气动变载荷摩擦磨损试验机自抗扰控制研究

摘要

摩擦磨损试验机作为材料性能研究的有力工具已经在各领域得到了广泛应用。气动变载荷摩擦磨损试验机作为其中之一，采用气动加载技术以压缩空气为介质，对其输出的加载压力进行控制。然而，由于气动加载本身具有强非线性、强耦合性、不确定性等特点，使得气动变载荷摩擦磨损试验机数学模型建立不精确，影响压力输出控制精度，进而阻碍了其应用推广。本文将以气动变载荷摩擦磨损试验机压力控制作为研究核心，在分析系统机理的基础上建立数学模型，针对系统扰动设计控制精度高、结构简单的控制器完成对输出压力的实时跟踪控制，具体研究内容及成果如下：
　　首先，介绍了气动变载荷摩擦磨损试验机的结构组成及其工作原理。考虑试验机中电气比例阀及气缸滞后性、负载扰动等非线性因素，在合理假设的基础上针对三者建立了数学模型，并进一步给出了系统模型的状态方程形式。
　　其次，基于系统状态方程存在的耦合项、系统未建模部分和扰动项，设计了一种不依赖于精确数学模型的自抗扰控制器。该方法将不确定性项统一为总扰动通过扩张状态观测器进行估计和补偿。通过与 PID控制器进行仿真对比，仿真结果证实了所设计控制器的有效性及抗扰性，提高了系统的控制品质。同时考虑到系统扰动幅值变化，结合线性自抗扰控制器和非线性自抗扰控制器的优势设计了抗扰范围宽、跟踪精度高、收敛快的线性/非线性自抗扰切换控制器，并进行了切换扩张状态观测器的收敛性分析。最后仿真结果证明其有效解决了气动变载荷摩擦磨损试验机压力跟踪控制中扰动幅值变化的问题，进一步改善了系统的控制品质。
　　最后，基于气动变载荷摩擦磨损试验机工作原理设计了试验平台测控系统，采用VC++语言进行两种控制器数字化程序设计，分别在空载和加载状态下，完成不同加载信号的气动变载荷摩擦磨损试验机压力跟踪控制试验研究。试验结果表明，在一般条件下，自抗扰控制器已经足够满足系统的控制要求；在扰动幅值变化大、频率高的情况下，线性/非线性自抗扰控制器则具有更高的控制精度。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 摩擦磨损试验机原理与分类

1.3 国内外气动加载控制策略研究现状

1.4 论文的主要内容及章节安排

第2章 气动变载荷摩擦磨损试验机建模与分析

2.1 引言

2.2 气动变载荷摩擦磨损试验机工作原理

2.3 气动变载荷摩擦磨损试验机系统数学建模

2.4 本章小结

第3章 气动变载荷摩擦磨损试验机自抗扰控制

3.1 引言

3.2 自抗扰控制基本原理

3.3 自抗扰控制器设计

3.4 仿真研究

3.5 本章小结

第4章 气动变载荷摩擦磨损试验机线性/非线性自抗扰切换控制

4.1 引言

4.2 线性/非线性自抗扰切换控制原理

4.3 线性/非线性自抗扰切换控制器的设计

4.4 LESO/ESO的收敛性分析

4.5 仿真研究

4.6 本章小结

第5章 气动变载荷摩擦磨损试验机试验研究

5.1 引言

5.2 气动变载荷摩擦磨损试验机试验平台

5.3 控制器数字化设计

5.4 气动变载荷摩擦磨损试验机试验结果与分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