北京石油化工学院
本科毕业设计（论文）英文翻译
题目名称：液压压力控制系统参数求解及系统仿真分析
题目类型： 自动化类
学生姓名：
专 业： 自动化
学 院： 信息工程学院
年 级： 自063
指导教师：
2010 年 4 月 5 日
液压压力控制系统参数求解及系统仿真分析
阚 超 孔祥东 高英杰
燕山大学 ,秦皇岛 ,066004
摘要:采用一种用于求解非线性方程组的遗传算法对辨识获得的系统传递函数进行参数求解 ,依照解得的系统参数获得系统的开环模型。通过对开环模型进行仿真并与实测输出曲线对比 ,验证了遗传算法求解液压伺服系统参数的可行性。同时 ,通过分析仿真结果 ,找出了材料试验机比例压力控制系统与伺服压力控制系统在辨识方法上的差别。
关键词:遗传算法;非线性方程组;系统参数;系统辨识;仿真分析
1 引言
对于液压控制系统 ,要想对系统进行有效的控制 ,获得系统的数学模型是至关重要的。准确的数学模型可通过系统辨识得到。由于实际系统工况的因素 ,往往只能进行闭环辨识 ,而闭环辨识得到的模型由于辨识的需要而并不是标准开环或标准闭环模型 ,需要通过求解非线性方程组获得系统参数 ,再由这些参数来构成模型 ,这就涉及非线性方程的求解问题。非线性方程组求解是实际工程领域的一个重要问题【1】。长期以来 ,人们在此方面进行了大量研究。一些学者对采用遗传算法求解非线性方程组已经有一定的研究 ,而且证明是有效的方法。本文将遗传算法用于对液压系统参数的求解 ,并对其准确性进行了验证【1-4】。同时 ,通过对系统模型进行验证 ,确定了比例压力控制系统和伺服压力控制系统各自较为合适的系统辨识方法。
2 问题的描述
材料试验机压力控制系统是一个典型的液压压力控制系统 ,其控制系统方框图如图 1 所示。
系统输入信号ur作为辨识输入信号,压力传感器反馈信号uf作为辨识输出信号,ue作为偏差信号,此时系统的理论传递函数为:
式中,ωr为系统的液压弹簧与负载弹簧串联耦合的刚度与阻尼系数之比; Kfp为压力传感器增益;ωm为负载的固有频率; K为负载弹簧刚度; mt 为活塞及负载折算到活塞上的总质量;ω0为液压弹簧与负载弹簧并联偶合的刚度与负载质量形成的固有频率;Kh为液压弹簧刚度;βe为有效体积弹性模量;Vt为总压缩容积; Ap为液压缸活塞有效面积; Bp为负载阻尼系数;ξ0为阻尼比;ωsv为控制阀固有频率;ξsv为控制阀的阻尼比; K为系统开环增益; Kq 为伺服阀流量增益; Ka为伺服放大器增益; Ksv为伺服阀增益; Kc为伺服阀流量 —压力系数; Ctp为液压缸总泄露系数。
标准的系统开环传递函数为:
由系统辨识得到的传递函数形式为:
式中, b0～ b5、 a0、 a2 为辨识得到的已知量。
为得到系统开环传递函数,需要先获得ωr、ωsv、 ξsv、 ω0、 ξ0、 K的值。 由于式(2)与式(3)相等,根据对应项相等的原则可得到以下方程组:
要想获得压力控制系统的开环或闭环模型,需要由式(4) 求得各个未知的系统参数。
遗传算法的应用方法
遗传算法( GA)[5-9]的主要步骤包括编码、初始群体生成、适应性值评估检测、 选择、交叉、变异。遗传算法的基本流程如图 2 所示。采用遗传算法求解方程组的步骤如下:
(1)实时编码。这里采用具有更高搜索效率的实值编码策略来实现参数的编码,先在0~1之间随机生成一系列的一定精度的实值,然后再将它们转化到所对应的工作空间里去。
(2)初始种群的产生。考虑初始种群的多样性及适量的要求,在解空间中随机产生初始种群并使其均匀分布于解空间(这里种群规模取为100) 。
(3)适值函数的确定。遗传算法是对适值函数的最大化寻优。根据非线性方程组的形式,定义其适值函数为: fit(ωr, ωsv, ξsv, ω0,ξ0,K0)=1/(j+c) (5)
