液压试验台油温的模糊控制.pdf

2 0 1 0年 5月 第3 8 卷 第 9 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Ma v 2 0 1 0 Vo 1 。 3 8 No ． 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 9 ． 0 1 9 液压试验台油温的模糊控制 尚超，王新民，王纪森 西北工业大学 自动化学院，陕西西安 7 1 0 0 7 2 摘要针对高压液压试验台油温控制系统具有大时滞、非线性和时变等特点 ，传统的P I D控制器不能精确快速控制， 提出采用模糊控制实现对液压系统油箱温度的控制，建立温度数学模型和模糊控制规则，并与传统 P I D控制进行仿真对 比。仿真结果表明模糊控制具有很好的鲁棒性和稳定性。 关键词液压试验台；温度控制；模糊控制 中图分类号 T P 2 7 3 ． 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 9 0 6 0 3 Fu z z y Co n t r o l i n Oi l Te mp e r a t ur e o f Hy dr a u l i c Te s t i n g Be nc h S HANG C h a o ，WANG Xi n mi n ．WANG J i s e n A u t o m a t i c C o n t r o l C o l l e g e ，N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c U n i v e m i t y ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 7 2，C h i n a Ab s t r a c t Oi l t e mp e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m o f h i g h p res s u r e h y d r a u l i c s y s t e m i s a b i g d e l a y ， n o n l i n e a r ， t i me v a r y i n g s y s t e m． C o n v e n t i o n a l P I D i s u n a b l e t o c o n t r o l t e mp e r a t u r e p r e c i s e l y a n d q u i c k l y ． F u z z y c o n t r o l l e r w a s d e s i g n e d t o c o n t r o l t h e o i l t e mp e r a t u r e ． Ma t h e ma t i c s mo d e l o f t e mp e r a t u r e wa s b u i l t a n d t h e c o n t r o l r u l e s w e r e g i v e n ． S i mu l a t i o n we re ma d e b e t we e n P I D c o n t r o l a n d f u z z y c o n t ro1 ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h i s me t h o d h a s g o o d r o b u s t n e s s a n d s t abi l i t y ． Ke y w o r d s Hy dra u l i c t e s t i n g b e n c h ； T e mp e r a t u r e c o n t r o l ； F u z z y c o n t r o l 随着液压系统向高压大功率发展 ，液压系统工作 压力越高，温度成为不可忽视的一个重要控制因素。 应西飞国际某厂的要求，设计了为某型号产品提供测 试的液压综合试验台，温度要求为保证常温试验时 液压油温度控制在 1 0～l 5℃，连续工作仍能保证温 度恒定。液压油温度是主要的控制对象之一，油温控 制是大型液压试验台的关键技术，同时也是难点。 