電液力伺服系統(tǒng)控制研究范文

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《哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第6期

摘要:

通過(guò)在半實(shí)物仿真環(huán)境中進(jìn)行模型辨識(shí)試驗(yàn)，獲得電液力伺服系統(tǒng)的辨識(shí)模型.為了改善電液力伺服系統(tǒng)的控制性能，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合模糊PID控制器.這種控制器結(jié)合了經(jīng)典PID控制器和帶有自調(diào)整修正因子的模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)，并加入了前饋校正.為了避免由于兩種控制方式相互切換時(shí)造成的不良擾動(dòng)，采用了模糊切換的方法.通過(guò)在電液伺服試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)所設(shè)計(jì)的復(fù)合模糊PID控制器進(jìn)行半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比PID控制器和傳統(tǒng)模糊控制器的實(shí)驗(yàn)控制曲線，驗(yàn)證了復(fù)合模糊PID控制器的可行性和控制性能.同時(shí)在負(fù)載剛度和質(zhì)量變化時(shí)進(jìn)行了半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合模糊PID控制器不僅改善了穩(wěn)定性和速度，并具有良好的實(shí)時(shí)性.

關(guān)鍵詞:

力伺服系統(tǒng);模型辨識(shí);復(fù)合模糊PID控制器;半物理仿真;自調(diào)整修正因子

0引言

電液力伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用雖然不及電液位移控制系統(tǒng)廣泛，但是它在許多特定領(lǐng)域都起著難以替代和不可忽視的重要作用［1］.隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)力控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)精度等性能指標(biāo)的要求越來(lái)越高.Liu等針對(duì)力控制系統(tǒng)提出了Lyapunov參數(shù)自適應(yīng)控制算法.實(shí)驗(yàn)表明，這種方法對(duì)信號(hào)具有良好的跟蹤性能，并且對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)有顯著的提高.蔡永強(qiáng)等［3］采用優(yōu)化了的魯棒預(yù)測(cè)控制算法對(duì)電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，建模仿真表明該控制算法能夠消弱系統(tǒng)由于時(shí)變和外界環(huán)境的干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，從而提高了控制系統(tǒng)的性能.劉懷印等［4］采用了模糊控制方法對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的電液力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了控制，仿真結(jié)果表明該控制算法能夠有效的保證該電液力伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，提高系統(tǒng)的性能.徐一鳴等［5］將三維非線性PD控制器與小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合的控制方法用于變?nèi)嵝载?fù)載的電液力控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)在負(fù)載剛度大范圍變化時(shí)保持穩(wěn)定，減小了系統(tǒng)的跟蹤相位差.模糊控制能夠?qū)⒉僮魅藛T的控制經(jīng)驗(yàn)加入到控制算法中，從而使控制系統(tǒng)能夠模仿和借鑒操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行控制.它特別適合用在采用傳統(tǒng)控制技術(shù)分析時(shí)過(guò)程非常復(fù)雜的情況下或者可用的信息來(lái)源不準(zhǔn)確或不確定的情況下［6］.由于電液力伺服系統(tǒng)具有非線性和不確定的動(dòng)態(tài)性，因此不可能從理論上建立其精確的數(shù)學(xué)模型，也很難用線性控制方法進(jìn)行高精度的力伺服控制.雖然一些模糊控制策略已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)并取得了很大的進(jìn)步，但是其瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制性能是有限的.本文利用xPC實(shí)時(shí)系統(tǒng)的半物理仿真環(huán)境和MATLAB系統(tǒng)辨識(shí)工具箱，對(duì)電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行了模型辨識(shí)實(shí)驗(yàn).然后，以辨識(shí)獲得的模型為對(duì)象設(shè)計(jì)控制器［7］.提出了一種結(jié)合了模糊邏輯和傳統(tǒng)線性控制理論優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合模糊PID控制器.