式中, c为常数, c = 100 ; J为非线性方程组各方程的绝对值之和。由式 (5) 知, 当非线性方程组有精确解时,fitmax =100。
(4)遗传算子操作。遗传算子操作是实现遗传算法求解的关键,包含选择﹑交叉和变异。
下面对遗传算子操作中的选择、交叉和变异分别描述:
选择。结合实值编码,此处采用标准几何分布选择法来实现选择操作。
交叉。结合实值编码,采用算数交叉算子实现交叉操作:
式中, P’1、 P’2 为交叉后的新一代个体; P1、P2为参与交叉操作的父一代个体; a为(0 ,1) 上的随机常数。
(3) 变异。变异是使种群中个体的某些基因发生“突变”,以避免陷入局部最优解而获得全局最优解,其表达式为:
式中, r为[0 ,1 ]上均匀分布的随机函数; t为当前已迭代的次数; T为最大迭代次数; b为预先给定的常数;P’j为子代个体 P’的第 j 个分量; Pj为子代个体 P的第 j 个分量。
工作空间大小的确定要根据所要求解的非线性方程组各个参数的物理意义确定。 这里,工作空间的选取依据伺服压力控制系统和比例压力控制系统各个参数的意义预先确定。 遗传算法程序由MA TLAB软件编写程序实现,其中ga0 () 为主程序,工作空间大小的定义在 ga0 () 中确定,适应度的定义及其检验由op0 () 函数实现。
仿真验证及结果分析
4. 1 遗传算法的仿真验证
表1 列出了根据系统参数辨识得到系统传递函数以及由遗传算法解得的材料试验机伺服﹑比例压力控制系统的开环传递函数参数。依据这些参数构建系统的开环数学模型 ,继而构成单位反馈闭环系统 ,此闭环系统的输出与实测系统的输出是一致的 ,可以在Simulink中进行仿真比较两者曲线的差别 ,进而验证求解参数的准确性。
图3﹑图4所示分别为伺服压力控制系统和比例压力控制系统的单位反馈闭环系统仿真曲线与实测曲线的比较情况。可以看出 ,经过遗传算法求得参数构成系统的仿真曲线与系统实测基本重合。由于辨识结果是准确可靠的 ,因此 ,可认为经由遗传算法求得的系统参数是准确的 ,所得到的系统模型准确的体现了实际系统对阶越响应的特性。
4. 2 仿真结果的分析
在进行仿真验证时发现 ,对于比例压力控制系统 ,采用基于预测误差方法的BJ 模型辨识的效果要远好于采用基于最小二乘的arx模型的辨识效果 ,两者的比较情况见图 5。从图5中不难看出 ,对于本组数据 ,BJ 辨识的模型的仿真结果更接近实测曲线。显然 ,arx 辨识对应的仿真曲线响应速度慢 ,不能准确体现试验系统的真实响应性能 ,而BJ 辨识对应的仿真曲线基本与实测曲线重合 ,能够更准确地描述出实测系统的性能。为避免实验结果可能出现的偶然性 ,这里任意另选一数据组 ,分别进行基于预测误差方法的BJ 模型辨识和基于最小二乘的 arx 模型辨识 ,用遗传算法求解两辨识结果 ,获得各自的开环传递函数并进行系统仿真。仿真与实测响应曲线的对比情况如图6所示。从图6中不难看出 ,对于本组数据 ,BJ 辨识的模型的仿真结果更接近实测曲线。由此可知 ,对于材料试验机比例压力系统而言 ,采用基于预测误差方法的BJ 模型辨识能够比较准确地反应实际系统性能 ,故在进行比例压力控制系统辨识时 ,应该优先考虑采用基于预测误差方法的BJ 模型辨识。
在此基础上 ,对伺服压力控制系统也进行了与比例系统相同的仿真。图7﹑图8为伺服压力控制系统两组实测数据通过 arx 辨识和BJ模型辨识得到系统的仿真曲线与实测系统响应曲线的比较图。从图7﹑图8不难看出 ,arx 辨识的模型的仿真结果更接近实测曲线 ,故对于材料试验机伺服压力控制系统 ,采用基于最小二乘的 arx模型辨识能够得到更理想的辨识结果。
结论
