号经过端子板送入计算机进行处理。计算机实时控制系统如1所示。  根据系统的流量方程、力平衡方程等经简化可得到系统的传递函数为:(4)式中ωh―液压固有频率(5)ξh―阻尼比(6)式中―液压缸活塞的面积;―油液的有效体积弹性模量;―总压缩容积;―活塞、油液及负载等效到活塞上的总质量;―活塞以及负载的粘性阻尼系数;―伺服阀的静态-流量放大系数(即在一定的供油压力下,伺服阀额定流量与额定电流的比值,也称流量增益);―伺服放大器放大增益;―位移传感器放大增益;―传感器所测得的实际位移;―控制器的输出指令。  当考虑弹簧负载时,系统可简化为下式:(7)式中ω0―综合固有频率(8)ξ0―液压阻尼比(9)ωr―惯性环节的转折频率(10)式中K―负载弹性刚度;Kce―总流量-压力系数。  变结构控制策略的选取控制策略的选择包括两个设计原则:(a)选择切换函数使滑动模态具有良好的动态特性,使系统渐进稳定,达到控制系统的动态品质要求;(b)选择控制函数保步骤如上证滑动模态的存在已不再局限于1些结构件,满足可达性条件,也就是说在以外的任意点均能在有限的时间内达到切换面。在本节中为了方便切换面系数的选取,将式(7)中的伺服阀简化为比例环节,则该式变为:(11)假定yr为给定输入信号,定义系统的偏差向量为:[e1e2e3]=[yr-yyr-yyr-y](12)则写出以偏差向量为状态变量的控制系统状态方程:e1=e2e2=e3(13)e3=-a2e2-a3e3-bu+fr式中a2=ω2hBa3=2ξhωhBb=BApβeVtmtBKsvKpKs1计算机实时控制系统Y=KsvKsKpAps(+s+1)(+s+1)s2ω2sv2ξsvωsvs2ω2h2ξhωhωh=√4βeAp2mtVtξh=+KceAp√βemtVtB4Ap√VtβemtYUY=KsvKsKpApKceK(+1)(+s+1)(+s+1)sωr2ξsvωsvs2ω202ξ0ω0s2ω2svω0=√4βeAp2mtVt+Kmtξ0=12ω04βeKceVt(1+)KVt4βeA2p+Bmt[]ωr=KceKA2p(1+)KVt4βeA2ps(+s+1)Y=KsvKsKpAps2ω2h2ξhωhU。  fr=a2yr+a3yr+yr其中,e1为输入位移与输出位移之间的位移差;e2为输入位移与输出位移之间的速度差;e3为输入位移与输出位移之间的加速度差。  取滑模切换函数为:s=c1外界的关注点大部份被中共反腐的猛烈程度所吸引e1+c2e2+e3(14)则s=c1e2+c2e3-a2e2-a3e3-bu+fr(15)2.2.1切换函数的确定本文采用极点配置方法设计切换函数。极点配置方法[5]因其设计简单,工程实现方便而得到了广泛的应用。  将状态方程(13)写成分块矩阵形式(16)e3=-a2e2-a3e3-bu+fr(17)由于在子空间S0=Ker(s)上,有s=c1e1+c2e2+e3=0(18)其中,Ker(s)为s的核或者s的零空间,那么式(12)在子空间S0上,为:(19)此式即为滑动模态的运动微分方程,它决定了滑动模态的动态品质。令式(19)系数矩阵的特征根等于给定极点,就可以求得c1及c2的值。  u的确定本论文系统采用主比例控制,取控制策略如式(3)所示。将式(3)带入到式(15)得:(20)当输入为阶跃响应时,很容易证明fr=0。为保证滑动模态的存在,满足可达性条件也就是说在s=0以外的任意点均能在有限的时间内达到切换面s=0,控制函数u就必须满足下面不等式:ss0(21)由滑动模态的存在性条件如式(17)所示,可解得:(22)式中sup[]为上确界函数,inf[]为下确界函数。c2<inf(a3)(23)可以证明,如果b足够大,则c2可不受式(23)的限制。  两种控制器的对比仿真在MATLAB环境下,分别采用PID和滑模变结构控制策略进行仿真,其仿真框如2、3所示。当目标输入为10mm时,系统(没有外负载干扰力F时)的阶跃响应曲线如4所示。由4可以看出,滑模变结构控制上升快,具有较理想的过渡过程,调节时间短;而利用传统PID控制则过渡过程时间较长,上升慢。  施加外干扰力时的仿真对比当系统存在外负载干扰力时,负载干扰力的作用位置如1及2中的F所示。当目标输入为10mm时,系统的阶跃响应输出如9和10所示。从9和10中可以看出,随着外负载干扰力的增大,PID控制的稳态误差逐渐变大;而滑模变结构控制的输出曲线基本不变,再次证明滑模变结构控制鲁棒性好,具有很强的抗外负载干扰能力。本次实验从总体上可分为三部分,即:有弹簧部分研究,无弹簧部分研究以及供油压力的实验影响。  无弹性负载时的实验研究当T=25℃,系统压力P为10MPa时,目标输入为10mm时,在两种控制器控制下,系统的阶跃响应曲线分别如12所示。  从12可看出,滑模变结构控制上升快,具有较理想的过渡过程,调节时间短;而利用传统PID控制则过渡过程时间较长,上升慢。再次验证了滑模变结构控制的优越性。供油压力对位置闭环的影响在负载刚度K=1e7N/m,油温T=25℃的条件下的条件下,当系统输入为10mm时,针对几组不同的供油压力,从系统阶跃响应的曲线变化,说明系统供油压力对系统动态性能的影响。此时,系统的阶跃响应对比曲线如13所示。  由13可以看出,随着供油压力P的增大,系统的上升时间,以及调节时间都有所减小。这是因为ω0∝βe,而当供油压力升高时,由于有很多混入油液的空气溶解到油液中而不再影响容积模数[6],使βe值提高,从而使系统固有频率ω0提高,即提高了系统的动态响应性能。同时,从12中,可以看出,随着供油压力的增大,系统固有频率逐渐增大,在调节参数不变的情况下,系统曲线只是调节时间略为变长,但是曲线形状基本不变,仍然具有较好的跟踪性能。从而验证了在参数扰动的情况下,系统鲁棒性好的优点。  本文将滑动变结构控制方法应用在材料试验机模型中。滑模变结构控制方法的大特点是:系统在所选定的状态空间的超平面两侧,以跳动的方式改变控制器的控制结构,从而沿着超平面产生滑模运动。由于滑模运动被约束在超平面内,就带来了系统对参数和外扰变化的不灵敏性,可实现很强的鲁棒性,获得良好的动、静态性能。仿真与实验结果均表明:(1)在该系统中应用滑模变结构控制方法,系统上升快,调节时间短;(2)在系统参数发生扰动时,系统曲线都基本不变,仍然上升快,调节时间短,具有较强的鲁棒性和很好的动态性能。  滑模变结构控制方法上升快,调节时间短,鲁棒性好,这是常规PID控制无法达到的控制效果,是一种值得提倡的控制方法。这为提高电液伺服控制系统的响应速度和精度提供了新的途径,具有很高的推广应用价值。

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