1電液力伺服系統(tǒng)的模型辨識(shí)

實(shí)驗(yàn)室的電液力伺服控制系統(tǒng)如圖1所示.電流信號(hào)i經(jīng)放大器傳遞給電液伺服閥，當(dāng)給定力值的電壓信號(hào)Ur不等于力傳感器反饋回來(lái)的電壓信號(hào)Uf時(shí)，液壓缸產(chǎn)生力Fg.控制的目的就是使液壓缸產(chǎn)生的力的信號(hào)盡可能達(dá)到所給定的力值信號(hào)Ur=Uf.由于力傳感器的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載的剛度，所以這是一個(gè)單自由度的力控制系統(tǒng).力伺服系統(tǒng)的方框圖如圖2所示，其中Ka為伺服放大器增益;G1(s)是伺服閥的傳遞函數(shù);G2(s)是負(fù)載力PL對(duì)閥位移xv的傳遞函數(shù);A為液壓缸活塞面積.力傳感器的傳遞函數(shù)可以視為增益為Kf的比例環(huán)節(jié);Fg是液壓缸產(chǎn)生的力，這樣可以列出如下傳遞函數(shù)方程［8］:G1(s)=KvA(s2ω2v+2ξvωvs+1)(ωm＞50Hz)(1)G1(s)=KvA(Tvs+1)(ωm＜50Hz)(2)G1(s)=KvA(ωm=50Hz)(3)G2(s)=KqKce(s2ω2m+2ξmωms+1)(sωr+1)(s2ω20+2ξ0ω0s+1)(4)Fg=APL=mLs2Y+BLsY+KLY+FL(5)其中:Kv為伺服閥增益;ωv和ξv分別為伺服閥固有頻率和阻尼系數(shù);ωm和ξm分別為伺服系統(tǒng)的固有頻率和阻尼系數(shù);Kq為流量增益;Kce為總的流量－壓力系數(shù);ω0和ξ0分別為液壓彈簧和負(fù)載彈簧以及負(fù)載質(zhì)量構(gòu)成的系統(tǒng)的固有頻率和阻尼系數(shù);ωr為液壓彈簧和負(fù)載彈簧串聯(lián)耦合時(shí)的剛度與阻尼系數(shù)之比;BL為粘性摩擦系數(shù);KL為彈性負(fù)載剛度;FL為外部干擾力.xPC實(shí)時(shí)系統(tǒng)的半物理仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示．電液力伺服系統(tǒng)作為硬件放置在模擬仿真回路，系統(tǒng)控制由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn).PC機(jī)作為宿主機(jī)用于運(yùn)行仿真、設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)應(yīng)用程序，研華工控機(jī)作為目標(biāo)機(jī)用于運(yùn)行所生成的控制程序代碼，并通過(guò)以太網(wǎng)LAN連接來(lái)實(shí)現(xiàn)與宿主機(jī)的通信.本系統(tǒng)選用研華PCL818HD多用途卡完成數(shù)據(jù)采集(A/D)和數(shù)據(jù)輸出(D/A)，其中板卡的輸入通道數(shù)6為力信號(hào)，基地址為300h，采樣時(shí)間為0.001s，力傳感器的取值范圍為－5V～+5V，其對(duì)應(yīng)的實(shí)際值是－5000N～+5000N.考慮到系統(tǒng)的時(shí)變性和干擾性，進(jìn)行了多組試驗(yàn).為了達(dá)到xPC實(shí)時(shí)目標(biāo)，在實(shí)時(shí)運(yùn)行目標(biāo)應(yīng)用程序時(shí)，可以通過(guò)改變輸入正弦信號(hào)的振幅和頻率以及改變輸入階躍信號(hào)的時(shí)間和步長(zhǎng)值來(lái)調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，這樣輸出信號(hào)就會(huì)立即發(fā)生相應(yīng)的變化，多組輸入輸出數(shù)據(jù)就可以通過(guò)xPC實(shí)時(shí)系統(tǒng)在線獲得［9］.在系統(tǒng)辨識(shí)的過(guò)程中，一個(gè)重要的內(nèi)容就是根據(jù)系統(tǒng)確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)值.對(duì)電液力伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于液壓固有頻率低，模型是一個(gè)三階或四階系統(tǒng)，并且液壓固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50Hz，這樣伺服閥就可以看作是一個(gè)二階系統(tǒng)，因此系統(tǒng)是五階系統(tǒng).通過(guò)對(duì)比辨識(shí)工具箱的各種模型，最后選用狀態(tài)空間n4s3模型.φ=1.245s2－3458s+623010s4+18.15s3+5256s2+42600s－624500(6)由圖2可知，通過(guò)辨識(shí)所獲得的模型是該伺服系統(tǒng)的閉環(huán)模型，經(jīng)分析，可得力伺服系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為φ=1.245s2－3458s+623010s4+18.15s3+5254s2+42058s－1490(7)如圖4所示，通過(guò)比較模型和實(shí)驗(yàn)的曲線可以驗(yàn)證所得的辨識(shí)模型是可信的.

