液壓同步頂升控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究碩士學(xué)位(1)

1、<p>　　碩 士 學(xué) 位 論 文</p><p>　　液壓同步頂升控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究</p><p>　　分類號(hào)（中圖法） TP273 UDC (DDC)： 620 密級(jí) 公 開(kāi) </p><p>　　論文作者姓名 *** 學(xué)號(hào) 0930604020 單位 河 海 大 學(xué) </p&g

2、t;<p>　　論文中文題名 液壓同步頂升控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究 </p><p>　　論文中文副題名 無(wú) </p><p>　　論文英文題名 Design and Research of Hydraulic Synchronous

3、 Lift Control System </p><p>　　論文英文副題名 None </p><p>　　論文語(yǔ)種漢論文摘要語(yǔ)種 漢、英 論文頁(yè)數(shù) 91 論文字?jǐn)?shù) 5.4（萬(wàn)）</p><p>　　論文主題詞液壓同步頂升控制、電液比例減壓閥、灰色預(yù)測(cè)模糊控制、

4、Matlab、WebAccess </p><p>　　申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩 士 專 業(yè) 名 稱 控制理論與控制工程 </p><p>　　研究方向 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng) </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名 *** 導(dǎo)師單位 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院

5、 </p><p>　　論文答辯日期 2012 年 月 日 </p><p>　　Design and Research of Hydraulic Synchronous Lift Control System</p><p>　　Dissertation Submitted to</

6、p><p>　　Hohai University</p><p>　　In Fulfillment of the Requirement</p><p>　　For the Degree of</p><p>　　Master of Engineering</p><p><b>　　by</b>&l

7、t;/p><p>　　Zhonghao Li</p><p>　　(Institute of Energy and Electrical)</p><p>　　Dissertation Supervisor: Associate ProfessorGuo-fang Lv</p><p>　　March, 2012 Nanjing,

8、 P.R.China學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明：</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　大型建筑物頂升平移技術(shù)作為一種新型的建筑物改造技術(shù)，以其施工快捷、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、效果良好等優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)內(nèi)外大型建筑物改造工程中得到了廣泛的應(yīng)用，是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的新型技術(shù)。然而普通的頂升技術(shù)常常無(wú)法保證頂升精度和穩(wěn)定性，而且工作量大、容易拖延工程時(shí)間、影響工

9、作效率，并且容易發(fā)生安全隱患。針對(duì)這種情況，在分析已有系統(tǒng)的利弊后，本文基于中海油油品1#汽車裝車臺(tái)整體升高改造工程，在利用現(xiàn)代測(cè)量理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合同步頂升理論和控制算法，研究并設(shè)計(jì)了一套液壓同步頂升控制的設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　在本文中，首先就建筑物頂升平移技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平進(jìn)行了分析、研究，而后針對(duì)實(shí)際的工程項(xiàng)目提出了一種利用電液比例減壓閥+可編程邏輯控制器+組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。然后對(duì)各

10、種控制算法進(jìn)行了介紹，針對(duì)控制要求選用了一種灰色預(yù)測(cè)模糊控制算法作為系統(tǒng)的控制策略，并且結(jié)合電氣和機(jī)械部分的數(shù)學(xué)模型，在Matlab中通過(guò)Simulink工具搭建了控制系統(tǒng)的模型進(jìn)行仿真，從理論上驗(yàn)證了控制策略的可行性，并通過(guò)與傳統(tǒng)PID、普通模糊控制算法的仿真比較，突出了該控制策略的先進(jìn)性。詳細(xì)描述了設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和上位機(jī)的監(jiān)控軟件：硬件系統(tǒng)主要包括液壓系統(tǒng)、電液比例減壓閥、PLC控制柜、檢測(cè)傳感器、上位機(jī)等模塊；監(jiān)控軟件包括

11、上位機(jī)人機(jī)界面、PLC控制軟件兩大部分，上位機(jī)專用的人機(jī)交互界面（HMI）采用研華WebAccess7.0版本的網(wǎng)際組態(tài)軟件作為平臺(tái)開(kāi)發(fā)而成，PLC控制軟件采用三菱專用編程軟件GX-DEVELOPER V8.52E編制了梯形圖控制程序；設(shè)計(jì)了PLC與WebAccess的通訊模塊，詳述了通信方式及通信協(xié)議。</p><p>　　最后，針對(duì)本項(xiàng)目中的不足和出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，提出了以后需要進(jìn)一步提高和研究的方向。<

12、/p><p>　　關(guān)鍵詞：液壓同步頂升控制 電液比例減壓閥 灰色預(yù)測(cè)模糊控制Matlab WebAccess</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The technology of lifting and translation of Large buildings is a new type of build

13、ing reconstruction technique,with its fast construction, affordable,good effect and other advantages,it has set up a wide range of applications in the large building renovation engineering at home and abroad,and it is a

14、new technology which has a wide application prospects.However, ordinary lifting technique is often not only ensure lifting accuracy and stability,but also has a big workload, is easy to delay the p</p><p>　　

15、In this article,firstly,it researchs the development level of building lifting and translation technology at home and abroad, and then designs a kind of control system which makes use of Electro-hydraulic proportional pr

16、essure reducing valve + PLC + SCADA based on the actual engineering project.After that,it introduces all sorts of control algorithm,and chooses the grey prediction fuzzy control algorithm as the system control algorithm

17、to the request of control. Combined with the mathematical mo</p><p>　　At last, according to the deficiencies and problems occurred in this project, we puts forward the direction that we need to improve and r

18、esearch in future.</p><p>　　Key words: Hydraulic synchronous lift control; Electro-hydraulic proportional pressure reduction valve; Grey prediction fuzzy control; Matlab; WebAccess</p><p><b&

19、gt;　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄IV</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p&

20、gt;　　1. 1 研究背景1</p><p>　　1. 2 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)1</p><p>　　1. 2. 1 國(guó)外同步頂升技術(shù)的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1. 2. 2 國(guó)內(nèi)同步頂升技術(shù)的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1. 3 課題在實(shí)際應(yīng)用方面的意義、價(jià)值3</p><p>

21、;　　第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)7</p><p>　　2. 1 建筑物同步頂升7</p><p>　　2. 1. 1 頂升工作原理7</p><p>　　2. 1. 2 設(shè)計(jì)目標(biāo)和功能8</p><p>　　2. 2 系統(tǒng)總體框架9</p><p>　　2. 3 液壓同步頂升控制系統(tǒng)主要電氣原理圖1

22、0</p><p>　　2. 4 監(jiān)控模式的選擇11</p><p>　　第三章 灰色預(yù)測(cè)模糊控制算法12</p><p>　　3. 1 控制策略的選擇12</p><p>　　3. 2 模糊控制18</p><p>　　3. 2. 1 模糊控制的概念和發(fā)展18</p><p>

23、;　　3. 2. 2 模糊控制系統(tǒng)19</p><p>　　3. 2. 3 模糊控制器20</p><p>　　3. 2. 4 液壓控制系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)23</p><p>　　3. 3 灰色預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)36</p><p>　　3. 3. 1 灰色系統(tǒng)理論36</p><p>　　3. 3.

