, , , (西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院, 陜西 西安　710048)

引言

液壓伺服系統(tǒng)特別是電液伺服系統(tǒng)己經(jīng)在軍事領(lǐng)域、航空技術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域都占有十分重要的地位，但凡需要使用大功率、快速、精確反應(yīng)的控制系統(tǒng)，都得到大力應(yīng)用。在國防工業(yè)領(lǐng)域中，主要用于飛機(jī)的操縱系統(tǒng)、導(dǎo)彈的自動(dòng)控制系統(tǒng)和火炮的操縱系統(tǒng)等方面；而在一般工業(yè)領(lǐng)域中， 則主要用于機(jī)床、冶煉軋鋼、建筑機(jī)械和船舶等控制系統(tǒng)[1,2]。因此電液伺服控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展對于實(shí)現(xiàn)國防工業(yè)和一般工業(yè)的現(xiàn)代化，同時(shí)對于趕超國際先進(jìn)技術(shù)都有著非常重大的意義。電液伺服的控制技術(shù)分為閥控和泵控兩大類。目前應(yīng)用最廣泛的是閥控系統(tǒng)， 但閥控電液伺服系統(tǒng)存在對介質(zhì)要求高、元件壽命短、效率低、能量浪費(fèi)大等不足，均限制了該技術(shù)的應(yīng)用。直泵控電液伺服系統(tǒng)是交流伺服電動(dòng)機(jī)技術(shù)和液壓技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是近十年來交叉學(xué)科相結(jié)合的技術(shù)成果。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)通過交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵，再由定量泵直接驅(qū)動(dòng)液壓缸。通過改變伺服電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)、速度和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間來控制液壓缸的正反向、速度快慢和位置。其優(yōu)點(diǎn)是伺服電動(dòng)機(jī)與控制執(zhí)行元件的液壓油缸可以做到較為理想的功率匹配，功率損失小，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊。

然而與所有液壓伺服系統(tǒng)一樣,由于自身特性的影響以及外界干擾因素的影響, 直驅(qū)式容積控制電液伺服系統(tǒng)存在嚴(yán)重的非線性，傳統(tǒng)的PID控制方法很難滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的要求。模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，魯棒性較好，但是模糊控制本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的能力比較差[3,6-8]。為了能夠既滿足控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整又能夠提高消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的能力，我們采用綜合模糊控制和PID控制優(yōu)勢的模糊自整定PID控制方法解決直驅(qū)泵控系統(tǒng)液壓缸的位置伺服控制，通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究表明該方法具有良好的動(dòng)態(tài)特性與對外部干擾較強(qiáng)的魯棒性。

1　直驅(qū)泵控系統(tǒng)組成和工作原理

直驅(qū)泵控系統(tǒng)組成如圖1所示，系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)調(diào)速模塊、閉式容積控制模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊、輔助油路模塊和加載模塊構(gòu)成。其中電機(jī)調(diào)速模塊包括伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)矩控制；泵控缸模塊由雙向定量柱塞泵和活塞缸組成，通過控制泵流量、壓力、轉(zhuǎn)向來控制活塞的速度、位移和方向；輔助油路模塊由溢流閥、單向閥、液控單向閥和蓄能器構(gòu)成，與油箱和進(jìn)出口主油路相聯(lián)兩個(gè)溢流閥起過載卸荷功能；單向閥和液控單向閥主要解決不對稱活塞缸容積控制流量不平衡時(shí)的補(bǔ)油和泄油問題；蓄能器起到儲油和補(bǔ)油的功能。加載模塊是一個(gè)傳統(tǒng)的閥控缸系統(tǒng)。其工作原理：當(dāng)液壓缸活塞伸出時(shí)，低壓油的排出量小于高壓油的流入量，泵出現(xiàn)低壓油供油不足，回路油壓降低，單向閥反向打開，通過吸油方式向低壓回路補(bǔ)油；反之，當(dāng)液壓缸活塞縮回時(shí)，油缸的液壓油流出量大于流入量，液控單向閥反向打開，進(jìn)行卸油，使柱塞泵的流入流出液壓油量保持平衡。