油温是液压试验台的一个重要控制因素，这是因 为油温变化直接影响油黏度的变化 ，而黏度则是选用 液压油的一个重要指标。温度过高，油液黏度降低， 会使泄漏量增加，降低系统的容积效率，同时也会使 液压系统的精度降低。 在该液压试验台中，要求在被试件口处的温度控 制在 2 0 5 ℃，而该检测点的温度同时也包含了 沿程发热和液压泵的发热 ，因此要满足温度要求，液 压油箱的温度在 1 5℃以下，从而温度的要求就转变 成 油箱 的温度 必 须控 制在 1 0 5 ℃ 。另 外 对 于 1 0 0 0 L的大油箱来说必须采用强制制冷方式来满足系 统的温度要求。由于液压系统、冷却器和油箱本质上 是一种大时滞、非线性、时变系统 ，考虑到该低温液 压试验台还要受到环境温度等其他因素的影响，采用 常规的P I D控制器难以实现对液压系统温度的控制， 作者采用模糊控制器与可编程控制器结合，在很大程 度上弥补了传统 P I D的局限性，对被控对象参数变化 以及纯滞后特性有很强的适应性，利用 S i m u l i n k 结合 MA T L A B中的 F U Z Z Y控制器进行仿真，结果表明该 控制具有很强的鲁棒性和动态响应性，满足液压试验 台对油温的要求。 1 油温对液压 系统试验台液压系统的影响 在液压 系统 中，压力 、容积和机械摩擦 3个方 面 的损失构成了总能量损失，这些能量转化为热量 ，使 液压系统油 温升高 ，系统油温过高会产生 以下影响 1 液压油黏度 、容积效率和液压系统工作效 率均下降，泄漏增加，甚至使机械设备无法正常工 作 。 2 液压系统的零件因过热而膨胀 ，破坏了相 对运动零件原来正常的配合间隙，导致摩擦阻力增 加、液压阀容易卡死，同时，使润滑油膜变薄、机械 磨损增加，结果造成泵、阀、马达等的精密配合面因 过早磨损而使其失效或报废。 3 加速橡胶密封件老化变质，寿命缩短，甚 至丧失其密封性能，使液压系统严重泄漏。 4 油液汽化、水分蒸发，容易使液压元件产 生穴蚀；油液氧化形成胶状沉积物，易堵塞滤油器和 液压阀内的小孔，使液压系统不能正常工作。 油液的温度上升致使泄漏量增大，系统的效率降 收稿日期2 0 0 9 0 4 2 9 作者简介尚超 1 9 8 3 一 ，男，硕士研究生，主要从事电气、液压测控技术方面的研究。电话 0 2 9 8 8 4 9 3 0 1 9 ，E ma i l s h a n g c h a o _6 6 6 1 6 3 ． c o n。 第9期 尚超 等 液压试验台油温的模糊控制 6 1 低 ，从而使液压系统的发热增大 ，液压油的含气量 也会增加 。 因此，液压油油温过高会严重影响机器的正常使 用、降低液压元件的使用寿命，并增加工程机械的维 修成本。 2 液压试验台的发热量计算 该大功率液压试验台最大流量为 5 8 0 lMm i n ，而 在该液压试验台的试验工况，液压系统最大功率点为 2 1 M P a ，流量为4 0 0 L ／ m i n 。该试验台的总发热功率 分 以下 3 个部分 液压泵发 热 、液压管路的沿程压力 损失发热和其他发热 。液压原理如 图 1 所示。 图 1 液压原理图 液压泵发热量 。 P 1 一 叩 式中P为泵的输人功率 k W ， 7 为泵的机械效 率 ，一般的变量柱塞泵取为 0 ． 1 ，另外该柱塞泵为变 量式的，因此溢流阀发热基本上不考虑 ，如果为定量 泵，那么在计算时要对溢流阀发热进行核算。 液压管路的沿程压力损失发热 △ p 沿 A 1 ．孚 式中△ p 沿 为沿程压力损失 P a ； A为管路的沿程阻力系数 ； P为液体的密度 k g ／ m ’ ； 为液体的平均流速 m ／ s ； z 为液体流经管道长度 m ； d为管道内径 m 。 其中管路的沿程阻力系数与雷诺数 液压油的 流动状态 有关 ，因此 ， ， 2 沿 程A p 沿q A‘ P ‘ ‘ q 式中q为管道内的流量 m ’ ／ s ； 沿程为压力损失发热功率 W 。 其他发热。 根据对液压系统试验的分析 ，可以得知该液压系 统其他部分所产生的热量总共为 。 0 ． 0 3～ 0 ． 0 5 ’ 沿 程 另外由于该液压系统是低温油，考虑到环境温度 的影响，那么根据传热学可知，此时在计算式按照油 箱在环境温度为 ℃的环境内所 吸收的热量为钢板 与空气的对流换热和在泵房之间与泵房表面进行辐射 换热 ，即 环 境h A A t h A T一1 0 式中 环 为环境传递热量； h 为表面传热系数，h 6 ． 