24、 2 灰色預(yù)測(cè)模型37</p><p>　　3. 3. 3 GM(1,1)預(yù)測(cè)模型的設(shè)計(jì)37</p><p>　　3. 3. 4 灰色等維新息模型的設(shè)計(jì)40</p><p>　　3. 3. 5 灰色預(yù)測(cè)模型的精度檢驗(yàn)41</p><p>　　3. 4 灰色預(yù)測(cè)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)42</p><p>

25、　　第四章 灰色預(yù)測(cè)模糊控制的計(jì)算機(jī)仿真44</p><p>　　4. 1 控制算法仿真44</p><p>　　4. 2 液壓控制系統(tǒng)模糊控制器MATLAB環(huán)境下的設(shè)計(jì)44</p><p>　　4. 2. 1 MATLAB概述44</p><p>　　4. 2. 2 FIS編輯器的設(shè)計(jì)45</p><p

26、>　　4. 2. 3 隸屬函數(shù)編輯器的設(shè)計(jì)46</p><p>　　4. 2. 4 模糊規(guī)則編輯器的設(shè)計(jì)47</p><p>　　4. 2. 5 規(guī)則觀察器48</p><p>　　4. 2. 6 曲面觀察器49</p><p>　　4. 3 液壓控制系統(tǒng)模糊控制器MATLAB環(huán)境下的仿真49</p>

27、<p>　　4. 3. 1 Simulink概述49</p><p>　　4. 3. 2 控制對(duì)象傳遞方程的建立50</p><p>　　4. 3. 3 液壓控制系統(tǒng)的仿真53</p><p>　　第五章 基于灰色預(yù)測(cè)模糊控制的液壓同步頂升控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)59</p><p>　　5. 1 液壓同步頂升控制系統(tǒng)59&

28、lt;/p><p>　　5. 2 液壓同步頂升控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)59</p><p>　　5. 2. 1 液壓系統(tǒng)59</p><p>　　5. 2. 2 電液比例減壓閥61</p><p>　　5. 2. 3 可編程邏輯控制器62</p><p>　　5. 2. 4 PLC編程軟件65</p&g

29、t;<p>　　5. 2. 5 PLC編程語(yǔ)言66</p><p>　　5. 2. 6 檢測(cè)傳感器67</p><p>　　5. 3 監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)71</p><p>　　5. 3. 1 組態(tài)軟件介紹71</p><p>　　5. 3. 2 WebAccess網(wǎng)際組態(tài)軟件72</p><

30、;p>　　5. 3. 3 基于WebAccess的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)73</p><p>　　5. 4 PLC與組態(tài)軟件WebAccess的通信76</p><p>　　第六章 總結(jié)與展望78</p><p>　　6. 1 總結(jié)78</p><p>　　6. 2 展望79</p><p><

31、b>　　參考文獻(xiàn)80</b></p><p><b>　　致 謝82</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1. 1 研究背景</p><p>　　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的飛速發(fā)展，像城市規(guī)劃、舊城改造、道路拓寬這樣的建筑工程劇

32、增，尤其是各種公路、鐵路、大橋的建設(shè)與改造更是成為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)脈。這些建筑工程在實(shí)施過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到兩類問(wèn)題：一類是進(jìn)行規(guī)模較大的工程建造，需要對(duì)一些體積大、重量大的工程建筑物局部體進(jìn)行精確的整體抬升，比如橋梁建設(shè)中的橋面路段建造、提高橋梁凈空等，有時(shí)候甚至要求在不中斷交通的情況下進(jìn)行橋梁支座的更換；另一類是工程規(guī)劃與原有的建筑物發(fā)生沖突矛盾，不少建筑物因?yàn)橐?guī)劃的原因不得不拆除[1]。但其中一些建筑物因?yàn)榻ǔ蓵r(shí)間不長(zhǎng)，仍然具有很大的實(shí)

33、用價(jià)值，尤其是一些古建筑，或?qū)儆谑鼙Ｗo(hù)的文物，或是具有一定象征意義的人文景觀，如果對(duì)其拆除，損失更是難以估計(jì)。有時(shí)為了減少損失，不得不修改原來(lái)的規(guī)劃，這樣就可能給城市建設(shè)造成了永久的缺憾，甚至?xí)a(chǎn)生新的問(wèn)題[2]。</p><p>　　同步頂升技術(shù)或稱同步移位技術(shù)的出現(xiàn)，成為了解決這一矛盾的重要方法和手段，很好地解決了這一難題。所謂同步頂升（移位）技術(shù)，就是在保證建筑物結(jié)構(gòu)的整體性和使用功能的前提下，采用一系列機(jī)

34、械的或者其它的手段使建筑物整體平穩(wěn)的升降、平移，從而達(dá)到建筑物整體移位的目的。同步頂升（移位）技術(shù)最早源于大型設(shè)備與建筑物移位（頂升、平移），大型建筑物整體遷移技術(shù)是指在保證大型建筑物主體結(jié)構(gòu)完整和使用功能的前提下，將其從原址遷移到新址的技術(shù)。主要包括建筑物水平方向的平移、旋轉(zhuǎn)、糾偏等；同時(shí)還包括建筑物垂直方向的頂升，如橋梁的加高或支座的更換、房屋糾傾以及頂升調(diào)坡等。其基本原理是：首先將建筑物頂起，托換到托梁上，在托梁下安裝行走或支撐動(dòng)

35、力系統(tǒng)，然后將建筑物與原基切斷，使建筑物成為可移動(dòng)體，通過(guò)施加動(dòng)力將建筑物整體遷移到指定位置，就位后再進(jìn)行新的連接。</p><p>　　1. 2 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài)</p><p>　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量采用頂升技術(shù)進(jìn)行大型建筑物頂升、平移及大型設(shè)備結(jié)構(gòu)的位移中的應(yīng)用成功的范例，并且應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。</p><p>　　1. 2. 1 國(guó)外同步頂

36、升技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　通過(guò)查找資料可知，國(guó)外的頂升技術(shù)在實(shí)際工程中應(yīng)用的比較早，比如古建筑物的移位、更換橋梁支座、頂推梁體等。</p><p>　　世界上最早的建筑物整體移位技術(shù)出現(xiàn)在新西蘭，工程技術(shù)人員采用蒸汽機(jī)車作為牽引裝置，將新普利茅斯市的一座一層民宅移到新址[3]。1901年，美國(guó)依阿華大學(xué)由于校園擴(kuò)建，將三層高、重約6000KN的科學(xué)館進(jìn)行了整體平移，為了繞過(guò)另一

37、棟樓，在移動(dòng)過(guò)程中采用了轉(zhuǎn)向技術(shù)，將其旋轉(zhuǎn)45度，這一技術(shù)在當(dāng)時(shí)的土木工程界引起了極大的興趣和廣泛的評(píng)論，這座樓至今仍在使用，已經(jīng)經(jīng)受了100多年的考驗(yàn)[4]。</p><p>　　金門大橋是世界聞名的橋梁之一，是近代橋梁工程的一項(xiàng)奇跡。大橋雄峙于美國(guó)加利福尼亞州寬1900多米的金門海峽之上，歷時(shí)4年和10萬(wàn)多噸鋼材，耗資達(dá)3550萬(wàn)美元建成，大橋全長(zhǎng)達(dá)2000米，橋面寬27.4米，造型宏偉壯觀、樸素?zé)o華。為了保

38、證大橋能夠承受住潛在的地震威脅，在2002年，Balfour Betty建筑公司和ENERPAC公司利用液壓控制同步頂升系統(tǒng)在不中斷交通的情況下對(duì)金門大橋進(jìn)行了抗震改造。金門大橋抗震改造完成已經(jīng)有好幾年的時(shí)間了，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，其加固效果良好[5]。</p><p>　　2004年由法國(guó)總統(tǒng)希拉克親自剪彩竣工的法國(guó)米勞大橋是世界上最高的大橋，高達(dá)343m，橋面長(zhǎng)2460m，寬27.35m，總重36000t[6]。國(guó)內(nèi)

39、有關(guān)專家曾經(jīng)形象地說(shuō)：“這幾乎就是在比東方明珠矮一點(diǎn)的高空建造一段長(zhǎng)2公里的高架道路”。橋梁下面不是一馬平川的大地，而是一條深深的山谷，在如此高的位置上進(jìn)行如此大規(guī)模的施工建設(shè)對(duì)人類自身而言就是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)[7]。為了解決在深谷中架設(shè)臨時(shí)橋墩、重型鋼結(jié)構(gòu)橋面架設(shè)等施工難題，美國(guó)實(shí)用動(dòng)力集團(tuán)公司和ENERPAC歐洲工程中心采用計(jì)算機(jī)控制同步頂升系統(tǒng)和以超高壓液壓為動(dòng)力的全自動(dòng)智能化控制橋面平推系統(tǒng)成功地解決了大橋建造中的技術(shù)難題[8]，

