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【摘 要】电液伺服动态试验是一类复杂非线性控制系统，同时材料实验过程中的周围环境，对材料试验的结果造成很大的影响。在材料试验机的检测领域，一项重要的工作就是车辆道路谱的非周期信号进行响应和跟随，经过实验研究表明，普通的PID控制，不能有效的满足实验要求，本文首先对电液伺服试验机进行数学模型的建立，并对数学模型进行简化分析，应用自适应反向控制方法，实现了电液伺服动态实验机的非周期信号的实时控制，实现了系统的实时性、可控性及鲁棒性。
【关键词】电液伺服；非周期信号；自适应反向控制
1.引言
电液伺服动态试验机作为材料试验机领域的一个重要分支，越来越多的得到国内外试验机制造企业的重视。电液伺服动态试验机是一类复杂非线性控制试验平台，通过使用直流伺服阀调节油量，对动态试验机执行机构液压缸进行控制。电液伺服动态材料试验机的机械结构中必然存在有延时、参数变化、不确定干扰等因素，同时试验机检测平台的执行机构液压缸很容易受到，被检测试验刚度、油源温度和压力等因素影响。动态材料试验机的主要功能是检测材料做周期信号和非周期信号控制时材料的各项性能指标。在获取系统的数学模型前提下，应用自适应逆控制理论，实现动态试验过程中，非周期信号的有效跟随控制。
2.试验机数学模型的简化分析
液伺服材料试验机的传递函数可以分析为是力、负荷、变形的9阶系统，这给实际的控制和仿真带来了较大的困难，模型阶次较高，不利于系统采用自适应控制策略，因此应该对其物理特性进行合理的简化。由于材料试验机的重量主要位于机械结构的下部，而机械结构设计上又有着明显的对称关系，因此提出两点合理简化方法，一是在采用传统PID的控制策略，可以消除由于框架而引起的系统谐振因子，而机械衡量、及工作台为固定部分，可认为是稳定的系统；二是液压缸的执行机构数学模型的动态因子，在实际系统中是不可避免的，尤其是在电液伺服试验过程中，采用较少油量的高频运动，必须保留执行机构的谐振因子。简化的电液伺服试验机系统模型如图2.1所示。
图2.1 电液伺服试验机结构简化模型
图2.1中相关参数说明：是液压缸活塞及下夹具的质量，为被检测材料试样的刚度系数，为机械结构框架的刚度，包括负荷传感器和立柱两部分组成。有弹性胡克定律可知，串联机构的弹性刚度为：
（2.1）
（2.2）
其中公式相关参数说明：为液压缸活塞的表面积，为液压缸一侧活塞的容积；表示为压力-流量参数；阀的流量系统增益；阀芯远离中心点的位置的偏移量；为活塞上下移动的位移变化量；为液压缸油弹性刚度，，公式
中液压缸油源的有效体积弹簧模量，没有空气时参数即为。
电液伺服材料试验机的动力执行机构的驱动力为：，公式中为负荷压力，为活塞的有效面积值，由牛顿运动学第二定律，可知活塞位移的的运动学方程式可表示为：
（2.3）
相应的位移传递函数：
（2.4）
从方程式2.4中可以看出，电液伺服试验机系统位移控制于被检测试样的刚度有这很大的关系，因此在做系统位移控制过程中，需要采用参数可变的控制器，才能够实现提高位移的跟随控制，以实现控制器的高鲁棒性。同时也说明本文考虑采用系统稳定后使用自适应逆控制，作为电液伺服动态试验机的控制策略是有需要的。
3.自适应反向控制（AIC）
（1）自适应滤波器定义
自适应滤波器有三个部分组成：输入信号、输出信号及期望输入信号，我们一般把这个信号也叫做变化条件信号。例如我们可以根据系统的延时，来改变有限脉冲响应滤波器的参数，自适应滤波器的核心部分是，必须含有能够能系统输入和输出信号收敛的，自适应算法，以实现调节滤波器脉冲响应参数，达到期望响应输入信号与实际滤波器响应信号的差为最小均方根误差。
（2）逆控制理论的数学描述含义
逆控制理论思路简单说，就是引入一个串联控制器，放大输入信号，以此信号驱动执行机构动作，消除系统的幅度和相位损失，实现电液伺服动态试验机系统对被测材料试样周期和非周期信号波形的准确加载。在这里我们可以假设控制器是理想的，则可得控制的数学传递函数：
（3.1）
图3.1 逆向控制理论的系统模型框图