圖1　直驅(qū)泵控組成圖

2　基于AMESim/Simulink的泵控缸系統(tǒng)仿真模型

AMESim是當(dāng)今領(lǐng)先的流體傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件,它為用戶提供了基于系統(tǒng)原理圖的建模方法，使得用戶可以從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來，專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)，從而便于工程技術(shù)人員的掌握和使用[4]。MATLAB仿真平臺Simulink借助MATLAB的計(jì)算功能,可方便地建立各種模型、改變仿真參數(shù)，能有效地解決仿真技術(shù)中的問題。由于AMESim作為機(jī)械系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)平臺提供了與MATLAB軟件的接口。因此，可將AMESim作為一個(gè)完整的系統(tǒng)工程仿真平臺，Simulink作為事實(shí)上的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)平臺。點(diǎn)對點(diǎn)AMESim-Simulink接口提供了一個(gè)使用便捷和行之有效的工具，用于AMESim的被控對象模型和控制系統(tǒng)模型之間的耦合分析。同時(shí)利用了AMESim和Simulink的最佳功能，避免了不同平臺之間復(fù)雜模型的重建[5]。

在AMESim/Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境下，根據(jù)直驅(qū)泵控系統(tǒng)原理建立控制系統(tǒng)的仿真原理圖，如圖2所示。

其參數(shù)設(shè)定如下：活塞直徑為36 mm；缸直徑為63 mm；液壓缸行程為0.15 m；電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500 r/min；泵的排量為16 mL/r，轉(zhuǎn)速為1500 r/min；溢流閥的調(diào)整壓力為7 MPa；電液伺服閥各通路的流量為40 L/min， 阻尼比取0.7，位移傳感器的增益為10 V/m。其他參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值。

圖2　泵控系統(tǒng)AMESim/Simulink仿真模型

AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真具體的實(shí)現(xiàn)過程：在AMESim中建立直驅(qū)泵控系統(tǒng)子模型經(jīng)過系統(tǒng)編譯、參數(shù)設(shè)置等生成供Simulink使用的S函數(shù)，在Simulink環(huán)境中，將建好的包含其他Simulink模塊 AMESim模型當(dāng)作普通的S函數(shù)對待，添加到系統(tǒng)的Simulink模型中，從而實(shí)現(xiàn)AMESim/Simulink的聯(lián)合建模與仿真。

3　直驅(qū)泵控系統(tǒng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)

1) 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

根據(jù)直驅(qū)泵控伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，將PID控制與模糊控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊PID控制器[7,9-11]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)模糊推理模塊，該模塊可根據(jù)誤差與誤差變化率自適應(yīng)地整定PID控制器的增益參數(shù)Kp、Ki、Kd。模糊推理模塊采用二輸入三輸出結(jié)構(gòu)，輸入為系統(tǒng)輸出與控制量之間的誤差e及誤差的變化率ec，輸出為PID控制器的增益系數(shù)Kp、Ki、Kd。模糊推理模塊利用PID控制器參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)知識與模糊集合理論建立輸入與輸出之間的非線性映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)根據(jù)控制系統(tǒng)參數(shù)與控制誤差的變化實(shí)時(shí)地調(diào)整PID參數(shù)，提高控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)與環(huán)境適應(yīng)能力。

圖3　模糊自適應(yīng)PID控制器

2) 自適應(yīng)模糊PID控制器在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)

利用某公司的圖形化虛擬儀器軟件LabVIEW 8.2專業(yè)開發(fā)版和附帶的模糊邏輯工具箱(Fuzzy Control Toolkit)設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊控制器。設(shè)計(jì)步驟為：

(1) 輸入、輸出量模糊化處理在LabVIEW環(huán)境中是在Fuzzy Set Editor設(shè)置。運(yùn)行Fuzzy Logic Controller Design模塊，通過具有交互式界面的Fuzzy Set Editor設(shè)計(jì)輸入變量偏差e、偏差的變化ec、輸出變量Kp、Ki、Kd的論域范圍及各個(gè)語言變量的隸屬函數(shù)形狀等參數(shù)(見圖4)。由于每個(gè)控制器只有1個(gè)輸出變量，因此需分別設(shè)計(jì)對應(yīng)于3個(gè)輸出變量Kp、Ki、Kd的模糊控制器。對輸入變量偏差e、偏差的變化ec、輸出變量Kp、Ki、Kd的隸屬函數(shù)均采用三角形的隸屬函數(shù)形狀，論域范圍均采用瑪達(dá)尼的模糊量化方法將其離散為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6] 13級，并分為正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)及負(fù)大(NB)等7個(gè)語言變量值。

