公路混凝土疲劳试验机电液伺服控制系统研究

论文摘要

混凝土广泛应用于高速路、高架路、立交桥和公路桥梁等公路路面建设。我国目前车辆超载现象较为普遍，混凝土路面在实际运营中要承受不同车辆荷载的反复疲劳作用，导致路面发生早期破坏，严重影响交通运输的顺畅，造成重大经济损失甚至危及生命安全。路面建设和新型混凝土的研制都必须测量其抗疲劳性能，评定质量，促进合理使用，确保生命及财产安全、交通舒畅，而能够模拟车辆交变载荷作用、实现公路混凝土疲劳加载的试验机将成为关键设备。公路混凝土在车辆载荷作用下要受到交变的应力，本文采用理论研究、计算机仿真和模拟试验相结合的研究方法，设计了电液伺服控制系统，包括系统液压原理、主要元件的设计计算、液压系统的匹配和测控系统的原理设计。测控系统完成对试件受力的闭环控制，实现按预定规律加载的目的。在分析了伺服阀的传递函数和详细推导了伺服阀控对称液压缸的传递函数之后，建立了控制系统的数学模型。接着对控制算法进行较为深入的研究，利用PID控制器可以消除稳态误差、模糊控制器具有良好鲁棒性，把这两者结合起来，使PID参数模糊化，并用MATLAB模糊工具箱设计出模糊参数自适应PID控制器。根据该控制系统的传递函数，利用SIMULINK建立其仿真模型，用PID控制、模糊控制和模糊参数自适应PID三种控制算法分别对系统进行了阶跃响应和正弦跟踪仿真研究，仿真曲线显示了模糊参数自适应PID控制器的优良性能。最后搭建了循环荷载模拟试验台，设计了液压回路和测控系统，并编写了试验台控制软件。试验曲线显示，模拟试验台能按预定函数规律对试件施加循环荷载。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 公路建设与公路混凝土的疲劳破坏
• 1.1.2 疲劳试验机的发展概况
• 1.2 研究目标、意义和方法
• 1.2.1 研究目标
• 1.2.2 研究意义
• 1.2.3 研究方法
• 1.3 论文的内容安排
• 第二章 控制系统设计
• 2.1 设计要求
• 2.1.1 公路混凝土的疲劳荷载
• 2.1.2 设计要求
• 2.2 系统结构原理
• 2.3 主要液压元件的设计计算
• 2.3.1 液压缸
• 2.3.2 伺服阀
• 2.4 试验机液压系统的匹配分析
• 2.4.1 试验机液压缸负载特性
• 2.4.2 试验机液压缸、伺服阀和泵站的匹配
• 2.4.3 蓄能器的匹配
• 2.5 测控系统原理分析
• 2.5.1 上位机和下位机的任务分工
• 2.5.2 下位机在实时控制中的应用
• 2.6 本章小结
• 第三章 控制系统建模
• 3.1 理论模型的建立
• 3.2 伺服阀的传递函数
• 3.3 伺服阀控液压缸的数学建模
• 3.3.1 滑阀的流量方程
• 3.3.2 液压缸连续性方程
• 3.3.3 液压缸和负载的力平衡方程
• 3.3.4 阀控液压缸的方块图和传递函数
• 3.4 其它环节的传递函数
• 3.4.1 伺服放大器的传递函数
• 3.4.2 传感器的传递函数
• 3.5 系统参数的确定
• 3.5.1 伺服阀参数及其传递函数
• 3.5.2 伺服阀控液压缸参数及其传递函数
• 3.5.3 其它环节的参数
• 3.6 本章小结
• 第四章 控制策略的研究
• 4.1 PID控制与模糊控制
• 4.1.1 PID控制基本原理
• 4.1.2 模糊控制基本原理
• 4.2 模糊参数自适应PID控制
• 4.3 公路混凝土疲劳试验中的模糊参数自适应PID
• 4.3.1 模糊控制器的语言变量
• 4.3.2 语言变量论域上的模糊子集
• 4.3.3 模糊规则表的确定
• 4.4 本章小结
• 第五章 控制系统仿真与试验研究
• 5.1 控制系统的传递函数
• 5.1.1 传递函数方块图
• 5.1.2 系统开环传递函数
• 5.2 控制系统的仿真
• 5.2.1 系统的仿真模型
• 5.2.2 仿真结果
• 5.3 模拟试验台的试验研究
• 5.3.1 模拟试验台液压原理
• 5.3.2 模拟试验台测控系统
• 5.3.3 控制软件的编写
• 5.3.4 试验研究
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢
• 附录一
• 附录二
• 附录三