何建海， 張建霞

(1.上海工程技術(shù)大學， 上海 200437； 2.上海市高級技工學校， 上海 200437；3.上海交通職業(yè)技術(shù)學院， 上海 200431)

引言

風帆助航裝置在大型船舶上基本上都是靠液壓系統(tǒng)控制的[1]，在風帆轉(zhuǎn)角控制過程中既要保證對轉(zhuǎn)角位置精度的要求，又要對轉(zhuǎn)動運行速度加以控制，以免速度突變不穩(wěn)定造成液壓沖擊，使得風帆系統(tǒng)受到振顫擾動等影響，進而影響船舶安全行駛，所以有必要對液壓系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)角位置及速度的綜合協(xié)調(diào)策略控制研究。國內(nèi)外已經(jīng)進行了很多針對電液位置伺服系統(tǒng)和速度伺服系統(tǒng)的研究工作，并且已應(yīng)用于實際中。方一鳴等[2]對非對稱液壓缸進行了位置伺服系統(tǒng)的魯棒控制，提出一種H∞自適應(yīng)反步控制器設(shè)計方法，并在軋機中進行了負載研究，表明提出的控制方法能夠使系統(tǒng)跟蹤速度更快，誤差更小，但速度控制沒有涉及。權(quán)龍等[2]針對一些軋機、 修磨機等重型設(shè)備的工作要求提出了位置壓力復合控制方案，采用串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合的位置、壓力復合控制方法，通過改變位置設(shè)定值來實現(xiàn)無沖擊位置控制和壓力控制轉(zhuǎn)換，但是不能控制執(zhí)行器的速度。孫桂濤等[3]針對變剛度電液位置伺服系統(tǒng)在快速定位控制中存在的超調(diào)現(xiàn)象，考慮負載剛度對位置伺服系統(tǒng)的影響，提出了模糊速度補償μ復合控制策略，仿真及實驗結(jié)果表明該控制方案能夠有效抑制負載剛度攝動， 同時引入的速度補償減小了位置誤差。藺素宏等[4]為提高農(nóng)機在各種路況下的跟蹤精度，設(shè)計了一種基于負載力觀測器的前饋和最優(yōu)狀態(tài)反饋控制復合控制策略。劉志剛等[5]提出用分段PID來控制液壓缸不同運行階段以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減小超調(diào)，但是在不同階段PID參數(shù)均需要多次調(diào)整，相對比較費時。權(quán)龍等[6]利用蓄能器和比例節(jié)流閥控制相結(jié)合的方法，來對泵控液壓缸位置伺服系統(tǒng)進行研究，通過比例閥流量特性校正和蓄能器的能效作用，實現(xiàn)對液壓缸的位置和速度控制，并在注塑機鎖模機構(gòu)進行了驗證。柏艷紅等[7]在考慮力負載對位置控制精度影響的條件下，提出負載力補償?shù)乃俣惹梆伜臀恢梅答亸秃峡刂撇呗裕瑢崿F(xiàn)了速度位移聯(lián)合控制，獲得了較好控制效果，不過在設(shè)計速度前饋補償模型中對負載流量的連續(xù)變化情況考慮較少，而且力的負載補償量在實際工況下不太容易通過實驗獲得，可能會影響補償模型的效果而造成跟蹤誤差不確定性。李昊[8]針對風力機變槳距系統(tǒng)提出了速度/位置模糊控制方案，在不同風力負載條件下對模糊速度位移控制進行仿真研究，構(gòu)建了變槳馬達速度前饋模型，對變槳距過程中馬達轉(zhuǎn)速進行規(guī)劃，驗證了控制策略的有效性。喬志剛等[9]為提高快鍛液壓機的控制精度與響應(yīng)速度，在傳統(tǒng)鍛壓機四通道負載口獨立控制與位置閉環(huán)控制原理的基礎(chǔ)上，提出快鍛液壓機速度位置復合控制策略。曹曉明等[10]對多級壓力源液壓切換的位置伺服控制系統(tǒng)進行研究并提出3段壓力控制，提高了系統(tǒng)的節(jié)能效果。