40、一方面采用計(jì)算機(jī)控制同步頂升系統(tǒng)輔助橋墩建造，幫助橋墩升高到77米到245米不等；另一方面采用特殊設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制超高壓液壓平移系統(tǒng)，解決大橋鋼結(jié)構(gòu)橋面平移就位難題。</p><p>　　1. 2. 2 國(guó)內(nèi)同步頂升技術(shù)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　在國(guó)外，關(guān)于先進(jìn)頂升機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用很普遍，尤其是對(duì)橋梁支座進(jìn)行更換時(shí)，也主要使用了整體同步頂升技術(shù)。在國(guó)內(nèi)，頂升技術(shù)從50年代才開(kāi)始發(fā)展，

41、起初應(yīng)用于鐵路橋梁的架設(shè)、移位和落梁；從八十年代末起，液壓同步頂升技術(shù)開(kāi)始在我國(guó)迅猛發(fā)展，先后應(yīng)用于上海石洞口第二電廠、上海東方明珠廣播電視塔鋼天線桅桿整體提升、北京西客站主站房鋼門門樓整體提升、浦東機(jī)場(chǎng)停機(jī)庫(kù)提升以及上海大劇院鋼屋架整體提升等一系列重大建設(shè)工程中，獲得了巨大的成功[9]。</p><p>　　在公路建設(shè)方面，頂升技術(shù)最初僅僅被用于單片預(yù)制梁的架設(shè)和移位。2003年9月，跨越海河的獅子林河橋和北安

42、橋被分別頂升1.271米和1.50米，成為我國(guó)首次進(jìn)行的橋梁整體升高工程。</p><p>　　上海音樂(lè)廳建于1930年，原名南京大戲院，具有歐洲古典主義風(fēng)格的建筑，被譽(yù)為“上海的巴黎歌劇院” [7]。2002年，為市政建設(shè)的需要對(duì)其進(jìn)行平移約66.46m，并且頂升3.38m。音樂(lè)廳結(jié)構(gòu)空曠，空間剛度較差，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很低，將如此風(fēng)格和結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)秀保護(hù)建筑整體移位，在國(guó)內(nèi)尚屬首例，在施工難度上堪稱國(guó)內(nèi)之最，頂升高

43、度在世界上也屬罕見(jiàn)。音樂(lè)廳整體移位工程開(kāi)發(fā)了一套具有四組共59臺(tái)高精度頂升液壓缸的計(jì)算機(jī)控制同步頂升和頂推系統(tǒng)，將建筑物第一次頂升1.7m，然后依靠有自動(dòng)控制能力的4路同步頂推系統(tǒng)，將建筑物推移至預(yù)定位置，再進(jìn)行第二次頂升1.68m[10]。 </p><p>　　吳淞大橋是一座連續(xù)梁橋，橋墩采用的是樁柱結(jié)構(gòu)。由于北引橋的橋面高度太低，按照傳統(tǒng)的施工方法，需把北引橋全部拆掉，然后再重新建造一座高度和立交高架橋相等

44、的引橋與之相接。但是這樣做的話不僅要封閉交通，而且經(jīng)濟(jì)損失也很大。施工技術(shù)人員經(jīng)過(guò)3個(gè)月的艱苦攻關(guān)最終設(shè)計(jì)出了一套整體同步頂升方案，平均將原橋頂高了0.85米。與房屋建筑相比，吳淞大橋是線性結(jié)構(gòu)，頂升的難度更大[11]。施工隊(duì)將大橋立柱上的蓋梁和板梁穩(wěn)穩(wěn)托住，然后將立柱割斷，用12只頂力為150噸以上的千斤頂將橋面同步地頂升到了預(yù)定高度。利用此方案施工比拆橋重建省一半時(shí)間，不需要占用周圍的道路，并且將投資節(jié)省了35%。經(jīng)過(guò)精密的儀器檢測(cè)

45、，北引橋整體頂升獲得了成功，橋面沒(méi)有裂縫，對(duì)接良好。</p><p>　　1. 3 課題在實(shí)際應(yīng)用方面的意義、價(jià)值</p><p>　　青島中海油油品1#汽車裝車臺(tái)為二層混凝土框架結(jié)構(gòu)，5.1米標(biāo)高處為一層平臺(tái)，9.9米標(biāo)高處為二層平臺(tái)（二層層高為4.8米），13.5米標(biāo)高處為檐口，檐口高度8.4米；該工程共兩排柱，每排6根，排距6米，每排柱間距為10米；鋼筋砼獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1.5米

46、，基礎(chǔ)底標(biāo)高為3.6米，基礎(chǔ)頂標(biāo)高為4.2米，一層地面標(biāo)高為5.1米，屋頂為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，底層柱側(cè)面安裝有部分設(shè)備及管線。由于裝車臺(tái)凈空高度不夠，影響裝車，要求整體升高1.2米。</p><p>　　通過(guò)分析已有系統(tǒng)的利弊，結(jié)合電子技術(shù)、PLC控制技術(shù)，本文研制開(kāi)發(fā)了一套以電液比例減壓閥+可編程邏輯控制器+組態(tài)軟件為核心設(shè)計(jì)的液壓同步頂升控制系統(tǒng)。為了使得控制更加精確，本文考慮了更多可能會(huì)影響頂升效果的因素后，在控制

47、中加入了模糊控制算法，對(duì)輸出量進(jìn)行優(yōu)化控制，并且為了解決模糊控制響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，以及減小擾動(dòng)信號(hào)對(duì)模糊控制造成的不良影響，在模糊控制的反饋環(huán)節(jié)加入了灰色預(yù)測(cè)模塊構(gòu)成灰色預(yù)測(cè)模糊控制系統(tǒng)，結(jié)合電氣和機(jī)械部分的數(shù)學(xué)模型循序漸進(jìn)地建立起仿真模型，從理論基礎(chǔ)上證明了算法的可行性，使得控制更加精確、頂升更加安全。該系統(tǒng)能全自動(dòng)完成同步頂升過(guò)程，實(shí)現(xiàn)位移控制、過(guò)程顯示、故障報(bào)警等多種功能，控制精度更高，操作更加簡(jiǎn)單，整體安全可靠，并且提供了遠(yuǎn)程監(jiān)

48、控的功能，方便專家進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)、遠(yuǎn)程會(huì)診。</p><p><b>　　全文安排如下：</b></p><p>　　第一章：緒論，本章主要闡述了本課題的研究背景、國(guó)內(nèi)外的研究狀況和實(shí)際意義。</p><p>　　第二章：系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。本章首先介紹了建筑物頂升的步驟，然后介紹了系統(tǒng)的總體框架、設(shè)計(jì)思想及監(jiān)控模式的選擇，并且繪制了系統(tǒng)電氣原理

49、圖。</p><p>　　第三章：系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)。本章首先詳述了控制系統(tǒng)各種控制策略，并且將其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。針對(duì)控制要求選用了一種灰色預(yù)測(cè)模糊控制算法作為系統(tǒng)的控制算法，然后對(duì)該控制理論進(jìn)行了分析，并且進(jìn)行了控制器的設(shè)計(jì)。</p><p>　　第四章：控制算法的計(jì)算機(jī)仿真。本章首先在Matlab環(huán)境下進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，然后建立了控制對(duì)象的傳遞方程，利用Simulink工具進(jìn)行了算法

