殷兆奎 李 強

(1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司；2.北京礦冶研究總院)

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單神經(jīng)元控制器的設(shè)計及應用

殷兆奎1李 強2

(1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司；2.北京礦冶研究總院)

國產(chǎn)剝鋅機調(diào)板小車采用閥控非對稱液壓缸作為執(zhí)行機構(gòu)，帶來的壓力突跳、系統(tǒng)振動和動態(tài)不對稱性等問題影響了小車的動態(tài)性能，造成極板晃動。在分析比例閥控非對稱液壓缸數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，以單神經(jīng)元為控制器，設(shè)計了其學習算法，并對比例閥控非對稱液壓缸單神經(jīng)元控制系統(tǒng)進行仿真分析。相比傳統(tǒng)PID控制器，單神經(jīng)元控制器在改善系統(tǒng)超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)時間等方面優(yōu)勢較大，明顯改善了系統(tǒng)不對稱性，滿足了調(diào)板小車極板運行過程對平穩(wěn)性的要求，具有一定的應用價值。

剝鋅機 閥控非對稱液壓缸 單神經(jīng)元控制器

國產(chǎn)剝鋅機間距調(diào)整小車采用比例閥控非對稱液壓缸為執(zhí)行機構(gòu)。閥控非對稱液壓缸具有占用空間小、構(gòu)造簡單、承載能力大等優(yōu)點，但由于液壓缸活塞兩側(cè)面積不同，當活塞桿運動方向改變時，會出現(xiàn)壓力突跳、系統(tǒng)振動和動態(tài)不對稱性等現(xiàn)象，影響調(diào)整小車的動態(tài)性能[1]。

為克服非對稱液壓缸換向時帶來的不利影響，通過采用單神經(jīng)元作為調(diào)整小車的控制器，利用其結(jié)構(gòu)簡單、自學習和自適應能力來提高調(diào)板小車液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能，確保極板在運動過程中的穩(wěn)定度，對于實際生產(chǎn)過程具有較強的指導作用。

1 比例閥控非對稱液壓缸數(shù)學模型

1.1 數(shù)學模型

液壓系統(tǒng)大都從閥的壓力—流量特性、油缸負載流量方程和油缸的力方程等3個方面來建立數(shù)學模型[2]。比例閥控非對稱液壓缸動力機構(gòu)示意見圖1。

由于比例閥控非對稱液壓缸在正、反兩個運動方向運動過程中，系統(tǒng)參數(shù)會發(fā)生變化，所以需要根據(jù)方向的不同分別推導數(shù)學模型。

圖1 比例閥控非對稱液壓缸動力機構(gòu)

(1)

(2)

1.2 比例放大器傳遞函數(shù)

比例放大器的數(shù)學模型：

(3)

式中，輸入量是電壓，輸出量是電流。

傳遞函數(shù)可表示為

(4)

式中，I為比例放大器的輸出電流，A；Δu為比例放大器的輸入電壓，V；Ka為比例放大器的增益。

1.3 電液比例閥傳遞函數(shù)

電液比例閥的傳遞函數(shù)可簡化為

(5)

圖2 比例閥控非對稱液壓缸系統(tǒng)

2 單神經(jīng)元控制器的設(shè)計

2.1 單神經(jīng)控制器的學習算法

單神經(jīng)元控制結(jié)構(gòu)框見圖3。

圖3 單神經(jīng)元控制結(jié)構(gòu)

由圖3可知，r(k)為轉(zhuǎn)換器輸入值，y(k)為對象輸出值，x1，x2，x3為轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的神經(jīng)元的輸入量，其中：

單神經(jīng)元控制器的學習規(guī)則是單神經(jīng)元控制器的核心，學習規(guī)則：

(6)

式中，ri(k)代表隨過程遞減的學習信號；ηi>0代表學習速率。

2.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)

根據(jù)單神經(jīng)元控制結(jié)構(gòu)框圖，由r(k)、y(k)、x1、x2、x3，通過SIMULINK仿真環(huán)境得到具體的狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的仿真，見圖4。

圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換器仿真

2.3 單神經(jīng)元控制器的實現(xiàn)

在SIMULINK仿真環(huán)境中單神經(jīng)元控制器由三個輸入和一個輸出組成，構(gòu)造示意見5。

圖5 單神經(jīng)元控制器構(gòu)造示意

2.4 比例閥控非對稱液壓缸單神經(jīng)元控制系統(tǒng)仿真分析

由以上分析可得閥控非對稱液壓缸單神經(jīng)元控制系統(tǒng)的SIMULINK仿真模型，見圖6。

為驗證單神經(jīng)元控制器的動態(tài)性能，先用常規(guī)PID控制器對系統(tǒng)進行控制， 階躍信號仿真結(jié)果見圖7。

接入單神經(jīng)元控制器，采用階躍信號作為輸入信號，在單神經(jīng)元控制器下輸出仿真結(jié)果見圖8。

對比圖7和圖8發(fā)現(xiàn)，單神經(jīng)元控制器在改善系統(tǒng)的超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)時間等方面優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器；在解決系統(tǒng)不對稱性問題上，傳統(tǒng)PID控制器沒有作用，而單神經(jīng)元控制器可以明顯改善系統(tǒng)不對稱性問題，使系統(tǒng)在正、反兩個方向上基本保持一致性。

3 應用實踐

將單神經(jīng)元控制器模型應用于國內(nèi)某冶煉廠剝鋅機調(diào)板小車的閥控非對稱液壓系統(tǒng)上，通過實測小車運行速度及液壓缸伸出與縮回時間，發(fā)現(xiàn)調(diào)板小車雙向運行速度曲線平滑，具有極高的對稱性，速度差值在1%以內(nèi)，滿足了極板運行過程對平穩(wěn)性的要求。

圖6 比例閥控非對稱液壓缸單神經(jīng)元控制系統(tǒng)仿真

圖7 PID控制器階躍信號響應曲線

圖8 單神經(jīng)控制器階躍響應曲線

4 結(jié) 論

設(shè)計并建立比例閥控非對稱液壓缸系統(tǒng)的數(shù)學

模型和單神經(jīng)控制器，通過SIMULINK仿真軟件搭建了單神經(jīng)元控制的比例閥控非對稱液壓缸系統(tǒng)仿真模型，獲得了階躍信號的響應曲線，參照仿真結(jié)果最終將該模型應用于國內(nèi)某冶煉廠剝鋅機調(diào)板小車的閥控非對稱液壓系統(tǒng)中，保證了調(diào)板小車雙向平穩(wěn)運行。單神經(jīng)元控制器能顯著改善系統(tǒng)動態(tài)特性，可以解決非對稱液壓缸帶來的系統(tǒng)不對稱性，確保極板運動過程中的穩(wěn)定性，具有很強的現(xiàn)實指導意義。

[1] 王占林．近代液壓控制[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2005.

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[6] Fang Y，Kincaid T．G.Tability analysis of dynamical neural networks[J].IEEE Transactions on Neural Networks，1996，7(4)：1003-1006.

李 強(1986—)，男，工程師，100160 北京市南四環(huán)西路188號。

2016-08-30)

殷兆奎(1983—)，男，工程師， 654200 云南省曲靖市會澤縣龍湖三區(qū)。