對于閥控液壓缸系統(tǒng)的研究目前多以位置控制為主[11-12]，通過位移傳感器把液壓缸移動位置信號輸入控制器,并與規(guī)劃位置信號相比較，控制器輸出控制信號給相關(guān)控制閥門(如伺服閥或者比例閥等)來控制流量，進而達到控制液壓缸位置的目的。本研究為了兼顧風帆轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)動速度控制，設(shè)計了油缸速度前饋和風帆轉(zhuǎn)角位置神經(jīng)元綜合優(yōu)化協(xié)調(diào)控制方案，通過Simulink及AMESim聯(lián)合仿真驗證了該控制策略對風帆驅(qū)動控制的有效性和可靠性，為風帆助航船風帆控制提供技術(shù)支持。

1 風帆驅(qū)動控制液壓系統(tǒng)

風帆液壓驅(qū)動控制原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由風帆驅(qū)動控制系統(tǒng)及風力載荷加載系統(tǒng)兩部分組成；風帆驅(qū)動控制系統(tǒng)由油泵、濾器、單向閥、液控單向閥、電液伺服閥、電液換向球閥及油缸等組成的閥控液壓缸系統(tǒng)來實現(xiàn)；風力加載部分由油泵、濾器、單向閥、電液比例溢流閥、電液換向閥及油缸等組成的液壓系統(tǒng)來控制負載缸壓力，實現(xiàn)對風帆驅(qū)動控制系統(tǒng)的加載。風力模擬加載是通過液壓缸對頂實現(xiàn)的，將風帆風洞試驗計算擬合的風力負載信號轉(zhuǎn)換為0～10 V的電壓信號來控制電液比例溢流閥，實現(xiàn)對加載缸壓力的調(diào)整，達到模擬加載風力負載目的。風帆驅(qū)動工作液壓缸的活塞桿位移信號，經(jīng)過計算轉(zhuǎn)換得到對應(yīng)風帆轉(zhuǎn)角。系統(tǒng)通過各傳感器將采集到的工作信號，如驅(qū)動工作缸有桿腔壓力信號、無桿腔壓力信號、位移/速度傳感器信號、力傳感器信號、驅(qū)動工作油源壓力信號及加載供油壓力信號輸入PXI實時控制器中，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡AI輸入上位機，經(jīng)計算處理后通過AO輸出2路電壓信號分別給電液伺服閥調(diào)節(jié)工作缸以及電液比例溢流閥調(diào)節(jié)負載加載情況，形成整個驅(qū)動試驗控制系統(tǒng)。

圖1 風帆液壓驅(qū)動控制液壓系統(tǒng)原理圖

2 風帆液壓驅(qū)動控制沖擊分析

風帆驅(qū)動控制油缸所受到負載力隨風帆攻角及風速大小等的不同而變化，風帆轉(zhuǎn)角控制屬于位置伺服控制，在保證位置轉(zhuǎn)角達到要求的情況下，來控制速度穩(wěn)定性。在實際控制中負載力的突變沖擊造成速度及壓力波動沖擊，進而對位置變化也會產(chǎn)生沖擊影響。這種沖擊一般發(fā)生在油缸活塞伸出或縮回所承受負載不同、速度不同進而對風帆轉(zhuǎn)動帶來沖擊，同時若控制不穩(wěn)定，在所需轉(zhuǎn)角位置就不能盡快穩(wěn)定下來，導致出現(xiàn)來回波動調(diào)整，對整個系統(tǒng)非常不利。

將模擬動態(tài)風力負載加載到風帆驅(qū)動系統(tǒng)并進行仿真研究。圖2是動態(tài)風力負載下轉(zhuǎn)角位置跟蹤曲線及所對應(yīng)的轉(zhuǎn)化后風帆轉(zhuǎn)角速度曲線，從圖中可以看出,在常規(guī)PID控制下，由于風力負載隨轉(zhuǎn)角變化而變化，造成位移跟蹤曲線有一定的滯后偏差，同時在活塞速度上也有一定波動，特別是在啟停過程中出現(xiàn)速度突變，對大載荷風帆系統(tǒng)來說容易造成運動部件磨損，減少使用壽命。所以要在控制策略上加以優(yōu)化，以便適應(yīng)風帆系統(tǒng)的操作。