本文将遗传算法用于液压系统参数求解 ,简化了液压系统中求解非线性方程组的问题。经过对求解后得到的系统进行仿真比较 ,证明用遗传算法求解的方法是可靠的。经过比较材料试验机压力控制系统辨识传递函数的仿真结果发现:对于材料试验机伺服压力控制系统 ,采用基于最小二乘的arx模型辨识会得到比较好的辨识结果;对于材料试验机比例压力控制系统则应采用基于预测误差方法的BJ 模型辨识。
参考文献:
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气体压力控制系统的改造
欧金荣
摘 要：分析气体压力控制系统的运行特点和存在的缺陷。采用电子调节式自动控制器取代压力控制系统。改造后系统具有检测、控制、显示、报警、保护等功能，运行时参数调整方便、直观,性能稳定可靠。
关键词：气体压力控制器 联动控制 电子调节式自动控制器 改造
问题的提出与分析
空压机组的运行特点：
某有限公司空气压缩站引进4台德国DEMAG螺杆压缩机（SE40S） 。其排气量为3.7m3/min, 电机功率22KM ,向用户提供0.6~0.8MPa的压缩空气 ,机组具有单机/联机运转功能。为达到生产要求与节能降耗的目的，设计上采取4台（编号1#、2#、3#、4#）空压机组联机运行方式，利用空压机组安装在压缩机出口上的气体压力控制系统（简称压力控制器），与一台4组多点万能转换开关构成主副机联动控制系统，如图1所示。
各台压力控制器的设定值如表1所示。利用其压力差动控制功能，控制压缩机启停。由万能转换开关切换指定主副机，机组采用先开后停，后开先停的主副机运行方式。
1.2原联动控制系统的缺陷
由于原控制系统采用各台空压机的压力控制器的上下限开关信号为机组投入与退出运行的控制信号，因此存在以下缺陷：
（！）压力调整不便。要准确设定运行参数，必须把压力控制器从压机上拆卸下来送到计量室校正，作业时间长、工作量较大。随即调整参数又不直观、不够准确、误差大，且调整回引起机组频繁开停机，损害设备。
（2）压力控制器安装在压缩机组上，处于高温（80℃）、振动、油污的环境中，压力控制点容易飘移，引起系统运行不稳定，造成主副机运行混乱，影响供气质量，给仪表维修带来很大困难，特别在压力控制器故障时（如取压橡胶膜破损），压缩机将长期运行，压力控制失效，机组耗能大。压力控制器所检测的压力为各机组的出口压力，与总管压力存在偏差，无法真实反映总管压力变化。
(3) 压缩机在发生故障需要检修或在日常保养时需将压缩机出口阀关闭，因压力控制器装于机组出口阀前，则压力控制器无法检测总管压力变化，引起联机运行失败。
（4）压力控制器在2#、3#、4#为主机时，无法反应本机组输出压力的变化，容易造成压缩机超负荷运行，安全阀繁琐动作，影响机组的机械寿命。
考虑原联机控制系统存在的问题，决定对其进行技术改造，以达到空压系统稳定运行，提高供气质量，满足工艺控制要求，压力控制参数调整方便直观，压力检测参数为管网实时压力值，并且减轻仪表人员工作量。
系统再造构思与系统组成
原系统存在问题主要集中压力控制器和压力取压上，如何解决这两个问题是改造的关键。经过对原系统分析与研究，确定改造后系统原理框图如图2所示。决定自制两位电子调节式自动控制器取代压力控制器（4套），来对原压力控制器改造（取代）。但保留万能转换开关。
压力检测
采用一台DBY-121型压力变送器，量程范围0~1.0Mpa，输出0~10mA，安装于进贮罐前总管上取压。
2.2显示报警
选择XCT-101型显示报警仪, 指示系统压力,并具有压力上下限报警输出与XXS-02型闪光报警器配合,发出声光报警信号,提示空压系统运行异常。
2.3两位电子调节式自动控制器
联机控制系统 ,要求有4套电子式两位电子调节式自动控制器 ,取代压力控制器 ,控制4台空压机 ,其动作值可独立调整整定 ,参数值对应于表1 。经查询国内仪表厂家都没有生产具有此功能的仪表 。若采用带I/O模数转换且具有运