5 W／ m ℃ ； A为油箱有效传热面积 m 2 ； 为环境与液压油之间的温差 ℃ 。 3 温度控制方式 该液压系统使用 1 O号航空液压油，它的特性是 在常温下运动黏度 不易受温度 的影 响，冷凝点为 一 4 0 c I 。 传统的冷却方式 中油箱是液压系统 自然散热的 主要元件 ，但是油箱无法保证系统的温度。制冷一 般有风冷式和水冷式两种方式 ，基本上在系统回油 口进行冷却，此时 回油温度控制在 5 5℃以下，因 此采用强制措施对液压油进行冷却。目前冷却器多 采用 水冷式 和风冷式 ，水 冷适 用 于发热 比较 大的 大 型液 压泵站 ，水 的制冷效果 比较 好 ；而风 冷一 般又 分为直接式和间接式两种，直接风冷适用于小型液 压系统，在发热不是很大的情况下，在回油口安装 一 个风机将热量抽出，而间接风冷则是利用制冷剂 进行热量 的交换 ，适用于温度控制 比较低的情况 下。该液压试验台油箱温度要求控制在 l 0℃。利 用水冷的方式时必须使水温在 5 o C以下 ，因此水冷 不容易实 现 ，在此提 出利用 制冷 剂制 冷 ，利 用制 冷 剂与热油直接进行热交换的冷却方式。对油温的控 制就是对制冷剂流量的控制，因此能将温度控制在 精确值。 4 油箱温度模糊控制 经典控制理论对于解决线性定常系统的控制问题 是很有效的，然而对于非线性时变系统却难以奏效， 尤其对油温的控制，如果不能知道被控对象的精确数 学模型，那么 P I D控制将失去作用，因此一般的控制 方式难以满足系统的要求。模糊控制的出现实时地解 决了难以准确确定数学模型的被控对象，M a m d a n i 于 1 9 7 4年首先 设计 了模 糊 控制器 ，并用 于锅炉 和蒸汽 机的控制。处理复杂的实际问题时，模糊理论更接近 于客观存在的规律，尤其对时变、大迟滞的被控对象 来讲，模糊控制比传统控制更胜一筹。 模糊控制建立在人工经验的基础之上，主要依靠 控制专家和工作人员的经验和知识。对于该液压系统 油温控制来说，它的输入有两个 输出温度 油箱 内温度与设定温度之间的差值 ，以及该差值的变 化率，输出为电压信号来控制制冷设备，即该模糊控 制器为双输入单输出，其原理如图2所示。 6 2 机床与液压 第 3 8卷 _ 1 『 ‘ 堡壁 墨 } 塑型 墨 『 世堑 ’ _ 一 图2 模糊控制原理图 5 温度数学模型的建立 常温试验台油温要求范围为 l 0～1 5℃，对于该 液压油箱的数学模型，可以根据阶跃响应输出来得出 其动态特性，因此该液压系统温度模型可以简化为一 阶 陨性环节加纯滞后环节组成 ，油箱温度的数学模型 为 ， 1 ／、 k 一 “ 3 - 8 0 s b 。 6 模糊控制规则的建立 文中模糊控制器 的输入为 e 和 ，误差的基本论 域为 [ 一3 0 ，3 0 ] ，误差变化的基本论域为 [一1 ， 1 ] ，误差和误差变 化模 糊状 态 的论 域 为 [一 6 ，6 ] ， 误差及误差变化的量化因子分别取 I ／ 5和6 ；输出为 一 个 lZ ，语言值的模糊子集为 N B ，N S ，Z E ，P S ， P ，代表模糊值为负大、负小、零、正小 、正大， 结合油温控制的大惯性、纯滞后的特点，对模糊控制 规则进行调整。其控制规则如表 1 所示。 表 1 模糊控制规则表 e e c N B 一 6一N S -- 3～Z E _ 1～P S 1 ～P B 3～ 一 3 一1 1 3 6 7 系统仿真分析 该实验的控制对象是油箱温度，采用 M A T L A B ／ S i m u l i n k对控制系统进行仿真，利用 F U Z Z Y工具箱 建立模糊控制器 ，将其作为一子模块插入到 S i m u l i n k 图3 模糊控制器仿真模型 7 ． 1 温度 模糊控 制 与传统 P I D控 制响 应 比较 根据系统的时变特 性 ， 8 当油箱的温度模 型不变时 模糊控制器与 P I D控制器 4 的动态响应 曲线如图 4所 调量磊 翥 篙 图 4 温 度 模 型 不 变 时 明 ～蓑 磊 ， 同 时 具 有 很 强 的 鲁 霾 ⋯ 棒 性 。 ⋯ 一⋯一 7 ． 2 被控对象参数改变时模糊控制与 P I D控制响 应 比较 根据系统的时变特性 ， 当油箱 受 到环 境温 度 等 因 p 素 影 响 ， 传 递 函 数 参 数 改嚣 变 ，即 k 取 3 ． 2 ，时间常 数 取 4 0 0 S ，延 迟 时 间 不