圖2 動態(tài)風力負載跟蹤曲線及對應(yīng)風帆轉(zhuǎn)速曲線

3 風帆轉(zhuǎn)角速度與位移協(xié)調(diào)控制策略

根據(jù)所采用的閥控差動缸系統(tǒng)，考慮風帆轉(zhuǎn)角位置和轉(zhuǎn)動速度綜合協(xié)調(diào)控制，設(shè)計了油缸速度前饋和風帆轉(zhuǎn)角位置神經(jīng)元綜合優(yōu)化協(xié)調(diào)控制方案，其原理圖如圖3所示。控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)角位置給定為xd，速度給定為vd，經(jīng)過速度轉(zhuǎn)角位移規(guī)劃模塊設(shè)計后輸出為規(guī)劃后的位移設(shè)計值yr及速度設(shè)計值vr, 此設(shè)計值也就是規(guī)劃的轉(zhuǎn)角位移曲線及速度曲線。在控制過程中，開始階段利用速度控制器來控制液壓系統(tǒng)，通過采集負載兩端壓力pA及pB和系統(tǒng)壓力pS, 聯(lián)合速度設(shè)計值構(gòu)建速度前饋補償模型，經(jīng)過速度控制器輸出控制信號疊加到伺服閥上來動態(tài)的控制速度，使系統(tǒng)按照規(guī)劃速度曲線來驅(qū)動差動液壓缸快速而穩(wěn)定運行到設(shè)定速度，在接近給定位置附近，再逐步降低運行速度，使其在動態(tài)運行過程中能較好跟隨期望速度曲線。當接近目標值時，為了提高轉(zhuǎn)角位置控制精度，同時減小系統(tǒng)超調(diào)，采用位置閉環(huán)來控制，利用神經(jīng)元PID自適應(yīng)調(diào)整誤差的算法控制，使轉(zhuǎn)角位移能平穩(wěn)達到所需角度，來達到綜合協(xié)調(diào)控制風帆閥控液壓差動缸系統(tǒng)轉(zhuǎn)角位置的目的。

圖3 轉(zhuǎn)角速度與位移協(xié)調(diào)控制原理圖

3.1 風帆轉(zhuǎn)角速度前饋模型

對于風帆液壓控制系統(tǒng)，根據(jù)所設(shè)計風帆液壓控制原理圖，油缸無桿腔流入流量，油缸進油活塞桿做伸出運動，電磁閥打開，有桿腔回油經(jīng)過單向閥流入供油回路，無桿腔的流入流量基本上就是系統(tǒng)油泵輸出流量，則有無桿腔流量與油缸活塞桿移動速度函數(shù)關(guān)系為：

QA=Q1=v·A1

(1)

式中,Q1—— 液壓缸無桿腔流量，m3/s

QA—— 伺服閥A口流量，m3/s

A1—— 液壓缸無桿腔面積，m2

v—— 液壓缸活塞桿速度，m/s

伺服閥輸入100%的控制信號時，油缸兩邊壓差Δp對應(yīng)流量QL與伺服閥額定流量QN,單邊額定壓差ΔpN關(guān)系為：

(2)

一般伺服閥控制信號為電壓正負1 V即: -1≤UV≤1,不考慮零位泄漏，正值輸入控制信號時，活塞桿正向運動，則根據(jù)式(2)可得到伺服閥A口流入流量公式為：

(3)

聯(lián)立式(1)與式(3)可得速度前饋計算公式:

(4)

同樣思路，可以得到油缸活塞桿縮回反向運動前饋計算公式：

(5)

