于浩洋

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

液壓閥控系統(tǒng)的前饋-自調(diào)整因子模糊控制

于浩洋

(黑龍江工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)

針對液壓閥控系統(tǒng)負(fù)載的不確定性和擾動性，建立液壓閥控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出前饋和自調(diào)整因子模糊控制相結(jié)合的控制方法，同時分析模糊控制器的控制機(jī)理，給出自調(diào)整因子模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明這種控制方法能有效地提高控制系統(tǒng)的控制性能，自調(diào)整因子模糊控制和前饋控制環(huán)節(jié)的結(jié)合在液壓閥控伺服系統(tǒng)的控制中具有很好的控制效果。

前饋；自調(diào)整因子；液壓閥控系統(tǒng)；負(fù)載擾動；仿真

液壓閥控系統(tǒng)是工程上常用的伺服控制系統(tǒng),它具有響應(yīng)速度快、功率/重量比大、負(fù)載剛性高和性能價格比高等特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)高精度、高速度和大功率的控制，因此,在航空航天、冶金、船舶、機(jī)床、動力設(shè)備和煤礦機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對于液壓閥控進(jìn)行了許多控制策略方面的研究,如非線性PID控制[1]、QFT魯棒控制[2]、變結(jié)構(gòu)控制[3]和H∞控制[4]等,均取得了一定的成果。然而由于系統(tǒng)中存在的非線性因素,如系統(tǒng)載荷隨機(jī)多變性、擾動隨機(jī)性及液壓系統(tǒng)本身具有的油液非線性特性等,使得常規(guī)的、基于線性模型的控制策略無法達(dá)到期望的系統(tǒng)性能要求。因此，分析不同形式的伺服閥及其閥控制缸機(jī)構(gòu)的非線性特性,建立相應(yīng)的非線性數(shù)學(xué)模型，以便能更加細(xì)致地描繪實(shí)際的閥控系統(tǒng),為研究適合高性能的系統(tǒng)控制策略提供必要的保障。

本文提出利用前饋與自調(diào)整因子模糊控制相結(jié)合的辦法，對閥控系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤控制。

1 液壓閥控系統(tǒng)建模

假定：閥是零開口四邊滑閥，4個節(jié)流窗口是匹配和對稱的，供油壓力PS恒定，回油壓力P0為0，閥的線性化流量方程為

(1)

式中:Kq為流量增益，Kc為流量壓力系數(shù)，xv為伺服閥主閥位移，pL為負(fù)載壓力。

(2)

液壓缸的連續(xù)性方程

(3)

式中：Ap為液壓缸活塞有效面積，xp為滑閥位移，Ctp為液壓缸總泄漏系數(shù)，Vt為液壓缸控制腔初始容積，βe為油液等效容積模量。

液壓缸的輸出力與負(fù)載力的平衡方程

(4)

式中:M為活塞及負(fù)載總質(zhì)量,Bp為活塞及負(fù)載的黏性阻尼系數(shù),K為負(fù)載彈簧剛度,FL為作用在活塞上的任意外負(fù)載力。

將式(2)、式(3)、式(4)進(jìn)行拉式變換，消去中間變量pL，并整理得

(5)

式中：Kce為總壓力—流量系數(shù)，Kce=Ctp+Kc。

(6)

由于液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的固有頻率高于50Hz，所以本文按液壓缸負(fù)載固有頻率與伺服閥頻寬相近來確定，電液伺服閥的傳遞函數(shù)按二階振蕩環(huán)節(jié)取用[5]

(7)

式中：Ksv為伺服閥的流量增益，ωsv為伺服閥固有頻率，ξsv為伺服閥阻尼系數(shù)。

整個電液系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

圖1 電液伺服系統(tǒng)模型

由此可得系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型為

(8)

其中：

2 前饋-反饋跟蹤控制的設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)不僅本身是非線性系統(tǒng), 而且由于其系統(tǒng)載荷的隨機(jī)多變性、擾動隨機(jī)性及液壓系統(tǒng)本身具有的油液非線性特性等,使得常規(guī)的、基于線性模型的控制策略無法達(dá)到人們所期望的性能要求。為了發(fā)揮其響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍廣、功率大、耐用性高等優(yōu)點(diǎn)，本文采用前饋控制結(jié)合反饋控制的跟蹤控制策略，即由前饋控制減小系統(tǒng)中存在由加入固定負(fù)載引起常值擾動，由前饋和自調(diào)整因子模糊控制來盡可能地控制和減小由負(fù)載變化引起的擾動慣性，系統(tǒng)控制如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制方案

圖中Gq(s)=Gsv(s)Kq/AP。

2.1 前饋控制

前饋控制是指在控制系統(tǒng)中,根據(jù)設(shè)定值或者外界干擾的變化，產(chǎn)生合適的控制作用去改變操縱變量,使受控變量維持在設(shè)定值上的一種控制方法[6]。由于系統(tǒng)載荷的隨機(jī)多變性以及擾動隨機(jī)性的存在，使擾動的測量十分困難，但是擾動最直接的表現(xiàn)就是體現(xiàn)在滑閥位移大小的改變上，并具有一定的慣性。因此，在前饋通路中設(shè)有相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)，就可以盡可能地減少、甚至消除由于負(fù)載常值擾動對系統(tǒng)的影響，同時也可以和自調(diào)整因子模糊控制器一起控制和減小由于負(fù)載變化引起的擾動的慣性對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。本文在前饋通道上采用PID控制器對擾動直接進(jìn)行控制，并由此使系統(tǒng)由于擾動產(chǎn)生的影響直接在前向通道予以補(bǔ)償。這樣，主通道上的控制輸出就由主控制器和前饋補(bǔ)償兩部分組成，從而完成對負(fù)載擾動的一種跟蹤補(bǔ)償控制。前饋控制如圖3中虛線內(nèi)部所示。