50、仿真，并與其他算法進(jìn)行比較，從理論上證明了灰色預(yù)測(cè)模糊控制策算法的可行性和優(yōu)越性。</p><p>　　第五章：系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)。本章詳細(xì)介紹了液壓同步頂升系統(tǒng)，從液壓部分和電氣部分介紹了系統(tǒng)硬件方面的設(shè)計(jì)，并簡(jiǎn)述了位移傳感器誤差標(biāo)定的方法及算法；軟件方面主要對(duì)用WebAccess7.0網(wǎng)際組態(tài)軟件制作的監(jiān)控界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了上-下位機(jī)通信的設(shè)計(jì)。</p><p>　　第六章：總結(jié)

51、與展望。本章主要對(duì)本文的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，針對(duì)本項(xiàng)目中的不足和問(wèn)題，提出了以后需要進(jìn)一步提高和研究的方向。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</p><p>　　2. 1 建筑物同步頂升</p><p>　　2. 1. 1 頂升工作原理</p><p>　　建筑物同步頂升一般分為承壓、頂升、保持和帶載下降四步:</p&g

52、t;<p><b>　　(l)承壓</b></p><p>　　在頂升前，要將建筑物與支柱連接處打斷才可以進(jìn)行頂升操作，在打斷前要讓液壓千斤頂代替支柱來(lái)承受建筑物的重量，這就要求油泵可以單獨(dú)給某個(gè)液壓千斤頂供油使其進(jìn)行單獨(dú)頂升，根據(jù)建筑構(gòu)件圖估算出各個(gè)頂升點(diǎn)近似的載荷值，調(diào)節(jié)各頂升點(diǎn)的頂升力。為了避免計(jì)算誤差以及確保工程安全，初始頂升力應(yīng)略小于計(jì)算的近似載荷值。待各頂升點(diǎn)調(diào)整好

53、后，調(diào)節(jié)各電液比例減壓閥使其出口壓力逐步增加，且每次增加的壓力要固定，并根據(jù)位移傳感器的采樣數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否產(chǎn)生位移。當(dāng)各頂升點(diǎn)由于壓力變化使其施力超過(guò)頂升點(diǎn)的載荷時(shí)，千斤頂活塞伸出使該點(diǎn)產(chǎn)生位移，壓力和位移的實(shí)時(shí)變化通過(guò)壓力傳感器和位移傳感器傳回計(jì)算機(jī)。當(dāng)位移傳感器測(cè)得微小位移時(shí)，和該位移傳感器對(duì)應(yīng)的千斤頂停止動(dòng)作，即相關(guān)的電液比例減壓閥出口壓力停止變化，當(dāng)所有的出口壓力穩(wěn)定后，建筑物的重量完全由千斤頂承載，此時(shí)建筑物處于“懸浮”狀態(tài)，

54、承壓步驟結(jié)束。</p><p><b>　　(2)頂升</b></p><p>　　在實(shí)際工程中，建筑物要求提升的高度往往大于千斤頂?shù)牧砍?，鑒于這種情況，通常系統(tǒng)會(huì)采用分步頂升法，即將整個(gè)頂升過(guò)程分成了很多小步，每次頂升一小步。例如此次工程要求頂升1.2m，即1200mm，液壓千斤頂?shù)牧砍虨?00mm，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)千斤頂在接近滿量程的部分非線性比較嚴(yán)重，因此將整個(gè)頂升

55、過(guò)程分作15個(gè)小步，每次頂升80mm，逐次完成頂升過(guò)程。開(kāi)始頂升后，按照采樣周期采樣得來(lái)的位移判斷所有頂升點(diǎn)的同步情況，設(shè)R為預(yù)先設(shè)定的千斤頂行程，即分步頂升每一次的高度，位于頂升點(diǎn)處的位移傳感器將頂升數(shù)據(jù)S實(shí)時(shí)地傳回來(lái)，通過(guò)控制策略進(jìn)行計(jì)算，輸出到電液比例減壓閥控制出口壓力，進(jìn)而控制液壓千斤頂來(lái)調(diào)節(jié)頂升的位移，從而達(dá)到控制頂升過(guò)程平穩(wěn)、順利地進(jìn)行。當(dāng)S>= R時(shí)，相應(yīng)的千斤頂停止工作，閥門關(guān)閉，千斤頂鎖死。待所有頂升點(diǎn)都完成頂升

56、工作后，液壓泵關(guān)閉，接下來(lái)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄等一系列工作，并為下一步的頂升工作做準(zhǔn)備。對(duì)于每步頂升中的位移精度，可以通過(guò)智能控制算法來(lái)提高。本步產(chǎn)生的誤差，在下一步頂升中可以消除，因此最終頂升誤差由最后一步的頂升誤差決定。此種方法控制精度較高，控制方法簡(jiǎn)單，便于計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化</p><p><b>　　(3)保持</b></p><p>　　當(dāng)頂升工作完成后，建

57、筑物處于懸浮保持狀態(tài)，為后續(xù)施工的需求，必須暫時(shí)保持頂升位置不變，而千斤頂通過(guò)高壓油管進(jìn)、回油，一旦油管受損爆裂，后果不堪設(shè)想。為確保安全，每個(gè)千斤頂都安裝了液控單向閥。保壓精度和最大保壓時(shí)間主要由液壓系統(tǒng)中所使用的液壓元件的制造精度、密封性決定[7]。單靠液控單向閥進(jìn)行保壓，保壓時(shí)間不能太長(zhǎng)，因?yàn)榧词怪圃炀仍俑撸芊庑栽俸茫矡o(wú)法避免泄漏，可以將千斤頂上自帶的橡皮圈旋起使千斤頂不能由于壓力大而自動(dòng)回油，構(gòu)成了雙保險(xiǎn)，既決了安全問(wèn)題，

58、又為頂升作業(yè)帶來(lái)方便，允許千斤頂在任意位置停留，同時(shí)，施工隊(duì)伍在短時(shí)間內(nèi)對(duì)隔斷處進(jìn)行焊接，盡量減少施工風(fēng)險(xiǎn)。</p><p><b>　　(4)帶載下降</b></p><p>　　帶載下降是在頂升以及后續(xù)的施工全部完成后，將建筑物降回到原始的位置的過(guò)程，一般應(yīng)用于更換橋梁支座的工程。針對(duì)此次工程不需要使用此功能，所以在系統(tǒng)中沒(méi)有設(shè)計(jì)該功能。此過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是頂升過(guò)程的

59、逆過(guò)程，承受的負(fù)載相同，下降方法也相似，只是位移方向相反而已。</p><p>　　2. 1. 2 設(shè)計(jì)目標(biāo)和功能</p><p>　　青島中海油油品1#汽車裝車臺(tái)為二層混凝土框架結(jié)構(gòu)，共兩排柱，每排6根，鋼筋砼獨(dú)立基礎(chǔ)，屋頂為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，底層柱側(cè)面安裝有部分設(shè)備及管線。由于裝車臺(tái)凈空高度不夠，影響裝車，要求整體升高1.2米，基于裝車臺(tái)整體升高改造工程的需求，本文在利用現(xiàn)代測(cè)量理論和技術(shù)的

60、基礎(chǔ)上，結(jié)合同步頂升理論和控制算法，研究了一套液壓同步頂升控制的設(shè)計(jì)方案，完成建筑物同步頂升工作中的承載-頂升-保持的過(guò)程。</p><p>　　該系統(tǒng)能全自動(dòng)完成同步頂升過(guò)程，實(shí)現(xiàn)位移控制、壓力控制、過(guò)程顯示、故障報(bào)警、參數(shù)檢測(cè)記錄等多種功能；該系統(tǒng)控制精度更高，操作更加簡(jiǎn)單，整體安全可靠，同時(shí)提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，方便專家進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)、遠(yuǎn)程會(huì)診。</p><p>　　2. 2 系統(tǒng)總

61、體框架</p><p>　　液壓同步頂升控制系統(tǒng)由PC機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）、電液比例減壓閥、壓力傳感器、位移傳感器、現(xiàn)場(chǎng)智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、液壓設(shè)備及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組成。</p><p>　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　注：圖中只畫(huà)出一個(gè)頂升點(diǎn)，即一根支柱的情況，在實(shí)際工程中，

