何少佳 閆奧博 祝新軍 紀(jì)效禮

(①桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，廣西桂林541004；②紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江紹興312000)

隨著我國對高端裝備的不斷投入。如何去提高裝備的可靠性的問題，已經(jīng)越來越引起制造業(yè)企業(yè)的高度重視，這也是我國高端制造的必經(jīng)之路[1］。

當(dāng)前，模擬產(chǎn)品在運行、存儲等過程中所受到的振動激勵一般通過振動模擬設(shè)備來模擬[2］。我國目前的振動模擬設(shè)備通常采用液壓振動臺，但我國液壓振動臺始終處于中低端水平。其主要原因是位移控制精度不高，則振動激勵的模擬效果大打折扣。

通過仿真建立一個高精度的數(shù)學(xué)模型很難模擬液壓振動臺系統(tǒng)。主要原因是其存在工藝復(fù)雜、系統(tǒng)參數(shù)時變、沖擊振動等復(fù)雜因素[3-4］。雖然傳統(tǒng)的PID控制器對其輸出效果有所改善，但是固定的PID參數(shù)值并不能解決系統(tǒng)自適應(yīng)能力低，響應(yīng)滯后等性能缺陷。

對液壓振動臺位移的控制一般轉(zhuǎn)換為對電壓值的閉環(huán)控制[5］，通過中央處理器處理將電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的位移值。在運行過程中，由于液壓泵中壓力的損失，造成的位移變化不能直接反映出來，加上傳統(tǒng)的PID控制器的調(diào)節(jié)，液壓振動臺系統(tǒng)的位移的控制精度和穩(wěn)定特性等性能嚴(yán)重受到影響。

因此，本研究在前人提出的理論研究的基礎(chǔ)上，提出在液壓振動臺的液壓泵中加入壓力傳感器檢測液壓泵的輸出壓力值，與設(shè)定的位移值形成雙閉環(huán)控制，單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)對反饋回來的位移和壓力值進行處理，對位移誤差進行在線補償。

1 研究現(xiàn)狀

目前，為了了解液壓振動臺系統(tǒng)的位移精度控制方面的問題，我國的一些學(xué)者對其做了一些研究，比如胡紅波[6］提出了一種位移反饋控制系統(tǒng)，以減小振動臺輸出波形的失真度，但是系統(tǒng)的自適應(yīng)能力低；晁智強[7］提出了一種基于PID控制和重復(fù)控制補償符合控制策略，但由于定值PID的局限，自適應(yīng)低，加上液壓泵內(nèi)部的壓力的損失等因素的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度不高；黃茹楠[8］采用常規(guī)PID控制和模糊控制策略對振動臺實施控制，有效地抑制了超調(diào)量和提高了動態(tài)特性；嚴(yán)俠[9］提出了一種單神經(jīng)元PID位移控制系統(tǒng)，有效地提高了系統(tǒng)的自學(xué)、和自適應(yīng)能力。

雖然液壓振動臺的位移控制精度問題在一定程度上得到了改善，但是與實際的液壓振動臺系統(tǒng)存在較大的差異。當(dāng)受到外界干擾時，很難獲得高精度的位移控制效果。因此，進一步改善液壓振動臺的位移控制精度的研究有著重要的意義。

2 液壓振動臺位移誤差補償?shù)姆桨?/h2>

由于液壓振動臺硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接精準(zhǔn)地控制液壓振動臺的伺服作動器的位移非常困難[10］。我國大部分液壓振動臺對位移的控制一般轉(zhuǎn)換為對電壓值的閉環(huán)控制，通過處理器處理將電壓值轉(zhuǎn)換為位移值，但是這樣存在較大的誤差。在運行過程中，由于液壓泵中壓力的損失，造成的位移變化不能直接地反映出來，嚴(yán)重影響了液壓振動臺位移的控制精度。

為了改善液壓振動臺的位移控制精度，研究在液壓泵的輸出口處加入壓力傳感器的方法，來檢測液壓泵的輸出壓力，從而實現(xiàn)對液壓振動臺位移誤差的補償。液壓振動臺控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在監(jiān)控管理單元里預(yù)先設(shè)置好液壓振動臺的位移值和液壓泵的壓力值。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)給比例方向閥電量信號，比例方向閥的流量和方向在其控制下發(fā)生變化，按照程序執(zhí)行，改變伺服作動器的位移。通過位移傳感器獲得伺服作動器的位移值，實現(xiàn)對位移的控制，液壓泵的壓力值通過壓力傳感器獲得，并將其轉(zhuǎn)換為電量參數(shù)反饋到控制系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對壓力值的控制，來減小液壓振動臺在運行中由于振動、油液泄漏等因素帶來的液壓泵內(nèi)部的壓力損失，導(dǎo)致位移的變化。監(jiān)控管理單元，對設(shè)定的參數(shù)值和實際反饋回來的數(shù)值進行比較和處理，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，不斷修正輸出的參數(shù)，使輸出的效果不斷趨于最優(yōu)化。這種控制方式可以減小外界干擾對系統(tǒng)的影響。