圖3 前饋控制系統(tǒng)

2.2 自調(diào)整因子模糊控制

模糊控制由于具有不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)簡單、魯棒性強(qiáng)以及良好的非線性控制特性等特點(diǎn)，在工業(yè)過程控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并已成為智能控制的一個主要分支。但是采用常規(guī)模糊控制的最大問題就是存在穩(wěn)態(tài)誤差。為了減小甚至消除穩(wěn)態(tài)誤差，本文采用帶自調(diào)整因子的模糊控制器。該控制器通過修正因子來改變控制規(guī)則，再用優(yōu)化的控制規(guī)則進(jìn)行控制，也就是通過對模糊規(guī)則的調(diào)整從根本上提高模糊控制器的性能，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自調(diào)整因子模糊控制系統(tǒng)

圖4中各個參數(shù)的意義為：r，y分別為系統(tǒng)的設(shè)定值和系統(tǒng)的輸出值(精確量)；e，ec，u分別為系統(tǒng)誤差、誤差變化率和模糊控制器的控制輸出(精確量)；E，Ec，U分別為反映系統(tǒng)誤差、誤差變化率和模糊控制器輸出(模糊量)。

通常情況下，fuzzy模型結(jié)構(gòu)可用下列解析式表示

自調(diào)整因子α由模糊推理產(chǎn)生，相當(dāng)于在原常規(guī)的模糊控制器基礎(chǔ)上增加一個用于調(diào)整加權(quán)因子α的模糊控制器。這樣就可以滿足當(dāng)誤差較大時，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是消除誤差，這時對誤差在控制規(guī)則中的加權(quán)應(yīng)該大些；相反當(dāng)誤差較小時，此時系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。

3 控制系統(tǒng)仿真及分析

為了驗(yàn)證此控制方法的性能，以某伺服閥控制系統(tǒng)為例在MATLAB/ SIMULINK下進(jìn)行了仿真。各項(xiàng)取值參考如下：ωsv=590 rad/s，ξsv=0.7，Ksv=0.003 1 m3/s·A，Kce=11.6×10-10m5/(N·s)，AP=1.9×10-4m2，Vt=1.4×10-3m3，βe=0.9e+9 (Pa)，Kd=1.29，ωn=22.8 rad/s，ξn=0.2，Kq=1.88。

首先驗(yàn)證本文所提控制器在無擾動情況下的控制效果，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 無負(fù)載時的系統(tǒng)響應(yīng)

由圖5可知，若主通道控制器為常規(guī)模糊控制器，在沒有負(fù)載輸入的情況下，輸入單位階躍響應(yīng)信號，則在系統(tǒng)穩(wěn)定以后，有穩(wěn)態(tài)誤差的存在；而采用自調(diào)整模糊控制器，無論是否加入前饋環(huán)節(jié)，穩(wěn)態(tài)誤差均基本消除，同時在系統(tǒng)相應(yīng)速度與超調(diào)量上還有優(yōu)勢。

在系統(tǒng)有擾動下的情況，假定負(fù)載由0～3000 N和0～7000 N兩種情況進(jìn)行交替變化，考慮到在交替變化的過程中存在一些不確定的擾動，因此，在變化曲線中加入一定幅度的白噪聲信號以模擬不確定擾動。負(fù)載變化曲線如圖6所示，控制效果如圖7所示。圖中加入前饋的自調(diào)整因子模糊控制器的控制效果，無論是在相應(yīng)速度、超調(diào)、魯棒性等指標(biāo)上均優(yōu)于另兩種控制。

模擬現(xiàn)場控制的實(shí)際情況，如需液壓閥的位移量為5.5 cm，則三種方法所得的實(shí)際結(jié)果如圖8所示，本文所提方法的控制效果令人滿意。

圖6 輸入負(fù)載

圖7 有負(fù)載擾動時的系統(tǒng)響應(yīng)

圖8 模擬現(xiàn)場控制效果

4 結(jié)束語

本文通過建立伺服系統(tǒng)的控制模型，分析了系統(tǒng)負(fù)載存在的不確定性和擾動性，提出了前饋與自調(diào)整因子相結(jié)合的液壓閥控伺服系統(tǒng)的跟蹤控制方案。仿真結(jié)果表明，結(jié)合前饋的自調(diào)整因子模糊控制應(yīng)用于閥控伺服系統(tǒng)中，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度得到了明顯的改善，并使控制系統(tǒng)具有了較強(qiáng)的魯棒性。

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[責(zé)任編輯：郝麗英]

Feed forward and fuzzy control with rule of self-adjusting factors on hydraulic valve-control system

YU Hao-yang

(College of Electronic and Information Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

Based on the uncertainty and disturbance in hydraulic valve-control system of load, the mathematical model of hydraulic valve-control system is set up, the control method of feed forward fuzzy control with rule of self-adjusting factors is designed, the control principle of the controller is analyzed, the basic structure of the controller is designed, and the simulation is done on the environment of MATLAB /SIMULINK in order to verify this method. The simulated results indicate that the fuzzy control with rule of self-adjusting factors combined with control of the feed forward can get better control effect in using hydraulic valve-control system.

feed forward; self-adjusting factor; hydraulic valve-control system; interference of extra load; simulation

2014-08-17

黑龍江省教育廳基金資助項(xiàng)目(12521447)

于浩洋(1968-)，男，副教授，研究方向：智能控制及仿真.

TP271.31

A

1671-4679(2015)02-0018-04