62、往往需要多個(gè)頂升點(diǎn)，一個(gè)頂升點(diǎn)處放置2組千斤頂（外側(cè)千斤頂和內(nèi)側(cè)千斤頂），一個(gè)位移傳感器、一個(gè)應(yīng)變片。在滿足液壓泵負(fù)載要求的前提下，千斤頂可以通過(guò)分配器連接到同一個(gè)液壓泵上。</p><p>　　在實(shí)際工程中，大型建筑物往往都是體積龐大、重量超重并且分布不均。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有功率重量比大，通過(guò)管道便可以進(jìn)行能量分配和能量傳遞，易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)，因此對(duì)大型建筑物進(jìn)行頂升一般都采用液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)[12]。液壓動(dòng)力

63、系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)液壓泵、電液比例減壓閥、多組千斤頂?shù)葎?dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。液壓泵和千斤頂之間由高壓輸油管道連接，液壓泵和千斤頂可以根據(jù)工程實(shí)際需要自由配置，進(jìn)行重構(gòu)使用。在本文的設(shè)計(jì)中，每一個(gè)頂升點(diǎn)對(duì)應(yīng)有內(nèi)側(cè)和外側(cè)2組千斤頂，2組千斤頂交替頂升可以解決1組千斤頂頂升過(guò)程中更換墊塊麻煩的問(wèn)題。</p><p>　　如圖2-1所示，泵站由可編程控制器PLC對(duì)其閥件進(jìn)行控制，使千斤頂、液壓泵、電液比例減壓閥等按要求動(dòng)作。主

64、控計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通訊向下位機(jī)的PLC發(fā)送控制指令，然后由PLC完成對(duì)泵站的實(shí)時(shí)控制；同時(shí)，PLC采集各組千斤頂?shù)拈y件狀態(tài)、壓力傳感器和位移傳感器的狀態(tài)值上傳給主控計(jì)算機(jī)，完成上位機(jī)和泵站之間數(shù)據(jù)、指令的雙向?qū)崟r(shí)傳輸。</p><p>　　位移傳感器采集到的位移初步處理由可編程控制器PLC完成，比如進(jìn)行一些對(duì)數(shù)據(jù)的放大、縮小等操作來(lái)滿足上位機(jī)的要求。在對(duì)建筑物進(jìn)行頂升時(shí)，位移傳感器放置在建筑物上，直接測(cè)量建筑物的位

65、移，而不是測(cè)量單個(gè)千斤頂?shù)奈灰?，位移傳感器并不屬于某一個(gè)千斤頂，而是一組千斤頂共同作用的結(jié)果。主控計(jì)算機(jī)根據(jù)采集來(lái)的位移進(jìn)行比較、決策，然后向PLC發(fā)送控制指令，控制與位移傳感器相關(guān)聯(lián)的千斤頂動(dòng)作。</p><p>　　從控計(jì)算機(jī)主要用來(lái)運(yùn)行建筑物結(jié)構(gòu)分析軟件，貼在牛腿里面的鋼筋上的應(yīng)變片通過(guò)信號(hào)線將信息傳回計(jì)算機(jī)，可以通過(guò)電腦來(lái)觀察應(yīng)變片在支柱打斷前、后以及在頂升過(guò)程前、中、后的變形情況來(lái)分析建筑物整體變形情況

66、。</p><p>　　2. 3 液壓同步頂升控制系統(tǒng)主要電氣原理圖</p><p>　　電氣控制線路是用導(dǎo)線將電動(dòng)機(jī)、電器，儀表等元器件按一定的要求連接起來(lái)，并實(shí)現(xiàn)某種特定控制要求的電路。電氣控制線路的設(shè)計(jì)分為主線路設(shè)計(jì)和輔助線路設(shè)計(jì)。</p><p>　　主線路是電氣控制線路中大電流通過(guò)的部分，包括從電源到電動(dòng)機(jī)之間相連的電器元件，一般由組合開(kāi)關(guān)﹑主熔斷器﹑接

67、觸器主觸點(diǎn)﹑熱繼電器的熱元件和電動(dòng)機(jī)等組成。圖2-2即為液壓同步頂升控制系統(tǒng)的主回路接線圖。其中FU為保險(xiǎn)絲，QF為空氣開(kāi)關(guān)，KM為接觸器，F(xiàn)R為熱繼電器。輔助線路指的是控制中除主線路以外的線路，其流過(guò)的電流比較小。輔助線路包括控制電路﹑照明電路﹑信號(hào)電路和保護(hù)電路。其中控制電路是由按鈕﹑接觸器和繼電器的線圈及輔助觸點(diǎn)﹑熱繼電器觸點(diǎn)﹑保護(hù)電器觸點(diǎn)等組成。</p><p>　　圖2-2 液壓同步頂升控制系統(tǒng)主回路接

68、線圖</p><p>　　2. 4 監(jiān)控模式的選擇</p><p>　　液壓同步頂升控制系統(tǒng)往往應(yīng)用在建筑物整體移位、建筑模板自動(dòng)爬升、大型設(shè)備起重安裝等領(lǐng)域,操作對(duì)象往往是大型物體，因此施工過(guò)程中的安全是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，這就對(duì)施工單位的安全施工提出了比較高的要求。一方面要求我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性；另一方面可以考慮操作人員及其設(shè)備遠(yuǎn)離施工危險(xiǎn)區(qū)域。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)方案可供

69、選擇：</p><p>　　方案一：PLC控制系統(tǒng)以及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)全部安置在施工危險(xiǎn)區(qū)域界外，二者之間的通信建立在以RS422標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的異步雙向通信上的，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)操作控制系統(tǒng)；</p><p>　　方案二：PLC控制系統(tǒng)安置在施工危險(xiǎn)區(qū)域界外，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以安置在別處，可以在辦公室，也可以在另外一個(gè)城市，二者直接通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)專家人員來(lái)遠(yuǎn)程遙控整個(gè)施工過(guò)程

70、。</p><p>　　由于整個(gè)系統(tǒng)的操作主要由上位機(jī)來(lái)完成，因此兩個(gè)方案各有利弊，在方案一中，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)跟PLC控制柜安置在一起，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)地控制，但是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員要求比較高，操作人員必須熟悉整個(gè)系統(tǒng)的操作，并且為了能及時(shí)地解決現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)問(wèn)題，因此必須有相關(guān)的專家在現(xiàn)場(chǎng)，但是由于時(shí)間、地域等因素，有時(shí)侯可能沒(méi)有相關(guān)的專家在現(xiàn)場(chǎng)；在方案二中，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)跟PLC控制柜不在一處，操作人員可以遠(yuǎn)程控制整個(gè)系

71、統(tǒng)，專家人員也可以提供網(wǎng)上指導(dǎo)，但是考慮到網(wǎng)絡(luò)的延遲性等因素，如果現(xiàn)場(chǎng)有什么突發(fā)狀況，控制可能會(huì)出現(xiàn)延滯，這樣就提高了工程的危險(xiǎn)性。</p><p>　　經(jīng)過(guò)我們查找資料、分析研究以及專家人員的指導(dǎo)，我們綜合了兩個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)，將上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)跟PLC控制柜安置在現(xiàn)場(chǎng)，二者之間通過(guò)以RS422標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的異步雙向通信，然后上位機(jī)通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)跟遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)相連接，這樣就可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作控制，同時(shí)專家人員

72、也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)觀察整個(gè)施工過(guò)程，需要的話也可以及時(shí)地提供實(shí)時(shí)的指導(dǎo)。</p><p>　　第三章 灰色預(yù)測(cè)模糊控制算法</p><p>　　3. 1 控制策略的選擇</p><p>　　液壓控制是液壓技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，同時(shí)它也是自動(dòng)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分，其理論基礎(chǔ)是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并將其運(yùn)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制理論[13]。目前已知的研究