2復(fù)合模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

電液力伺服系統(tǒng)有如下幾個(gè)特點(diǎn):第一，有一些不確定的參數(shù)，比如油液體積彈性模量和伺服閥的流量增益等;第二，負(fù)載質(zhì)量和剛度會(huì)隨著工作環(huán)境和條件的變化而改變.特別是當(dāng)負(fù)載剛度變化很大的時(shí)候，不僅嚴(yán)重影響系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，還影響到控制性能.因此迫切需要設(shè)計(jì)一種對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)的控制方法.這種控制器如圖5所示.由圖可知，這種復(fù)合型控制器由一個(gè)經(jīng)典的PID控制器和一個(gè)帶有自調(diào)整修正因子的模糊控制器組成.這個(gè)控制器在力值遠(yuǎn)離目標(biāo)值時(shí)用模糊控制器來(lái)控制系統(tǒng)，而當(dāng)力值在目標(biāo)力值附近時(shí)用PID控制器來(lái)控制系統(tǒng).使用經(jīng)典PID控制方法是為了消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，而使用模糊切換方法是為了避免由于兩種控制方法之間切換時(shí)所造成的不良擾動(dòng)［10］.為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，添加了前饋校正.模糊控制理論包括模糊化、基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的模糊規(guī)則庫(kù)、模糊推理和清晰化.模糊控制規(guī)則的自調(diào)整是提高控制器性能的關(guān)鍵因素，本次研究使用了帶有修正因子的模糊數(shù)模型來(lái)在線自動(dòng)調(diào)整模糊控制的規(guī)則［11］.模糊輸入變量(誤差E和誤差變化率EC)采用三角形隸屬度函數(shù)，如圖6所示，其中NB，NM，NS，O，PS，PM，PB分別為負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中和正大.輸出量(a)的隸屬函數(shù)集為m(a)={VB，B，M，S，VS}，其中VB，B，M，S和VS分別是非常大，大，一般，小和非常小.比例因子GE，GEC和GU由ITAE性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)后得到［12］.該控制規(guī)則可以描述如下:U～=〈α～E～+(1～－α～)EC～〉(8)由于修正因子a能直接反映誤差(E)和誤差變化(EC)的加權(quán)程度，在控制過(guò)程中忠實(shí)地反應(yīng)了操作者的思維特點(diǎn).因此，在線調(diào)整控制規(guī)則的主要任務(wù)就轉(zhuǎn)化為調(diào)整修正因子a的值.根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和控制工程知識(shí)，自調(diào)整修正因子的模糊數(shù)模型如表1所示.為了最終消除量化誤差和調(diào)節(jié)死區(qū)，在自調(diào)整修正因子的模糊數(shù)模型中應(yīng)用插值法來(lái)改進(jìn)控制規(guī)則［13］.

3計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證復(fù)合模糊PID控制器的有效性，對(duì)電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真.采樣頻率選擇為1000Hz，計(jì)算過(guò)程采用ode4算法.電液力伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如式(7)所示.根據(jù)前面提出的復(fù)合控制器，用Matlab工具箱對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模.輸入相同的階躍信號(hào)，并對(duì)不同控制器的輸出圖形進(jìn)行比較.由于反饋為單位反饋，因此期望的輸出值就是輸入值［14］.如圖8所示，可見(jiàn)與傳統(tǒng)的模糊控制系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)相比，復(fù)合模糊PID控制器具有良好的單位階躍響應(yīng)，超調(diào)量更小，上升時(shí)間更快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間更小.通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，PID控制器的參數(shù)確定為:P=0.69，I=0.06，D=0.06.前饋控制器的傳遞函數(shù)為:Gf=［τ1s/(τ2s+1)］，其中τ1=0.09，τ2=30.在設(shè)計(jì)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，比例系數(shù)GE，GEC和GU的組合與給定的輸入輸出有關(guān).為了在模擬實(shí)驗(yàn)中獲得穩(wěn)定的輸出，它們必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)選擇和通過(guò)小的增量值一步一步修改以達(dá)到穩(wěn)定的輸出.最后，GE、GEC和GU的系數(shù)確定為:GE=1.8、GEC=7和GU=1.4.