圖4　隸屬函數(shù)設(shè)置

(2) 在Fuzzy Logic Controller Design模塊中通過Rulebase Editor確定“IF…THEN…”形式的模糊控制規(guī)則(見圖5)，并選擇相應(yīng)的推理算法和解模糊方法等。該編輯器可實(shí)現(xiàn)將輸人量的各語言變量自動(dòng)匹配，并為每條規(guī)則選擇加權(quán)值，以便進(jìn)行規(guī)則的優(yōu)化。根據(jù)大量專家知識和研究成果本設(shè)計(jì)中采用49條控制規(guī)則，每條規(guī)則的加權(quán)值都缺省為1，模糊推理算法為max-min合成法，解模糊方法采用取最大隸屬度法。

圖5　模糊控制規(guī)則

(3) 通過I/O Characteristic對設(shè)計(jì)的模糊控制器輸出特性進(jìn)行初步測試和分析，驗(yàn)證控制規(guī)則是否完備，是否有規(guī)則沖突等，以對其進(jìn)行必要的修改和優(yōu)化。

(4) 將設(shè)計(jì)好的模糊控制器分別保存在后綴名為Kp.fc，Ki.fc，Kd.fc的數(shù)據(jù)文件中，以備在應(yīng)用程序中調(diào)用。

4　直驅(qū)泵控系統(tǒng)自適應(yīng)模糊PID控制仿真與實(shí)驗(yàn)

基于CQYZ-D虛擬儀器測控電液比例與電液伺服控制實(shí)驗(yàn)臺如圖6所示，對直驅(qū)泵控系統(tǒng)的液壓缸的調(diào)速與位置伺服性能進(jìn)行測試，分別輸入單位階躍和正弦輸入信號對本研究提出的控制算法驗(yàn)證。

圖6　CQYZ-D虛擬儀器測控電液比例伺服控制實(shí)驗(yàn)臺

基于AMESim/Simulink聯(lián)合仿真得到階躍和正弦跟蹤PID和自適應(yīng)模糊PID控制的對比曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7　PID和模糊PID階躍跟蹤曲線仿真對比

圖8　PID和模糊PID正弦跟蹤曲線仿真對比

分析圖7、圖8，隨著Kp、Ki的增大，Kd的減小，PID位置閉環(huán)響應(yīng)速度逐漸加快，但超調(diào)量也出現(xiàn)了增大，調(diào)節(jié)時(shí)間被延長，可見采用傳統(tǒng)PID控制難以解決響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)時(shí)間之間的矛盾；而模糊PID由于采取自適應(yīng)調(diào)整PID控制參數(shù)的策略，在響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)精度與調(diào)節(jié)時(shí)間之間實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化綜合，達(dá)到了良好的控制效果。

如圖9和圖10，分別為直驅(qū)泵控系統(tǒng)位置閉環(huán)階躍響應(yīng)PID和模糊PID實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，模糊PID控制的各項(xiàng)性能指標(biāo)仍優(yōu)于普通PID。實(shí)驗(yàn)與仿真的差異主要表現(xiàn)在滯后時(shí)間和超調(diào)量，實(shí)際系統(tǒng)存在較為嚴(yán)重的時(shí)滯性，其次響應(yīng)速度和精度也有一定差異。

圖9　PID階躍跟蹤曲線

圖10　模糊PID階躍跟蹤曲線

圖11、圖12為普通PID控制與模糊PID正弦曲線跟蹤控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出采用兩種控制策略進(jìn)行直驅(qū)泵控系統(tǒng)位移曲線跟蹤控制時(shí)，由于伺服電機(jī)與泵控缸系統(tǒng)均為大滯后系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出與控制目標(biāo)之間均存在時(shí)間上的延遲，但對比兩圖可以看出模糊PID實(shí)際輸出曲線與移位目標(biāo)曲線基本吻合，而普通PID存在較大誤差。

圖11　PID正弦跟蹤曲線

圖12　模糊PID正弦跟蹤曲線

可見，由于自適應(yīng)模糊PID控制采取了根據(jù)誤差和誤差變化率自適應(yīng)調(diào)整PID參數(shù)的控制策略，與普通PID相比，其響應(yīng)速度、控制精度與抗干擾能力均得到明顯改進(jìn)，能較好滿足液壓缸位置的伺服控制需要。

5　結(jié)論

仿真和實(shí)驗(yàn)都表明：常規(guī)PID控制器只能通過改變控制器參數(shù)改善控制性能、不靈活、控制規(guī)律較難掌握、響應(yīng)速度慢、調(diào)整時(shí)間長、有滯后的缺點(diǎn)。而模糊PID控制器具有控制響應(yīng)速度快、無滯后和超調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，模糊PID控制器也繼承了常規(guī)PID控制器控制穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

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