基于电磁换向阀的液压缸精确定位控制研究
发布时间：2020-09-04 16:11
液压缸的精确定位控制通常采用伺服阀,比例阀或者高速开关阀作为控制元件,这类系统的长期运行存在成本与可靠性等问题。使用电磁换向阀作为控制元件进行液压缸的精确定位控制能够降低系统成本,增加系统长期运行的可靠性。但当前对于以电磁换向阀作为主控元件的液压缸控制方法的研究稀缺,对该类系统控制时需要解决的问题及控制可行性也缺少系统性分析。鉴于上述特点,本论文将对基于电磁换向阀的液压缸精确定位控制系统展开全面深入研究。使用电磁换向阀作为控制元件后,液压缸控制系统的控制输入发生很大变化,不但在控制输入上增加了额外约束,而且此前已被解决的液压控制问题在控制输入的约束下再次出现。已有的液压缸位置控制方法并不适用与当前系统,需要对该系统进行深入彻底的分析,设计合适的控制方法。本论文的总体研究思路概括为以下三步。第一步为系统特性分析:旨在对系统元件特性进行建模分析,指出由于元件不理想特性导致的两类特殊控制问题(具体为输入约束问题以及模型非线性、不确定问题),并将控制问题以数学形式描述,为此后的控制方法设计做好铺垫。第二步为基本控制结构设计:针对控制问题的数学表述,推导基于预测反馈的切换控制律,并基于此设计基本控制器实现结构,将控制律计算中包含的多个算法模块进行合理划分以便于独立实现。第三步基于上述结构实现每个模块的具体算法给出完整控制算法实现方案:首先针对要求算实现复杂度低的场合,设计了一种简单有效的算法实现方案;然后针对第一种方案的不足,设计了一种控制效果更优的算法实现方案,该方案中由于涉及到系统预测模型的辨识,因此还预先对液压系统的准确辨识方法进行了研究。论文通过六章内容对上述思路进行阐述,每章内容摘要如下:第一章首先对已有液压缸定位控制方案及特点进行了整理分类,指出基于电磁换向阀的液压缸精确定位控制方法的研究意义。然后指出所研究系统存在控制输入约束,以及系统动态模型非线性、不确定问题。继而通过对已有液压缸定位控制方法的分析总结,指出当上述问题同时存在时已有控制方法无法使用,需要基于预测反馈的方法进行定位控制。在此基础上进一步对已有的预测控制方法进行了分析,指出已有预测控制方法仍然无法直接对当前系统使用,需要针对当前系统特性,重新对预测控制的控制量求解以及准确预测方法进行研究。第二章对研究系统的元件进行建模及特性分析。首先通过对电磁换向阀的仿真建模及实物测试,指出电磁换向阀不理想输入-输出特性导致的控制问题及具体的数学表达形式。然后通过理论模型与实物测试对液压缸摩擦力特性进行分析,验证实际液压缸摩擦力存在非线性及模型不确定特性。最后对当前系统的液压缸容腔压力动态进行分析,阐述当前系统油液等效弹性模量会随压力明显变化的特性,指出容腔压力同样具有强非线性,且具有更大的模型不确定性。第三章基于数学模型推导控制律,设计基本控制器结构,最后基于该结构给出一种实现复杂度较低的算法实现方案。首先,提出一种“回溯”控制律推导方法,推导得到能够在输入约束及延时特性下实现稳定准确定位控制的切换控制律。该切换控制律在计算使需要通过逻辑判断、状态预测、函数模型学习等多个不同算法模块实现。因此设计基于状态机模型的基本控制器结构,一方面对算法模块进行明确划分,另一方面能在控制中按合理顺序对各模块进行调用,保证控制算法实时运行。