73、已經(jīng)大體上解決了液壓控制系統(tǒng)本身的理論，近年來(lái)的研究大多是傾向于利用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)（如多變數(shù)液壓系統(tǒng)）、對(duì)復(fù)雜因素（如非線性、時(shí)變等）進(jìn)行仿真分析的研究，其中大量的研究是圍繞著動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的。隨著系統(tǒng)應(yīng)用目的的多樣化，控制對(duì)象也變得愈來(lái)愈復(fù)雜，大慣量、變參數(shù)、非線性及外部干擾的問(wèn)題是經(jīng)常遇到的。要使這些系統(tǒng)都能擁有令人滿意的性能，就必須研究系統(tǒng)的性能補(bǔ)償問(wèn)題與近代的控制策略。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)液壓同步控

74、制一般主要有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種基本形式。開(kāi)環(huán)控制的液壓系統(tǒng)，由于它完全地依靠液壓控制元件本身的精度來(lái)控制執(zhí)行元件的同步驅(qū)動(dòng)，而并不對(duì)執(zhí)行元件的輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)與反饋，所以它不能消除或者抑制那些會(huì)對(duì)高精度同步產(chǎn)生不利影響的因素。液壓同步系統(tǒng)的閉環(huán)控制通過(guò)對(duì)執(zhí)行元件的輸出量進(jìn)行檢測(cè)與反饋，從而構(gòu)成反饋閉環(huán)控制，在很大程度上消除或抑制了不利因素的影響，獲得了高精度的同步控制[14]。所以液壓同步閉環(huán)控制已經(jīng)越來(lái)越得到人們的重視，特別是隨著現(xiàn)代

75、控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，該種控制方式幾乎在所有需要高精度同步控制的液壓系統(tǒng)上都得到了較好的應(yīng)用。</p><p>　　縱觀當(dāng)今液壓控制的研究現(xiàn)狀，在現(xiàn)代控制理論研究成果基礎(chǔ)上，近十幾年來(lái)提出了多種先進(jìn)控制策略，并對(duì)其相關(guān)理論和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了研究。常見(jiàn)的先進(jìn)控制策略如下：</p><p><b>　　(1) PID控制</b></p><p&

76、gt;　　在工業(yè)控制過(guò)程中，PID控制是歷史最悠久、生命力最強(qiáng)的控制方式[15]。我們今天熟知的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)展于20世紀(jì)初期，PID控制是一種基于系統(tǒng)誤差的控制方法，通過(guò)對(duì)誤差的“現(xiàn)在”、“過(guò)去”和“未來(lái)”信息進(jìn)行線性組合來(lái)確定控制量，自20世紀(jì)40年代以來(lái)，盡管推出了許多先進(jìn)的控制方法，但PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、模型誤差的魯棒性好及易于操作等優(yōu)點(diǎn)，至今仍然在液壓控制系統(tǒng)占有一席之地?，F(xiàn)在，我國(guó)對(duì)PID控制器的應(yīng)用也非常普遍。&

77、lt;/p><p>　　PID傳遞函數(shù)可表示為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　其中Kp為比例增益系數(shù)，Ki為積分增益系數(shù)，Kd為微分增益系數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，在應(yīng)用PID技術(shù)控制液壓系統(tǒng)時(shí)，參數(shù)的選取有些獨(dú)到之處。在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)Kd和Kp兩個(gè)參數(shù)即可使液壓機(jī)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)控制的狀態(tài)，積分增益系數(shù)Ki對(duì)液壓機(jī)構(gòu)的影響不

78、大，一般可以不予考慮。由于PID控制有其固有的缺點(diǎn)，即難以協(xié)調(diào)快速性和無(wú)超調(diào)之間的矛盾；在參數(shù)變化和外界干擾的情況下其魯棒性不好等，有時(shí)候不能達(dá)到理想的控制效果。隨著對(duì)系統(tǒng)性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的PID控制往往不能滿足系統(tǒng)要求，在這種情況下，對(duì)傳統(tǒng)的PID控制進(jìn)行改造，使其適應(yīng)新的系統(tǒng)要求成為了新的研究熱點(diǎn)。計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展為傳統(tǒng)的PID控制提供了新的途徑。采用智能控制技術(shù)，可以將模糊控制與PID控制結(jié)合形成模糊PID控

79、制，智能控制與PID控制結(jié)合形成智能PID控制，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制等，這種復(fù)合PID控制能很好的達(dá)到控制要求[16]。</p><p>　　(2) 最優(yōu)控制（optimal control,optimum control）</p><p>　　最優(yōu)控制是研究和解決從一切可能的控制方案中尋找最優(yōu)解的一門學(xué)科，是現(xiàn)代控制理論的重要組成部分[17]。在20世紀(jì)50年代末，龐特里亞金和貝爾曼

80、兩位科學(xué)家為最優(yōu)控制做出了奠基性的研究工作。這幾十年來(lái)，經(jīng)歷了從經(jīng)典控制理論發(fā)展到現(xiàn)代控制理論，從大系統(tǒng)發(fā)展到智能系統(tǒng)，最優(yōu)控制作為一種有效的控制手段，始終起著重要的作用。</p><p>　　從數(shù)學(xué)意義上講，最優(yōu)控制其實(shí)是一種求極值的方法，即在一組約束為等式或不等式的條件下，使得目標(biāo)函數(shù)取極值，即最大值或最小值。最優(yōu)控制問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是動(dòng)態(tài)過(guò)程的優(yōu)化過(guò)程，如最小時(shí)間控制、最佳調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及H∞最優(yōu)控制等都屬于最優(yōu)控制

81、問(wèn)題。這類問(wèn)題的解是以狀態(tài)變量作為函數(shù)的控制量，特別是當(dāng)假設(shè)時(shí)間域?yàn)闊o(wú)限大的情況下，可以用Riccati代數(shù)方程式來(lái)求得最優(yōu)解，最優(yōu)控制量則由時(shí)不變狀態(tài)反饋增益來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　(3) 自適應(yīng)控制（Adaptive Control）</p><p>　　自適應(yīng)控制是一種采用自動(dòng)方法改變或影響控制參數(shù)，以補(bǔ)償被控過(guò)程的特性以及運(yùn)行條件的變化，改善控制系統(tǒng)性能的控制方法。它將已知控

82、制對(duì)象特性的模型辨識(shí)和根據(jù)已知特性決定控制量的控制規(guī)律設(shè)計(jì)這兩方面的問(wèn)題結(jié)合在一起考慮，是一種新型的控制方法。</p><p>　　自上世紀(jì)五十年代末期由美國(guó)麻省理工學(xué)院提出第一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)以來(lái)，先后出現(xiàn)了許多形式完全不同的自適應(yīng)控制系統(tǒng)[18]。1974年吉爾巴特和溫斯頓（Gilbart and Winston）在24in的光學(xué)跟蹤望遠(yuǎn)鏡中利用模型參考自適應(yīng)控制把跟蹤精度提高了五倍以上；1984年J.V.A

83、merogen等人使用自適應(yīng)自動(dòng)駕駛儀替代了原來(lái)大型油輪和海洋考察船舶通用的PID調(diào)節(jié)器，實(shí)踐證明船舶在復(fù)雜變化的隨即環(huán)境下依舊能準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行[19]。</p><p>　　目前自適應(yīng)控制理論的研究方向有：</p><p>　　1).自適應(yīng)控制的收斂性 在預(yù)先給定的條件下，一個(gè)自適應(yīng)算法能夠收斂達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并且保證系統(tǒng)的所有變量在次收斂過(guò)程中都有界。目前，關(guān)于非線性系統(tǒng)