算功能的可编程控制器 ,其价格昂贵 ,改造费用太高,因此决定自制控制器 ,完成此功能,如图2虚线框图内各组成模块 。
2.3.1直流电源模块
220V交流电经变压、整流器再经三端稳压器LM7812、LM7912稳压，提供正、负DC12V电源供各功能模块工作。电路如图3所示。
2.3.2隔离转换模块
由集成运放LM318组成同相输入电压放大器。电压放大运算方程为U0=Ui（1+RF/R1）。通过反馈电阻RF的调整，可方便将（0~10mA）电流信号转换为（DC 0~10V）的电压输出信号，作为比较模块输入控制信号，其中Rsr为输入电阻，RF为负反馈电位器，RL为线性可调电阻，电路如图4所示。
2.3.3给定比较模块
该模块由4套相同的电子线路构成。采用高精度稳压集成电路TL431，提供高精度基准电压ES=Uf（1+RS1/RS2）。通过对RS1和RS2的调整可得到高精度稳压、定电压。实际整定为8.5V，利用对RP1与RP2设定，可获得满足工艺控制电要求，对应于开停车压力信号的上下限基准电压值，如表2所示。
如图5所示。由双运放MC4558构成两个正反电压比较器A1与A2,A1为上限比较器，A2为下限比较器。A2同相输入端接上限比价基准电压，方向输入端接信号Esr(0~10V)。A1与A2的比较输出分别送到RS触器的S与R的输入端。
2.3.4逻辑控制模块
RS出发器由CD4011中的两个双输入与非门构成。利用RS触发器置（0）端S和置（1）端R及逻辑记忆功能，实现自动控制功能。为了增加RS触发器的抗干扰能力，克服开关过程中的不确定性，增设RC阻容电路以提高控制器的稳定性。如图5所示。
2.3.5控制输出模块
将RS触发器的Q（反）端接至控制输出模块输入端，由三极管9014控制继电器J。继电器J戏合时，（相当于压力控制器接通，）所控制的压缩机运行，释放时压缩机停止。由发光二极管显示继电器工作状态，如图5所示。
工作控制过程
经制作完成的控制器形成4段工作过程：如表3所示。
1段：经隔离放大器转换的输入信号（0~10V）小于下限比较器A2给定值（当然也小于上限比较器的给定值），RS触发器输出Q（反）为1，机组运行；
2段：输入电压高于下限比较器A2给定值，而小于上限比较器A1给定值，机组保持运行状态；
3段：输入电压高于上限比较器A1给定电压（A1自然高于A2的给定值），机组应停止运行；
4段：待总管压力下降，输入电压低于上限比较器给定值，仍大于下限比较器A2的给定值，机组仍停止运行，直到输入电压小于A2的给定值，机组再启动运行。
由于将电子调节式自动控制器取代了机组原压力控制器，因此，可将原压力控制器作为本机过压保护开关，（其值略小于安全阀动作值），接入机组故障保护回路，增加一道保护功能。
3 主副机组的切换
万能转换开关作为主副机组的切换装置 ,具有方便实用、不怕干扰的特点 ,将电子自动控制器继电器的常开触点 ,取代各台机组的压力控制器 ,与万能转换开关相应的接线端联接 ,通过对转换开关的操作指定主副机运行 。
4 结束语
通过分析原控制系统的运行特点 ,发现其缺陷 ,相应进行改造 。采用自制电子调节式自动控制器改造后 ,新的控制系统具有检测、控制、显示、报警、保护等功能 ,系统投人运行 ,稳定、可靠 ,参数整定方便、直观 ,特性完善。电子自动控制器“成本低,制作容易”可 以推广到诸如温度、压力、液位等需要位式控制的场合。
参考文献
[1] 范玉久.北工测量及仪表.化学工业出版社
[2] 郑慰置.数字电子技术基础.高等教育出版社
[3] 孙义芳 ,庄慕华.电子技术基础.高等教育出版社
[4] 章宏甲.黄谊.王积伟.液压与气压传动.机械工业出版社