然后在上述基本控制器结构的基础上,搭配提出的简化预测算法,给出完整控制器的简化实现方案。通过实验证明简化方案能够实现稳定准确的定位控制,并且具有较强的自适应能力。最后总结简化方案的特点,指出为进一步提高控制效果需要实现非稳态状态下的状态预测。为了实现上述状态预测器、实现更好的定位控制效果,第四章先对液压系统准确辨识建模及仿真方法的展开研究。首先研究液压缸速度动态模型的准确辨识,明确指出实际辨识中存在三类干扰问题,会造成巨大的辨识误差。本论文将随机采样一致(Random Sample Consensus,RANSAC)算法有效迁移应用至液压系统辨识中,有效筛除异常干扰数据对估计的影响,辨识精度相对传统方法有着巨大提升。然后对RANSAC筛选出的有效数据使用总体最小二乘方法进行参数估计,降低自变量上随机噪声导致的估计偏差,进一步提高模型参数的辨识精度。然后还研究了考虑等效弹性模量变化特性的容腔压力动态模型辨识,以及油源压力动态模型辨识。最后整合上述三部分辨识结果,建立整体系统的仿真预测模型,并根据仿真结果与实际状态之间的误差,采用非线性优化方法对模型参数进行优化,使得该模型能够进行更加准确的位置、速度预测。该预测模型的建立为此后的控制效果优化打下基础。第五章给出控制算法的一般实现方案。首先基于上一章的预测模型,实现控制所需的、能够在非稳态下进行预测的状态预测器。并根据目标时刻状态的预测误差,对状态预测器中的参数进一步优化,提高目标时刻状态的预测精度。然后基于该状态预测器给出控制算法的一般实现方案,改善了简化控制方案的单次定位所需时间较长、调整过程不够优化的问题。通过实验验证该方案能够实现准确稳定定位,且完成控制所需的最短时间更小,过程更加优化。第六章对本论文的研究工作及创新点进行总结,并对基于电磁换向阀的液压缸定位控制的后续研究方向进行展望。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP273;TH137.51
【部分图文】：
字信号输出板卡，型号分别为ＡＤＬＩＮＫ－ＤＡＱ２２０６与研华ＰＣ１－１７３４。工控机搭载ｉｎｔｅｌｉ７处逡逑理器。控制算法通过Ｃ＋＋实现，算法程序运行环境为Ｗｉｎｄｏｗｓ邋７。逡逑图２－２实验平台实物图逡逑２．３电磁换向阀建模、特性测试及分析逡逑电磁换向阀作为系统的控制元件，是影响控制器设计的主要因素，也是当前系统与已逡逑１３逡逑
逦Ｐｓ邋￣逦｜溢流阀逡逑图２－１电磁换向阀液压缸定位控制实验系统回路结构图逡逑最后介绍控制器硬件。实验系统采用工控机搭配Ｉ／Ｏ板卡的方案实现控制信号反馈检逡逑测与控制指令计算、输出。所使用的Ｉ／Ｏ板卡包括一块１６位模拟信号采集板卡以及一块数逡逑字信号输出板卡，型号分别为ＡＤＬＩＮＫ－ＤＡＱ２２０６与研华ＰＣ１－１７３４。工控机搭载ｉｎｔｅｌｉ７处逡逑理器。控制算法通过Ｃ＋＋实现，算法程序运行环境为Ｗｉｎｄｏｗｓ邋７。逡逑图２－２实验平台实物图逡逑２．３电磁换向阀建模、特性测试及分析逡逑电磁换向阀作为系统的控制元件，是影响控制器设计的主要因素，也是当前系统与已逡逑１３逡逑