84、自適應(yīng)控制算法收斂性的研究結(jié)果還比較少，很不系統(tǒng)，與應(yīng)用要求還有較大的差距。</p><p>　　2).自適應(yīng)控制的穩(wěn)定性 在外界干擾的影響下，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的狀態(tài)、輸入、輸出和參數(shù)等的界限問(wèn)題[20]。</p><p>　　3).自適應(yīng)控制的魯棒性 魯棒性是指當(dāng)系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)特性、過(guò)程噪聲、隨機(jī)擾動(dòng)的情況下，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定性和必要的動(dòng)態(tài)性能。過(guò)程噪聲和隨機(jī)擾動(dòng)能使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生時(shí)變以及

85、漂移，從而導(dǎo)致自適應(yīng)控制系統(tǒng)變的不穩(wěn)定，特別當(dāng)系統(tǒng)存在未建模動(dòng)態(tài)特性時(shí)，有可能使自適應(yīng)控制系統(tǒng)喪失穩(wěn)定性。</p><p>　　(4) 變結(jié)構(gòu)控制（Variable Structure Control）</p><p>　　控制對(duì)象的復(fù)雜程度日漸增加，系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境因時(shí)而異，在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，又不可避免地會(huì)遇到不確定性模型，研究人員不得不在穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)性能之間作出某種協(xié)調(diào)，以確?？刂葡到y(tǒng)

86、既具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，又能獲得較高的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。20世紀(jì)50年代由前蘇聯(lián)學(xué)者歐曼爾揚(yáng)諾夫（S.V.Emelyanov）提出了變結(jié)構(gòu)控制方案，成功地為不確定性系統(tǒng)提供了一套有效的綜合控制方法?！白兘Y(jié)構(gòu)”一詞意味著控制器的結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生變化，其基本原理在于：當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)穿越狀態(tài)空間的滑動(dòng)超平面時(shí)，反饋控制的結(jié)構(gòu)就發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)性能達(dá)到某個(gè)期望指標(biāo)（1977年由V.I.Utkin提出）[20]。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)能夠通過(guò)控制器本身結(jié)構(gòu)的變化，使得

87、系統(tǒng)性能保持著優(yōu)于一般固定結(jié)構(gòu)控制的性能，突破了經(jīng)典線性控制系統(tǒng)的品質(zhì)限制，較好地解決了動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)與靜態(tài)性能指標(biāo)之間的矛盾。變結(jié)構(gòu)控制已經(jīng)成為新型控制技術(shù)的一個(gè)重要分支，從廣義上講，變結(jié)構(gòu)控制在多數(shù)情況下指的是滑膜控制，如開(kāi)關(guān)控制、多模態(tài)控制等都屬于變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制的缺點(diǎn)就是系統(tǒng)存在抖動(dòng)—非線性引起的自振，因此，如何消除其中的“抖振”現(xiàn)象，是變結(jié)構(gòu)控制的一個(gè)重要的研究課題。</p><p>　　(5) 魯

88、棒控制（Robust Control）</p><p>　　魯棒性是指控制系統(tǒng)在未建模動(dòng)態(tài)特性、過(guò)程噪聲、隨機(jī)擾動(dòng)的情況下，仍然能夠維持某些性能的特性。根據(jù)對(duì)性能的不同定義，可以分為穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。魯棒控制方面的研究始于20世紀(jì)50年代，由于工作狀況變動(dòng)、外部干擾以及建模誤差的緣故，實(shí)際工業(yè)過(guò)程的精確模型很難得到，而系統(tǒng)的各種故障也將導(dǎo)致模型的不確定性，因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)固定的控制器，使具有不確定性的對(duì)象滿

89、足控制品質(zhì)，也就是魯棒控制，成為國(guó)內(nèi)外科研人員的研究課題。魯棒控制這一概念，最早是分別于1972年和1974年由E.J.Davison以及J.B.Pearson等人提出。魯棒控制是研究當(dāng)系統(tǒng)有一定范圍的參數(shù)不確定性及一定限度的未建模誤差時(shí)的控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題，使系統(tǒng)閉環(huán)仍能保持穩(wěn)定并保證期望的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。</p><p>　　魯棒控制的主要理論有：1）Kharitonov定理；2）Zames的H∞控制理論；3）Doyl

90、e提出的結(jié)構(gòu)奇異理論（μ理論）。</p><p>　　魯棒控制的主要研究方法有：1）研究對(duì)象是閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣或特征多項(xiàng)式的代數(shù)方法；2）從系統(tǒng)傳遞函數(shù)或傳遞函數(shù)矩陣出發(fā)的頻域法[21]。</p><p>　　在過(guò)去的幾十年，H∞控制理論得到了很大的發(fā)展，但是依然存在著不少問(wèn)題，如非線性H∞控制的研究還沒(méi)有比較完備的結(jié)果，在解決魯棒問(wèn)題的同時(shí)不能滿足其他的性能要求（如二次指標(biāo)最小等）。在

91、液壓控制中，H∞控制理論已經(jīng)有了不少應(yīng)用性的研究，但在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用卻還比較少，有待繼續(xù)努力。</p><p>　　(6) 模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control）</p><p>　　模型預(yù)測(cè)控制亦稱預(yù)測(cè)控制，是一種基于模型的先進(jìn)控制策略，最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代中后期，其主要特征是：[21]以預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)，采用二次型在線滾動(dòng)優(yōu)化性能指標(biāo)與反饋校正的策略，來(lái)克

92、服受控對(duì)象建模誤差、參數(shù)和環(huán)境不確定性因素的影響，有效地彌補(bǔ)了現(xiàn)代控制理論對(duì)復(fù)雜受控對(duì)象所無(wú)法避免的不足之處，具有控制效果好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并能方便地處理被控變量和操縱變量中的各種約束。</p><p>　　模型預(yù)測(cè)控制的基本結(jié)構(gòu)模式主要有三種：1）以非參數(shù)模型為預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)控制算法；2）與經(jīng)典自適應(yīng)相結(jié)合的一類長(zhǎng)程預(yù)測(cè)控制算法；3）基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的另一類預(yù)測(cè)控制算法。</p><p&g

93、t;　　預(yù)測(cè)控制目前算法繁多，但歸納起來(lái)，它的任何算法形式都包括了預(yù)測(cè)模型、參考軌跡、在線校正、目標(biāo)函數(shù)性能指標(biāo)、在線滾動(dòng)優(yōu)化等五個(gè)方面。預(yù)測(cè)控制的主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　1）預(yù)測(cè)模型的多樣性 從原理上講，只要是具有預(yù)測(cè)功能的受控對(duì)象模型，無(wú)論采用什么描述形式和建模方法，都可以作為預(yù)測(cè)模型。</p><p>　　2）滾動(dòng)優(yōu)化的時(shí)變性 預(yù)測(cè)控制采用的是在有限時(shí)域內(nèi)的滾動(dòng)優(yōu)化策

94、略，即在每一時(shí)刻，采用對(duì)未來(lái)充分長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的理想優(yōu)化和包含系統(tǒng)存在的時(shí)變、不確定性、局域優(yōu)化相兼顧的目標(biāo)函數(shù)[21]。</p><p>　　3）在線校正的魯棒性 在預(yù)測(cè)控制中，把系統(tǒng)輸出的動(dòng)態(tài)預(yù)估問(wèn)題分為預(yù)測(cè)模型的輸出預(yù)測(cè)和基于偏差的預(yù)測(cè)校正兩部分。預(yù)測(cè)模型僅僅只是對(duì)動(dòng)態(tài)特性的粗略描述，不可能完全包括實(shí)際系統(tǒng)存在的非線性、時(shí)變性、模型失配與隨機(jī)干擾等因素，因此預(yù)測(cè)模型與系統(tǒng)輸出必然存在偏差，對(duì)這種偏差進(jìn)行在線校正