式中，A2為液壓缸有桿腔面積，m2。

按照規(guī)劃速度曲線，用規(guī)劃設(shè)計值vr帶入式(4)及式(5)得到速度前饋計算模型關(guān)系式：

(6)

(7)

從式(7)可以看出，速度前饋模型中控制電壓與伺服閥流口壓差及規(guī)劃設(shè)計速度等有關(guān)，伺服閥流口壓差體現(xiàn)了負載的情況，負載變化時，伺服閥流口壓差相應(yīng)變化，控制電壓也就隨之變化，規(guī)劃設(shè)計速度不同，前饋控制信號也不同，模型能夠根據(jù)變化情況自動加以適應(yīng)，這對于受到不同負載力的風帆系統(tǒng)來說，增加的速度前饋控制有重要實際意義。

3.2 風帆轉(zhuǎn)角單神經(jīng)元PID控制器

在風帆轉(zhuǎn)角位置控制過程中，由于所受負載是動態(tài)非線性變化的，常規(guī)PID控制無法保證控制過程中動態(tài)的穩(wěn)定性，為了減小在實際動態(tài)轉(zhuǎn)動過程中轉(zhuǎn)角位置誤差，選取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID自身具備的自適應(yīng)及實時誤差控制功能，設(shè)計了單神經(jīng)元PID控制器，如圖4所示。

圖4 風帆驅(qū)動系統(tǒng)單神經(jīng)元PID控制器

3.3 風帆轉(zhuǎn)角速度位移規(guī)劃曲線

對于大載荷風帆系統(tǒng)來說，設(shè)計合適的速度控制方案可以減小系統(tǒng)在加減速及啟停運動過程中造成的液壓沖擊，減少運動部件磨損，延長機構(gòu)部件使用壽命，在前面所設(shè)計的轉(zhuǎn)角位置速度協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案中，轉(zhuǎn)角速度控制在實際動態(tài)運行中主要作用，在將要達到所要求轉(zhuǎn)角位移時，由神經(jīng)元轉(zhuǎn)角位置控制器組成的位置閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮主要作用，通過合理速度位移規(guī)劃曲線來達到自動切換控制方案的目的。

風帆規(guī)劃速度方案采用梯形規(guī)劃方法，在開始加速階段采用等加速度方法逐步增加到設(shè)計最大速度，然后根據(jù)要求勻速運行，再到后期做等減速度減速運行直到達到轉(zhuǎn)角位移，速度降到0，其規(guī)劃曲線如圖5所示。

圖5 風帆轉(zhuǎn)角速度與位移規(guī)劃曲線

風帆液壓驅(qū)動梯形轉(zhuǎn)角速度方案的設(shè)計，是以風帆轉(zhuǎn)動平均轉(zhuǎn)速限定值以及所需轉(zhuǎn)動風帆角度來規(guī)劃的。風帆轉(zhuǎn)動角度θ時間t和平均轉(zhuǎn)角速度ω0有如下關(guān)系：

θ=ω0·t

(8)

根據(jù)圖5所示風帆轉(zhuǎn)角速度規(guī)劃曲線，可以得到速度方案為如下表達式：

(9)

其中,k1為加速段曲線斜率，k2為減速段曲線斜率，t1為加速時間，t2為勻速運行(t2-t1)時間段后開始減速的時間，t3為減速結(jié)束時間，減速時間為(t3-t2),ωm為勻速運行速度。

式(9)反映了圖5風帆轉(zhuǎn)角速度規(guī)劃設(shè)計曲線的3段運行階段：從0開始的轉(zhuǎn)角加速運行階段，穩(wěn)定后勻速運行階段和轉(zhuǎn)角減速階段，在整個運行過程中按照設(shè)計轉(zhuǎn)角速度曲線實時修正速度前饋補償量，使運行風帆轉(zhuǎn)角平穩(wěn)轉(zhuǎn)動到所需角度，抑制了運行過程中的速度沖擊等現(xiàn)象。同時，為防止出現(xiàn)在接近目標角度時波動及超調(diào)情況，此時速度前饋量降低到0，轉(zhuǎn)角位移閉環(huán)控制起作用，通過調(diào)整使風帆轉(zhuǎn)角達到所需角度位置。