3 單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID控制

在工業(yè)領(lǐng)域中，應(yīng)用常規(guī)的PID控制，對精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型的調(diào)節(jié)有著極其重要的作用[11］。但對于液壓振動臺這種復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)的PID控制則不能滿足其伺服作動器的控制需求，表現(xiàn)出自適應(yīng)能力低、反應(yīng)遲鈍等弊端?；趩紊窠?jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID智能控制，不但結(jié)構(gòu)簡單，而且具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，有較強的抗干擾能力和魯棒性[12］。

3.1 單神經(jīng)元運算過程的原理

為此，本研究針對液壓振動臺的伺服作動器，引入單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID智能控制，不僅能適應(yīng)環(huán)境的變化且有較強的魯棒性。按照有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)法則，單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID智能控制器對加權(quán)系數(shù)不斷地調(diào)整從而實現(xiàn)自適應(yīng)和自組織功能，進而改善其伺服作動器的位移控制精度和抗干擾能力以及魯棒性[13］。有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)法則可表示為:

式中:Δwij(k)為神經(jīng)元i、j的聯(lián)接權(quán)值；η為學(xué)習(xí)速率；dj(k)為期望輸出；oi(k)、oj(k)為神經(jīng)元i、j的激活值。其運算過程結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2中:x1，x2，…，xn為神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元接收到的外部環(huán)境信號，wi1，wi2，…，win為神經(jīng)元的聯(lián)接權(quán)。

3.2 液壓振動臺系統(tǒng)單神經(jīng)元PID控制器的設(shè)計

采用基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID和有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)法則的智能控制器，對液壓振動臺系統(tǒng)反饋的位移值和壓力值與設(shè)定值進行比較和處理，產(chǎn)生的誤差通過具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能的單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID控制器，從而調(diào)整出最優(yōu)的PID的控制參數(shù)，實現(xiàn)對液壓振動臺的伺服作動器進行閉環(huán)控制。液壓振動臺系統(tǒng)的單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)PID控制器的拓?fù)鋱D如圖3。

圖3中:lin1是液壓振動臺伺服作動器的位移，pin2是液壓泵的壓力；y1、y2是系統(tǒng)反饋的位移值和壓力值；xp(k)、xi(k)、xd(k)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元所接收到的外部信號?？刂扑惴皩W(xué)習(xí)算法為[14］:

式中:xp(k)＝e(k)，xi(k)＝e(k)-e(k-1)，xd(k)＝Δ2e(k)＝e(k)-2e(k-1)＋e(k-2)；ηp、ηi、ηd分別表示比例、積分和微分的學(xué)習(xí)速率；K為神經(jīng)元的比例系數(shù)，K＞0。

程序開始運行，首先給u(0)賦初值，然后單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID按照有監(jiān)督的Hebb的學(xué)習(xí)法則調(diào)整出最優(yōu)的權(quán)值參數(shù)，來適應(yīng)外部環(huán)境的改變，從而迅速地減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，使系統(tǒng)達到最優(yōu)化。

4 仿真驗證

本研究針對液壓振動臺位移誤差的補償調(diào)節(jié)，是加入壓力值與位移值形成雙閉環(huán)控制來對位移值進行補償。伺服作動器的位移值y1與液壓泵中輸出的壓力值y2互相影響，構(gòu)成雙輸入雙輸出的耦合非線性的系統(tǒng)。假設(shè)系統(tǒng)被控的位移和壓力的近似數(shù)學(xué)模型[13］為:

式中:y1、y2分別對應(yīng)為位移傳感器和壓力傳感器反饋的相應(yīng)參數(shù)；u1、u2分別對應(yīng)為位移和壓力的單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的輸出；假設(shè)設(shè)定的階躍信號參數(shù)分別為:rin1＝0.9 cm、rin2＝0.7 MPa。 當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，在第0.3 s采樣時刻，分別加入0.05 cm、0.05 MPa的外界干擾。傳統(tǒng)PID控制器的階躍響應(yīng)曲線圖如圖4所示，單神經(jīng)元PID控制器的階躍響應(yīng)曲線圖如圖5所示。

由圖4和圖5的對比可知，采用基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID和有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)法則的智能控制器，響應(yīng)速度更快，能迅速達到所設(shè)定的參數(shù)值[15］。當(dāng)受到外界干擾時，能迅速反應(yīng)，并快速地回到穩(wěn)定狀態(tài)，因此相比于常規(guī)的PID控制方式，其具有更精準(zhǔn)和快速的位置控制的特點，可以有效地解決液壓振動臺在運行過程中位移控制的問題。

5 結(jié)語

本研究通過在液壓泵中加入壓力傳感器，其壓力值與位移值形成雙閉環(huán)控制來對位移值進行補償，以減小液壓振動臺在運行過程中所受到的干擾等問題造成的位移誤差。通過采用基于單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的PID和有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)法則的智能控制器來調(diào)整出最優(yōu)的PID的控制參數(shù)，從而改善其伺服作動器的位移控制精度和抗干擾能力以及魯棒性。