逆控制理论的系统结构框图如图3.1所示，含有纯滞后环节和产生信号衰减的被控对象，对于系统本身受到外界干扰作用，我们要实现的最后控制结果是使系统输出的响应信号能够准确的跟随输入信号。分为两种情况考虑，一是我们可以通过频域法，对系统的输入信号衰减，进行确定，假设我们只考虑系统的跟随特性，可以取参考模型M（z）=1；二是我们要合理的选取自适应算法，使参考模型输出与系统输出的差调节我们自适应控制器的参数，注意需实现两者误差的均方值最小。
4.非周期信号测试
目前各国汽车生产厂家，由于市场对汽车安全性能的要求逐步增加，在汽车生产加工完成后，需要检查在不同路面标准情况下，生产的地面车辆各项性能指标是否达到汽车生产的相关技术指标。假设采取实际车辆进行实地检查，毫无疑问的是将会浪费大量的人力和财力成本。因此采用试验机仿真模拟不同路况，进行汽车性能检测成为汽车企业的首选手段，这也为电液伺服动态试验机开辟了一个崭新的领域。汽车在路面行驶过程中，所经历的路面情况信号，在理论上可以近似为随机信号。传统工业使用的PID控制虽然能较好的抑制系统干扰，但由于其算法自身对不同频段作用的鲁棒性差异，在实际试验控制过程中，并未出现较好的控制效果。如图4.1所示，而采用自适应反向控制策略，测试系统模型参数稳定后，系统对于非周期信号具有较好的跟随控制效果，如图4.2所示。
图4.1 路铺信号PID控制 图4.2 路铺信号自适应逆控制
5.结论
在电液伺服动态实验机，利用自适应反向控制，在同一工作条件下，对非周期信号的实际控制跟随过程中进行实验，与传统PID控制进行比较，试验表明自适应逆控制策略，能够有效改善电液伺服系统的动态特性，具有较好、较快的试验参数变化适应性和鲁棒性。
参考文献：
[1]Y.Kang，M-H，Chu，Y-L，Liu.An adaptive control using multiple neural networks for the position control in hydraulic servo system.ICNC，2005.
[2]张福波，董彩云，张齐生，牛慧峰.变结构控制方法在材料试验机的应用[J].流体传动与控制，2007（04）.
[3]裴忠才，朱善安.电液伺服系统的积分滑模自适应控制[J].电工技术学报，2005（04）.
[4]骆涵秀.试验机的电液控制系统[J].机械工业出版社，1991.
[5]关景泰.机电液控制技术[M].同济大学出版社，2003，4.
作者简介：宿建乐（1983—），男，吉林长春人，硕士研究生，助教，研究方向：复杂系统建模及控制。
【关键词】电液伺服；非周期信号；自适应反向控制
1.引言
电液伺服动态试验机作为材料试验机领域的一个重要分支，越来越多的得到国内外试验机制造企业的重视。电液伺服动态试验机是一类复杂非线性控制试验平台，通过使用直流伺服阀调节油量，对动态试验机执行机构液压缸进行控制。电液伺服动态材料试验机的机械结构中必然存在有延时、参数变化、不确定干扰等因素，同时试验机检测平台的执行机构液压缸很容易受到，被检测试验刚度、油源温度和压力等因素影响。动态材料试验机的主要功能是检测材料做周期信号和非周期信号控制时材料的各项性能指标。在获取系统的数学模型前提下，应用自适应逆控制理论，实现动态试验过程中，非周期信号的有效跟随控制。
2.试验机数学模型的简化分析
液伺服材料试验机的传递函数可以分析为是力、负荷、变形的9阶系统，这给实际的控制和仿真带来了较大的困难，模型阶次较高，不利于系统采用自适应控制策略，因此应该对其物理特性进行合理的简化。由于材料试验机的重量主要位于机械结构的下部，而机械结构设计上又有着明显的对称关系，因此提出两点合理简化方法，一是在采用传统PID的控制策略，可以消除由于框架而引起的系统谐振因子，而机械衡量、及工作台为固定部分，可认为是稳定的系统；二是液压缸的执行机构数学模型的动态因子，在实际系统中是不可避免的，尤其是在电液伺服试验过程中，采用较少油量的高频运动，必须保留执行机构的谐振因子。简化的电液伺服试验机系统模型如图2.1所示。
图2.1 电液伺服试验机结构简化模型
图2.1中相关参数说明：是液压缸活塞及下夹具的质量，为被检测材料试样的刚度系数，为机械结构框架的刚度，包括负荷传感器和立柱两部分组成。有弹性胡克定律可知，串联机构的弹性刚度为：
（2.1）
（2.2）