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出的模糊控制器在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，在半物理仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)(圖3)上進(jìn)行了實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn).由電腦產(chǎn)生的輸入信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡(PCL-818HD)發(fā)送給伺服放大器，放大后的信號(hào)被傳遞到伺服閥從而控制液壓缸產(chǎn)生力來(lái)克服負(fù)載的彈簧力和慣性力，再通過(guò)力傳感器將活塞上的力值反饋回來(lái)，最后將這個(gè)反饋回來(lái)的信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.實(shí)驗(yàn)的基本要素是控制程序，它包括產(chǎn)生輸入信號(hào)的控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡的管理、控制算法的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等［15］.為了評(píng)估所提出的控制器對(duì)力的控制性能，將期望的跟蹤輸入分別設(shè)置為階躍信號(hào)和正弦信號(hào).該系統(tǒng)階躍響應(yīng)(0.1V)的跟蹤輸出如圖9所示，其中系統(tǒng)的質(zhì)量是124.96kg(包括7個(gè)質(zhì)量塊、活塞和平臺(tái))，負(fù)載剛度為3371.67N/mm，由圖可見(jiàn)，與PID控制策略和傳統(tǒng)的模糊控制策略相比，復(fù)合模糊PID控制器在抑制超調(diào)和提高實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定時(shí)間方面顯示出了明顯的優(yōu)勢(shì).由于線性或非線性系統(tǒng)辨識(shí)模型的微分方程不能充分反映實(shí)際系統(tǒng)，因此在實(shí)驗(yàn)時(shí)要對(duì)控制器的某些參數(shù)稍作修改.這樣實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)與仿真結(jié)果稍有不同，不同的原因包括實(shí)際系統(tǒng)的線性化，參數(shù)值的選擇以及計(jì)算的誤差等，但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體與仿真結(jié)果相符合.負(fù)載剛度變化時(shí)，復(fù)合模糊PID控制器的性能如圖10所示，其中K1=708.73N/mm，K2=3071N/mm和K3=3371.67N/mm.可見(jiàn)，負(fù)載剛度嚴(yán)重影響著系統(tǒng)的響應(yīng)速度和峰峰值的跟蹤速度.系統(tǒng)的質(zhì)量主要影響力伺服系統(tǒng)的速度.如圖11所示，可見(jiàn)在質(zhì)量變化時(shí)，使用混合模糊PID控制器時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度基本上是有保證的.其中m1=124.96kg(包括七個(gè)質(zhì)量塊、活塞和平臺(tái))，m2=67.84kg(包括3個(gè)質(zhì)量塊、活塞和平臺(tái))，和m3=25kg(包括活塞和平臺(tái)).

5結(jié)論

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)研究，我們可以得出以下結(jié)論:第一，本文通過(guò)輸入和輸出數(shù)據(jù)對(duì)電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行了模型辨識(shí)，并通過(guò)在xPC實(shí)時(shí)半物理仿真系統(tǒng)中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所辨識(shí)模型的可信度.辨識(shí)的結(jié)果可作為控制算法的研究、參數(shù)的調(diào)整和電液伺服系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ).第二，復(fù)合模糊PID控制器已成功應(yīng)用于電液力伺服試驗(yàn)臺(tái).計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，復(fù)合模糊PID控制器在力伺服系統(tǒng)中的跟蹤性能要比線性PID控制器和常規(guī)模糊控制器要好.第三，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載剛度和質(zhì)量參數(shù)變化時(shí)，復(fù)合模糊PID控制器可以保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和魯棒性.通過(guò)合理地匹配負(fù)載剛度和負(fù)載質(zhì)量可以提高系統(tǒng)的控制性能.

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作者:韓桂華 崔燕 于鳳麗 單位:哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院