进行特性的仿真测试；然后通过实物测试进一步验证确认；最后得出结论分析。逡逑２．邋３．邋１电磁换向阀数学模型逡逑典型三位四通电磁换向阀的结构如图２－３所示。该阀主要由两个开关电磁铁推动阀芯逡逑运动来实现电－机械转换。再由阀芯及阀体实现机械－液压输入的转换，对液压缸产生对应的逡逑液压输入。对该阀的特性分析所需建立的模型包含：开关电磁铁的电磁动力学模型，以及逡逑阀芯的机械动力学模型。逡逑电磁铁１邋复位弹簧逦阀芯邋阀体逦电磁铁２逡逑＼邋＼邋＼逦＾ｎ邋／逡逑＼邋＼邋＼邋＼邋／逡逑＾逡逑图２－３Ｙ型中位的三位四通电磁换向阀座阀结构图逡逑典型开关电磁铁可用图２－４邋（ａ）中的简化结构进行表示，其主要元件包括线圈，衔铁逡逑及推杆，导磁壳体。衔铁的前后与壳体之间分别存在气隙，气隙在水平方向上的面积表示逡逑为p骸Ｇ昂笃洞笮∮胂翁恢孟喙亍Ｕ饫锒ㄒ逑翁恢梦闶保蟊咂冻ざ龋埽咦铄义洗螅扔谙翁硕谐痰毕翁恢梦邮保蟊咂冻ざ任悖冶咂冻ざ任怠ｅ义系纾盘呷ι系绾蠼诘绱盘诓坎懦』芈罚耸敝鞔怕返拇鸥邢呷缤贾行橄咚义鲜尽Ｓ捎谙翁氲即趴翘逵筛叽诺悸实牟牧现瞥
本文编号：2812317
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP273;TH137.51
【部分图文】：
字信号输出板卡，型号分别为ＡＤＬＩＮＫ－ＤＡＱ２２０６与研华ＰＣ１－１７３４。工控机搭载ｉｎｔｅｌｉ７处逡逑理器。控制算法通过Ｃ＋＋实现，算法程序运行环境为Ｗｉｎｄｏｗｓ邋７。逡逑图２－２实验平台实物图逡逑２．３电磁换向阀建模、特性测试及分析逡逑电磁换向阀作为系统的控制元件，是影响控制器设计的主要因素，也是当前系统与已逡逑１３逡逑
逦Ｐｓ邋￣逦｜溢流阀逡逑图２－１电磁换向阀液压缸定位控制实验系统回路结构图逡逑最后介绍控制器硬件。实验系统采用工控机搭配Ｉ／Ｏ板卡的方案实现控制信号反馈检逡逑测与控制指令计算、输出。所使用的Ｉ／Ｏ板卡包括一块１６位模拟信号采集板卡以及一块数逡逑字信号输出板卡，型号分别为ＡＤＬＩＮＫ－ＤＡＱ２２０６与研华ＰＣ１－１７３４。工控机搭载ｉｎｔｅｌｉ７处逡逑理器。控制算法通过Ｃ＋＋实现，算法程序运行环境为Ｗｉｎｄｏｗｓ邋７。逡逑图２－２实验平台实物图逡逑２．３电磁换向阀建模、特性测试及分析逡逑电磁换向阀作为系统的控制元件，是影响控制器设计的主要因素，也是当前系统与已逡逑１３逡逑
进行特性的仿真测试；然后通过实物测试进一步验证确认；最后得出结论分析。逡逑２．邋３．邋１电磁换向阀数学模型逡逑典型三位四通电磁换向阀的结构如图２－３所示。该阀主要由两个开关电磁铁推动阀芯逡逑运动来实现电－机械转换。再由阀芯及阀体实现机械－液压输入的转换，对液压缸产生对应的逡逑液压输入。对该阀的特性分析所需建立的模型包含：开关电磁铁的电磁动力学模型，以及逡逑阀芯的机械动力学模型。逡逑电磁铁１邋复位弹簧逦阀芯邋阀体逦电磁铁２逡逑＼邋＼邋＼逦＾ｎ邋／逡逑＼邋＼邋＼邋＼邋／逡逑＾逡逑图２－３Ｙ型中位的三位四通电磁换向阀座阀结构图逡逑典型开关电磁铁可用图２－４邋（ａ）中的简化结构进行表示，其主要元件包括线圈，衔铁逡逑及推杆，导磁壳体。衔铁的前后与壳体之间分别存在气隙，气隙在水平方向上的面积表示逡逑为p骸Ｇ昂笃洞笮∮胂翁恢孟喙亍Ｕ饫锒ㄒ逑翁恢梦闶保蟊咂冻ざ龋埽咦铄义洗螅扔谙翁硕谐痰毕翁恢梦邮保蟊咂冻ざ任悖冶咂冻ざ任怠ｅ义系纾盘呷ι系绾蠼诘绱盘诓坎懦』芈罚耸敝鞔怕返拇鸥邢呷缤贾行橄咚义鲜尽Ｓ捎谙翁氲即趴翘逵筛叽诺悸实牟牧现瞥
本文编号：2812317
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