風帆轉(zhuǎn)角位移規(guī)劃設(shè)計曲線是按照轉(zhuǎn)角速度曲線積分來產(chǎn)生的，采用這樣的S形轉(zhuǎn)角位移曲線，可以避免因直接輸入階躍給定轉(zhuǎn)角位移而出現(xiàn)的動態(tài)跟蹤誤差較大、轉(zhuǎn)角位置控制器輸出控制量較大、無法協(xié)調(diào)控制速度的變化情況。按照轉(zhuǎn)角速度位移規(guī)劃曲線方案控制，能夠使得系統(tǒng)在整個運行過程中產(chǎn)生較小的位置偏差，在控制轉(zhuǎn)角速度、減小速度沖擊條件下，起到平穩(wěn)控制到所需轉(zhuǎn)角的位置的作用。

根據(jù)大型風帆轉(zhuǎn)動角速度要求，取轉(zhuǎn)角平均速度為3°/s，則有轉(zhuǎn)動θ角度所需時間為：

t=θ/3

(10)

考慮到風帆轉(zhuǎn)動控制要求特點，加減速時間不能太小，故各取時間為t/5，根據(jù)公式計算可以求得運行勻速段角速度為3.75°/s，同時可以求得加減速斜率為56.25/θ及-56.25/θ，代入式(9)可以得到梯形速度與角度函數(shù)關(guān)系式為:

(11)

根據(jù)式(11)可以得到按所需轉(zhuǎn)角要求規(guī)劃的梯形速度曲線及相應(yīng)轉(zhuǎn)角曲線，圖6分別為風帆轉(zhuǎn)角設(shè)定為40°和90°時相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角速度綜合協(xié)調(diào)控制規(guī)劃曲線。當然根據(jù)系統(tǒng)要求不同，可以設(shè)定不同的平均最大轉(zhuǎn)角速度及加減速斜率來規(guī)劃轉(zhuǎn)角速度曲線。

4 轉(zhuǎn)角速度與位移復合控制研究

4.1 仿真研究

針對前面提出的風帆轉(zhuǎn)角速度及轉(zhuǎn)角位移復合控制方案，采用AMESim及Simulink聯(lián)合建模仿真研究。對風帆驅(qū)動系統(tǒng)施加50 kN負載，轉(zhuǎn)角要求設(shè)定達到40°，風帆轉(zhuǎn)角速度取平均速度為3°/s，根據(jù)式(11)進行速度規(guī)劃設(shè)計，在5 s時系統(tǒng)從0開始運行，直到達到40°轉(zhuǎn)角；仿真后風帆轉(zhuǎn)角跟蹤曲線、轉(zhuǎn)角速度跟蹤曲線及相對應(yīng)規(guī)劃曲線如圖7所示。從圖中的曲線上看，在恒定負載條件下，采用風帆轉(zhuǎn)角速度及位移復合控制方案，在轉(zhuǎn)角速度規(guī)劃條件下可以穩(wěn)定的達到轉(zhuǎn)角的控制要求，避免了常規(guī)控制條件下速度的沖擊。

圖6 不同風帆轉(zhuǎn)角與位移規(guī)劃曲線

圖7 風帆轉(zhuǎn)角速度與位移復合控制仿真

圖8 不同風帆轉(zhuǎn)速條件下復合控制仿真

圖8為風帆轉(zhuǎn)角速度為2°/s時速度及轉(zhuǎn)角單神經(jīng)元復合控制方案的仿真曲線，從圖中可以看出，第5 s 開始，風帆轉(zhuǎn)角速度經(jīng)過4 s加速后達到最大穩(wěn)定速度2.5°/s，勻速運行12 s后開始減速，4 s后減速為0，風帆轉(zhuǎn)角經(jīng)過大約20 s后達到規(guī)劃所要求的40°轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)角速度均能較好跟蹤，吻合程度較高。結(jié)合風帆轉(zhuǎn)角速度為3°/s曲線7可以說明，不同轉(zhuǎn)角速度下，在恒定負載條件下均能較好的對風帆轉(zhuǎn)角進行控制。

