膜材双轴电液比例加载控制系统研究

发布时间：2020-09-29 16:23

　　近现代,膜材由于其自身的密度小、重量轻、强度高、寿命长、抗震性好、施工便利等一系列优点,在建筑、航天、航空等领域有普遍的应用。但是,膜材是一种典型的非线性、各向异性的柔性复合材料,具有复杂的力学特征,其模型很难用一个简单的数学公式精确表示。对膜材的计算分析、工艺制造、工程设计,基本都是基于其材料特性参数。因此,采用合适的试验方法,获取膜材的材料特性参数,是膜材应用的基础,对膜材的发展具有一定的推进作用。目前,膜材材料特性参数的测量基本都是基于单轴的拉伸试验。但是,膜材应用的常态是双轴受力,与单轴受力有着明显的差异。设计时如果只参考单轴受力试验的结果,容易导致设计的不合理,产生安全隐患。因此,开展膜材双轴加载试验研究具有理论意义与工程应用价值。针对所设计的一种膜材双轴电液比例加载控制系统,本论文重点研究适用于不同试验加载方式、不同加载谱、不同膜材试件的控制策略。为此,完成了膜材特性分析及膜材双轴试验要求分析、膜材双轴电液比例加载控制系统设计、加载控制系统仿真与控制策略分析、控制系统软件开发、试验样机制作与相关的试验分析等。本论文的研究工作主要包括以下五个部分:首先,分析了膜材的力学特性及膜材双轴加载试验的试验要求,为膜材双轴电液比例加载控制系统的设计提供了理论依据和参考,进而为系统的控制策略的研究提供了明确的方向。其次,根据膜材的力学特性和双轴加载试验要求,设计了膜材双轴电液比例加载控制系统;完成了试验台架的结构设计并使用SolidWorks软件建立了试验台架的三维模型;确立了控制系统的框架结构,以实现加载系统的力闭环控制、位置闭环控制和速度闭环控制。再次,基于AMESim软件,建立了膜材双轴电液比例加载控制系统的仿真模型,对系统的稳定性、力跟踪特性、位置跟踪特性和速度跟踪特性进行了仿真分析。然后,根据膜材的力学特性及其双轴加载要求,参照AMESim建模仿真的结果,设计了膜材双轴电液比例加载控制系统的控制策略,并引入了小波神经网络PID控制算法;利用AMESim和Simulink的联合仿真,对所提出的控制策略及控制算法进行了进一步的仿真验证。最后,完成了膜材双轴电液比例加载控制系统的硬件设计与控制系统软件的开发,搭建了试验样机和开展了相关的加载试验,并将试验结果与仿真结果进行了对比验证分析。试验结果表明,本论文所设计的膜材双轴电液比例加载控制系统能够满足膜材双轴加载试验的需求,具有较好的稳定性和力/位置/速度跟踪特性;特别是所提出的基于位置补偿的控制策略和小波神经网络PID控制器算法能够更好地适用于所设计的膜材双轴电液比例加载控制系统,可以满足不同加载方式、不同加载谱、不同膜材试件的加载要求,并具有较好的加载效果。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TB383.2
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章绪论
    1.1 课题研究的背景与意义
    1.2 国内外相关研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 论文主要研究内容
第二章膜材双轴电液比例加载试验平台的设计
    2.1 引言
    2.2 膜材性能及试验要求
        2.2.1 膜材力学特性
        2.2.2 力/位置/速度控制的解耦要求
        2.2.3 双轴加载的解耦要求
        2.2.4 试验加载方式适应性要求
        2.2.5 加载谱适应性要求
        2.2.6 不同膜材试件适应性要求
    2.3 电液比例加载系统的设计
        2.3.1 系统液压原理
        2.3.2 伺服液压缸选型
        2.3.3 电磁比例方向阀选型
        2.3.4 电磁比例溢流阀选型
        2.3.5 液压泵与电机选型
    2.4 试验台架的结构设计
    2.5 控制系统的硬件结构设计
    2.6 本章小结
第三章膜材双轴电液比例加载控制系统建模与仿真
    3.1 引言
    3.2 数学模型推导
        3.2.1 电磁比例方向阀数学模型
        3.2.2 单个阀控液压缸数学模型
    3.3 液压系统建模
        3.3.1 基于AMESim的液压系统建模
        3.3.2 电磁比例方向阀模型确认
    3.4 控制系统建模及联合仿真建模
        3.4.1 AMESim与Simulink联合仿真介绍
        3.4.2 基于Simulink的控制系统建模
    3.5 系统特性分析
        3.5.1 系统稳定性分析
        3.5.2 力跟踪特性分析
        3.5.3 位置/速度跟踪特性分析
    3.6 待解决的问题
    3.7 本章小结
第四章膜材双轴电液比例加载控制系统策略分析
    4.1 引言
    4.2 力/位置/速度控制解耦及分析
        4.2.1 位置/速度控制的综合
        4.2.2 常用的力/位置控制解耦方法
        4.2.3 基于位置补偿的控制策略
        4.2.4 普通PID控制策略及未解决的问题
    4.3 小波神经网络PID控制策略
        4.3.1 小波神经网络PID控制
        4.3.2 小波神经网络PID控制器
    4.4 控制仿真及结果
        4.4.1 NCL试验方法仿真
        4.4.2 日本试验方法仿真
        4.4.3 德国试验方法仿真
        4.4.4 其他试验方法仿真
    4.5 本章小结
第五章膜材双轴电液比例加载控制系统试验与分析
    5.1 引言
    5.2 硬件系统搭建
        5.2.1 工业计算机
        5.2.2 数据板卡
        5.2.3 拉力传感器及位移传感器
        5.2.4 控制柜设计
    5.3 控制软件设计
        5.3.1 普通PID控制算法实现
        5.3.2 小波神经网络PID控制算法实现
        5.3.3 控制程序架构
        5.3.4 基于MFC的操作界面
    5.4 试验与结果分析
        5.4.1 NCL试验方法
        5.4.2 日本试验方法
        5.4.3 德国试验方法
        5.4.4 其他试验方法
    5.5 本章小结
第六章总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间的学术成果

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