95、，構(gòu)成具有負(fù)反饋的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，就可以提高預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的魯棒性。</p><p>　　灰色預(yù)測(cè)控制是將控制理論與灰色系統(tǒng)理論相結(jié)合的一種新型控制方法。灰色預(yù)測(cè)控制通過(guò)研究系統(tǒng)的現(xiàn)有信息來(lái)尋找系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律，從而就可以按規(guī)律來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的信息，這樣就可以根據(jù)系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的信息趨勢(shì)來(lái)決定相應(yīng)的控制策略進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，做到了及時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)并能防患于未然，提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力?；疑A(yù)測(cè)控制屬于超前控制，區(qū)別于屬于事

96、后控制的傳統(tǒng)控制方法，為控制理論的更新提出了一類新機(jī)制[22]?；疑A(yù)測(cè)控制最大的優(yōu)勢(shì)在于它并不需要被控系統(tǒng)的精確模型，同時(shí)它需要的原始數(shù)據(jù)也較少，計(jì)算簡(jiǎn)單。從灰色預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)的控制結(jié)構(gòu)上可大致分為兩類：一類是在傳統(tǒng)的PID反饋控制中加入灰色預(yù)測(cè)模塊[23~25]；另一類是將灰色預(yù)測(cè)與模糊控制相結(jié)合形成灰色預(yù)測(cè)模糊控制[26]。因?yàn)轭A(yù)測(cè)的過(guò)程中存在誤差是不可避免地，當(dāng)誤差較大時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，所以應(yīng)根據(jù)預(yù)測(cè)精度來(lái)調(diào)整預(yù)測(cè)值在系統(tǒng)

97、中的作用。</p><p>　　(7) 智能控制（Intelligent Control）</p><p>　　智能控制指在無(wú)人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)。智能控制理論是現(xiàn)代控制理論在深度和廣度上的拓展，是控制理論發(fā)展的一個(gè)嶄新階段，是控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)踐的需要，也是人工智能與控制理論，以及控制論和工程控制論等學(xué)科發(fā)展的必然結(jié)果[27]。與經(jīng)典控制理

98、論和現(xiàn)代控制理論相比，智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在高層控制上[28]。其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制是智能控制理論中最具有代表性的控制理論。</p><p>　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（Neural Network Control）是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制，簡(jiǎn)稱神經(jīng)控制，是實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要形式，最早由心理學(xué)家Mcculloch和數(shù)學(xué)家Pitss在20世紀(jì)40年代合作提出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是使用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)作為控制器來(lái)對(duì)被控系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)

99、、訓(xùn)練和控制。它具有對(duì)非線性函數(shù)逼近、大規(guī)模并行處理、學(xué)習(xí)、尋優(yōu)和自適應(yīng)、自組織等能力[21]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制有效地解決了長(zhǎng)期困擾控制界的非線性系統(tǒng)和不確定性系統(tǒng)的問(wèn)題，在液壓控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究仍然還存在著一些問(wèn)題，如學(xué)習(xí)算法收斂速度太低、許多情況下存在局部最優(yōu)、需要研究建模算法和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性等，所以需要將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與其他控制方法有機(jī)的結(jié)合起來(lái)[29]，才能擁有更好的發(fā)展前景。</p>

100、<p>　　模糊控制（Fuzzy Control）是一種利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。隨著控制系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，由于變量太多，往往很難描述出較精確的動(dòng)態(tài)模型，繼續(xù)使用傳統(tǒng)的控制方法就很難達(dá)成理想的控制效果。1965年，美國(guó)學(xué)者L.A.Zadeh首先提出了模糊控制理論。模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語(yǔ)言規(guī)則表示方法和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，由模糊推理進(jìn)行判決的一種高級(jí)控制策略[30]。在模糊控制中，首先將精確量轉(zhuǎn)化為的模糊信

101、息輸入到模糊控制器中，然后按照模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后給出模糊輸出判決，將其轉(zhuǎn)化為精確量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。在數(shù)學(xué)方程很難建立，其他經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論不太奏效的場(chǎng)合中，模糊控制實(shí)現(xiàn)了比較理想的控制。</p><p>　　近年來(lái)將不同的控制方法結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，形成了新的控制方法。如模糊PID控制、智能PID控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊預(yù)測(cè)控制等，這種復(fù)合式控制方法有利于揚(yáng)長(zhǎng)避短，能很好的達(dá)到

102、控制要求。</p><p>　　在液壓同步頂升控制系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)電液比例減壓閥出口壓力的精確控制，實(shí)現(xiàn)建筑物的平穩(wěn)頂升。由于電液比例減壓閥存在滯環(huán)、死區(qū)等非線性因素，且液壓系統(tǒng)受溫度、負(fù)載等參數(shù)變化的影響較大，控制策略選擇的好壞對(duì)系統(tǒng)性能的影響至關(guān)重要[31]。考慮到這些非線性、動(dòng)態(tài)、多變量耦合、不確定性等因素，很難建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型，故采用模糊控制算法來(lái)進(jìn)行該系統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)，同時(shí)為了解決基于模糊控制算法

103、設(shè)計(jì)的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，將模糊控制與灰色預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，由于有灰色預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)的加入，可以提前預(yù)知一個(gè)或幾個(gè)采樣周期之后的輸出值，提前采取適當(dāng)動(dòng)作，可以縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，得到較高的控制精度。</p><p>　　3. 2 模糊控制</p><p>　　3. 2. 1 模糊控制的概念和發(fā)展</p><p>　　控制論的創(chuàng)始人維納教授在談到人勝過(guò)最完善的機(jī)器時(shí)說(shuō)過(guò)：

104、“人具有運(yùn)用模糊概念的能力”。它清楚地揭示了電腦與人腦之間存在著本質(zhì)的區(qū)別，電腦是對(duì)人類已經(jīng)確知的經(jīng)驗(yàn)的模擬，而人腦主要在于判斷和處理模糊現(xiàn)象?！熬_”和“模糊”是一對(duì)相對(duì)的概念。不確定性主要分為兩種：模糊性和隨機(jī)性。不確定性的一種表現(xiàn)就是模糊性，它普遍存在于人類思維和語(yǔ)言交流中。不確定性的另一種表現(xiàn)就是隨機(jī)性，它則是客觀存在的。這兩者雖然都具有不確定性的特點(diǎn)，但是卻有著本質(zhì)的區(qū)別：模糊性主要體現(xiàn)在人針對(duì)概念外延主觀認(rèn)識(shí)的不確定性；而隨

105、機(jī)性是對(duì)事件或行為發(fā)生與否的不確定性，表達(dá)了客觀上的自然的不確定性[32]。</p><p>　　模糊數(shù)學(xué)和模糊邏輯經(jīng)過(guò)短短幾十年的發(fā)展，其理論和應(yīng)用的研究就已取得了碩果累累。尤其是在自動(dòng)控制領(lǐng)域，因?yàn)槟：壿嫷膶?shí)際應(yīng)用成功的多米諾骨牌效應(yīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)模糊控制理論和方法的廣泛關(guān)注[32]。自從美國(guó)加利福尼亞大學(xué)教授Zadeh提出了分解定理和擴(kuò)展原則，人們以此為基礎(chǔ)并在模糊理論研究方面完善模糊數(shù)學(xué)理論，且

106、已有大量的成果問(wèn)世。各種關(guān)于模糊理論的組織和期刊相繼開(kāi)辦。1978年，國(guó)際性期刊Fuzzy Sets and Systems（模糊集與系統(tǒng)）誕生；1984年，國(guó)際模糊系統(tǒng)協(xié)會(huì)（IFSA）成立；1989年，日本20家大公司集資30億日元成立了國(guó)際模糊工程研究所，制定了模糊數(shù)學(xué)和模糊技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，以保持日本在這個(gè)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)能力；我國(guó)從70年代初起也開(kāi)始了模糊數(shù)學(xué)理論與應(yīng)用方面的研究，并取得了很多成果。在模糊邏輯的應(yīng)用方面更是富有成