其中公式相关参数说明：为液压缸活塞的表面积，为液压缸一侧活塞的容积；表示为压力-流量参数；阀的流量系统增益；阀芯远离中心点的位置的偏移量；为活塞上下移动的位移变化量；为液压缸油弹性刚度，，公式
中液压缸油源的有效体积弹簧模量，没有空气时参数即为。
电液伺服材料试验机的动力执行机构的驱动力为：，公式中为负荷压力，为活塞的有效面积值，由牛顿运动学第二定律，可知活塞位移的的运动学方程式可表示为：
（2.3）
相应的位移传递函数：
（2.4）
从方程式2.4中可以看出，电液伺服试验机系统位移控制于被检测试样的刚度有这很大的关系，因此在做系统位移控制过程中，需要采用参数可变的控制器，才能够实现提高位移的跟随控制，以实现控制器的高鲁棒性。同时也说明本文考虑采用系统稳定后使用自适应逆控制，作为电液伺服动态试验机的控制策略是有需要的。
3.自适应反向控制（AIC）
（1）自适应滤波器定义
自适应滤波器有三个部分组成：输入信号、输出信号及期望输入信号，我们一般把这个信号也叫做变化条件信号。例如我们可以根据系统的延时，来改变有限脉冲响应滤波器的参数，自适应滤波器的核心部分是，必须含有能够能系统输入和输出信号收敛的，自适应算法，以实现调节滤波器脉冲响应参数，达到期望响应输入信号与实际滤波器响应信号的差为最小均方根误差。
（2）逆控制理论的数学描述含义
逆控制理论思路简单说，就是引入一个串联控制器，放大输入信号，以此信号驱动执行机构动作，消除系统的幅度和相位损失，实现电液伺服动态试验机系统对被测材料试样周期和非周期信号波形的准确加载。在这里我们可以假设控制器是理想的，则可得控制的数学传递函数：
（3.1）
图3.1 逆向控制理论的系统模型框图
逆控制理论的系统结构框图如图3.1所示，含有纯滞后环节和产生信号衰减的被控对象，对于系统本身受到外界干扰作用，我们要实现的最后控制结果是使系统输出的响应信号能够准确的跟随输入信号。分为两种情况考虑，一是我们可以通过频域法，对系统的输入信号衰减，进行确定，假设我们只考虑系统的跟随特性，可以取参考模型M（z）=1；二是我们要合理的选取自适应算法，使参考模型输出与系统输出的差调节我们自适应控制器的参数，注意需实现两者误差的均方值最小。
4.非周期信号测试
目前各国汽车生产厂家，由于市场对汽车安全性能的要求逐步增加，在汽车生产加工完成后，需要检查在不同路面标准情况下，生产的地面车辆各项性能指标是否达到汽车生产的相关技术指标。假设采取实际车辆进行实地检查，毫无疑问的是将会浪费大量的人力和财力成本。因此采用试验机仿真模拟不同路况，进行汽车性能检测成为汽车企业的首选手段，这也为电液伺服动态试验机开辟了一个崭新的领域。汽车在路面行驶过程中，所经历的路面情况信号，在理论上可以近似为随机信号。传统工业使用的PID控制虽然能较好的抑制系统干扰，但由于其算法自身对不同频段作用的鲁棒性差异，在实际试验控制过程中，并未出现较好的控制效果。如图4.1所示，而采用自适应反向控制策略，测试系统模型参数稳定后，系统对于非周期信号具有较好的跟随控制效果，如图4.2所示。
图4.1 路铺信号PID控制 图4.2 路铺信号自适应逆控制
5.结论
在电液伺服动态实验机，利用自适应反向控制，在同一工作条件下，对非周期信号的实际控制跟随过程中进行实验，与传统PID控制进行比较，试验表明自适应逆控制策略，能够有效改善电液伺服系统的动态特性，具有较好、较快的试验参数变化适应性和鲁棒性。
参考文献：
[1]Y.Kang，M-H，Chu，Y-L，Liu.An adaptive control using multiple neural networks for the position control in hydraulic servo system.ICNC，2005.
[2]张福波，董彩云，张齐生，牛慧峰.变结构控制方法在材料试验机的应用[J].流体传动与控制，2007（04）.
[3]裴忠才，朱善安.电液伺服系统的积分滑模自适应控制[J].电工技术学报，2005（04）.
[4]骆涵秀.试验机的电液控制系统[J].机械工业出版社，1991.
[5]关景泰.机电液控制技术[M].同济大学出版社，2003，4.
作者简介：宿建乐（1983—），男，吉林长春人，硕士研究生，助教，研究方向：复杂系统建模及控制。