轮对检压机比例溢流阀保压控制策略研究

摘要

在机车轮对反压试验中，反压压力的恒定对检测轮对装配质量起着至关重要的作用。反压压力稳定是通过比例溢流阀控制，然而比例溢流阀存在滞环、非线性、时变性等特点且容易受外界干扰，导致在实际反压过程中出现频繁且剧烈的压力波动。故本文旨在研究一种高精度、高稳定性的控制策略，抑制各种干扰保证反压试验的可靠性。本文主要研究内容如下： （1）概述国内外摩擦补偿方法和电液系统控制策略研究现状及其优缺点。分析各摩擦模型优劣，确定使用LuGre模型。阐述模糊控制基本原理，建立先导阀、主阀、油缸等数学模型，推导反压试验控制系统开环传递函数。 （2）针对比例电磁铁摩擦力因素导致的滞环特性，提出利用LuGre模型摩擦补偿方法。分析模型各参数意义，提出参数辨识方法并在Simulink中建立摩擦力模型。构建比例溢流阀AMESim模型，通过AMESim/Simulink联合仿真，验证LuGre模型摩擦补偿效果。经摩擦补偿后，阀芯响应更快，跟踪效果好，滞环率降低至0.8%。 （3）提出摩擦前馈补偿变论域模糊PID控制策略。结合PID结构简单和模糊控制可动态调节参数的优势，设计模糊PID。但是，当误差在零附近时该算法控制精度令人不满意。故引入变论域的思想，根据误差大小改变论域，弥补控制精度不高的短板。仿真结果表明，变论域模糊PID控制可以有效降低超调，缓解振荡，但响应时间未明显提升。最终提出前馈与反馈复合控制策略，首先摩擦前馈补偿减小滞环，提高控制电压—压力特性曲线线性度，减少调节次数。再结合变论域模糊PID控制，抑制外界干扰。通过仿真验证算法有效性，响应时间缩短22.2%，并且在施加干扰，阻尼与频率变化时系统均可自适应调节，鲁棒性好。 （4）以轮对检压机硬件为根本，在原有控制程序基础上，编写本文控制策略程序。首先，通过实验验证摩擦补偿效果，滞环率大幅下降，相比未补偿前在同一控制电压下，最大压力差由0.52MPa降至0.14MPa。其次，将控制策略应用于轮对实际反压试验中，该策略能有效应对外界干扰，压力基本保持恒定，验证了算法有效性与可靠性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 摩擦补偿研究现状

1.3 电液控制系统控制策略研究现状

（1）PID控制

（2）滑模控制

（3）自适应控制

（4）反馈线性化控制

（5）模糊控制算法

1.4 论文研究的目的意义及主要内容

1.4.1 论文研究的目的意义

1.4.2 论文研究的主要内容

第2章 比例溢流阀保压控制策略理论与系统建模

2.1 摩擦力分析及摩擦模型选择

2.1.1 比例溢流阀滞环产生原因

2.1.2 摩擦模型的选择

2.2 PID控制基本理论

2.3 模糊控制基本理论

2.3.1 模糊集合与隶属度函数

2.3.2 模糊规则与模糊推理

2.3.3 模糊控制结构

2.3.4 轮对检压机模糊控制系统

2.4 比例溢流阀保压控制系统建模

2.4.1 比例放大器数学模型

2.4.2 比例电磁铁数学模型

2.4.3 先导阀数学模型

2.4.4 比例溢流阀主阀数学模型

2.4.5 轮对检压机反压试验控制系统传递框图

2.5 本章小结

第3章 比例溢流阀摩擦力分析及摩擦补偿

3.1 比例电磁铁摩擦力测量方案

3.2 LuGre模型参数辨识

3.2.1 静态参数辨识

3.2.2 动态参数辨识

3.3 摩擦力模型构建及Simulink仿真

3.4 摩擦补偿仿真分析

3.4.1 AMESim仿真模型建立

3.4.2 基于LuGre模型的摩擦补偿器联合仿真建模

3.4.3 摩擦补偿仿真对比分析

3.5小结

第4章 摩擦前馈补偿变论域模糊PID控制策略研究

4.1 模糊PID控制策略

4.1.1 模糊PID控制器结构

4.1.2 模糊PID控制器设计

4.2 变论域模糊PID控制策略

4.2.1 变论域模糊控制器原理

4.2.2 变论域的伸缩因子

4.2.3 变论域模糊PID控制的结构

4.2.4 模糊控制规则设计

4.2.5 模糊清晰化

4.2.6 MATLAB/Simulink仿真分析

4.3 摩擦前馈补偿变论域模糊PID控制策略研究

4.3.1 摩擦前馈补偿变论域模糊PID控制器结构

4.3.2 控制策略仿真分析

4.4 本章小结

第5章 轮对检压机反压试验研究

5.1 轮对检压机试验平台

5.1.1 试验平台控制结构

5.1.2 试验平台液压原理图

5.1.3 试验平台硬件组成

5.1.4 试验平台软件设计

5.2 验证摩擦补偿滞环改善试验

5.2.1 试验方案设计

5.2.2 实验步骤及数据处理

5.3 摩擦前馈补偿VFPID保压控制效果试验

5.3.1 阶跃力响应试验

5.3.2 保压阶段实时控制试验

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录A 攻读硕士期间取得的科研成果

附录B 攻读硕士期间参与的科研项目