在風帆實際運行時，由于風速風向不同，作用在風帆上的風力不斷變化，即使在風速、風向保持不變的條件下，風力在驅(qū)動油缸上產(chǎn)生的外負載力也隨著風帆轉(zhuǎn)角的不同而變化，為此需要對不同負載力情況進行仿真研究，以考察在不同負載力情況下，風帆轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)角速度的動態(tài)響應(yīng)情況及跟蹤變化情況。圖9為負載力分別為-50， 0， 50，100, 200 kN時的速度及轉(zhuǎn)角跟隨情況。從圖中可以看出，不同負載力對轉(zhuǎn)角速度跟隨有一定的不同，但是與規(guī)劃速度偏差不大，能夠在速度前饋控制下保持較好的跟蹤效果，轉(zhuǎn)角跟蹤位移幾乎沒有變化，由此可知在復合控制下，能夠按規(guī)劃的轉(zhuǎn)角穩(wěn)定運行，在前進及后退兩方面都實現(xiàn)無速度沖擊控制，從而證明了該復合控制方案策略的有效性。

圖9 不同負載力條件下復合控制仿真

4.2 試驗驗證

為了檢驗控制策略的實際效果，結(jié)合風帆液壓驅(qū)動控制原理控制圖，設(shè)計搭建了模擬試驗臺，風帆液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)半物理仿真液壓實物圖如圖10所示，并進行了實驗驗證研究。

對于前面所提的風帆轉(zhuǎn)角/速度控制策略，采用梯形速度規(guī)劃運行，以平均風帆轉(zhuǎn)角速度為3°/s進行規(guī)劃轉(zhuǎn)角從0°運行到40°再返回到0°的運行試驗。圖11顯示了試驗轉(zhuǎn)角、試驗轉(zhuǎn)角速度以及相應(yīng)的規(guī)劃轉(zhuǎn)角與規(guī)劃轉(zhuǎn)角速度曲線。從圖中可以看出，按照規(guī)劃的風帆轉(zhuǎn)角速度曲線運行，風帆系統(tǒng)的轉(zhuǎn)角位移基本上與規(guī)劃給定的曲線保持一致，速度也相對平穩(wěn)，只是在達到最大速度時略有超過，但是很快就恢復到最大穩(wěn)定速度。油缸伸出和回縮速度有局部的不對稱，是由系統(tǒng)差動缸本身的原因造成的，但風帆驅(qū)動系統(tǒng)在設(shè)計時考慮了此原因，已經(jīng)得到改善，伸出和回縮都達到了很好的控制效果，消除了風帆控制過程中的速度沖擊。

圖10 風帆液壓驅(qū)動控制半物理仿真試驗臺

圖11 轉(zhuǎn)角/速度單神經(jīng)元控制試驗曲線

5 結(jié)論

(1) 通過AMESim及Simulink聯(lián)合仿真試驗研究表明，采用所提速度及轉(zhuǎn)角單神經(jīng)元復合控制策略，在不同轉(zhuǎn)動速度及不同負載力情況下，風帆都可以獲得比較理想的控制效果；

(2) 在實現(xiàn)對風帆轉(zhuǎn)角位置和速度復合控制的同時，減小系統(tǒng)在加減速及啟停運動過程中造成的液壓沖擊，抑制油源壓力波動，從而避免對系統(tǒng)其他運動部件的影響，減少機構(gòu)部件磨損，延長使用壽命；

(3) 風帆轉(zhuǎn)角速度按照梯形規(guī)劃設(shè)計進行控制，可以實現(xiàn)在整個運行過程中實時修正速度前饋補償量，使風帆轉(zhuǎn)角平穩(wěn)轉(zhuǎn)動到所需角度，抑制了運行過程中的速度沖擊等現(xiàn)象。