電液力伺服系統(tǒng)控制策略的半實(shí)物仿真

韓桂華　崔燕　于鳳麗

摘要：通過在半實(shí)物仿真環(huán)境中進(jìn)行模型辨識(shí)試驗(yàn)，獲得電液力伺服系統(tǒng)的辨識(shí)模型.為了改善電液力伺服系統(tǒng)的控制性能，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合模糊PID控制器，這種控制器結(jié)合了經(jīng)典PID控制器和帶有自調(diào)整修正因子的模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)，并加入了前饋校正，為了避免由于兩種控制方式相互切換時(shí)造成的不良擾動(dòng)，采用了模糊切換的方法.通過在電液伺服試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)所設(shè)計(jì)的復(fù)合模糊PID控制器進(jìn)行半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比PID控制器和傳統(tǒng)模糊控制器的實(shí)驗(yàn)控制曲線，驗(yàn)證了復(fù)合模糊PID控制器的可行性和控制性能，同時(shí)在負(fù)載剛度和質(zhì)量變化時(shí)進(jìn)行了半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合模糊PID控制器不僅改善了穩(wěn)定性和速度，并具有良好的實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：力伺服系統(tǒng)；模型辨識(shí)；復(fù)合模糊PID控制器；半物理仿真；自調(diào)整修正因子

DoI：10.15938/j.jhust.2016.06.014

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2016）06-0073-06

0.引言

電液力伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用雖然不及電液位移控制系統(tǒng)廣泛，但是它在許多特定領(lǐng)域都起著難以替代和不可忽視的重要作用，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對(duì)力控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)精度等性能指標(biāo)的要求越來越高，Liu等針對(duì)力控制系統(tǒng)提出了Lyapunov參數(shù)自適應(yīng)控制算法.實(shí)驗(yàn)表明，這種方法對(duì)信號(hào)具有良好的跟蹤性能，并且對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)有顯著的提高.蔡永強(qiáng)等采用優(yōu)化了的魯棒預(yù)測(cè)控制算法對(duì)電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，建模仿真表明該控制算法能夠消弱系統(tǒng)由于時(shí)變和外界環(huán)境的干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，從而提高了控制系統(tǒng)的性能.劉懷印等采用了模糊控制方法對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的電液力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了控制，仿真結(jié)果表明該控制算法能夠有效的保證該電液力伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，提高系統(tǒng)的性能.徐一鳴等將三維非線性PD控制器與小腦模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)合的控制方法用于變?nèi)嵝载?fù)載的電液力控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)在負(fù)載剛度大范圍變化時(shí)保持穩(wěn)定，減小了系統(tǒng)的跟蹤相位差。

模糊控制能夠?qū)⒉僮魅藛T的控制經(jīng)驗(yàn)加入到控制算法中，從而使控制系統(tǒng)能夠模仿和借鑒操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行控制.它特別適合用在采用傳統(tǒng)控制技術(shù)分析時(shí)過程非常復(fù)雜的情況下或者可用的信息來源不準(zhǔn)確或不確定的情況下。

由于電液力伺服系統(tǒng)具有非線性和不確定的動(dòng)態(tài)性，因此不可能從理論上建立其精確的數(shù)學(xué)模型，也很難用線性控制方法進(jìn)行高精度的力伺服控制.雖然一些模糊控制策略已經(jīng)應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)并取得了很大的進(jìn)步，但是其瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)控制性能是有限的，本文利用xPC實(shí)時(shí)系統(tǒng)的半物理仿真環(huán)境和MATLAB系統(tǒng)辨識(shí)工具箱，對(duì)電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行了模型辨識(shí)實(shí)驗(yàn)，然后，以辨識(shí)獲得的模型為對(duì)象設(shè)計(jì)控制器，提出了一種結(jié)合了模糊邏輯和傳統(tǒng)線性控制理論優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合模糊PID控制器。

1.電液力伺服系統(tǒng)的模型辨識(shí)

實(shí)驗(yàn)室的電液力伺服控制系統(tǒng)如圖1所示，電流信號(hào)i經(jīng)放大器傳遞給電液伺服閥，當(dāng)給定力值的電壓信號(hào)U_r不等于力傳感器反饋回來的電壓信號(hào)U_f時(shí)，液壓缸產(chǎn)生力F_g控制的目的就是使液壓缸產(chǎn)生的力的信號(hào)盡可能達(dá)到所給定的力值信號(hào)u_r=u_f由于力傳感器的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載的剛度，所以這是一個(gè)單自由度的力控制系統(tǒng)。

xPC實(shí)時(shí)系統(tǒng)的半物理仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖3所示.電液力伺服系統(tǒng)作為硬件放置在模擬仿真回路，系統(tǒng)控制由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，PC機(jī)作為宿主機(jī)用于運(yùn)行仿真、設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)應(yīng)用程序，研華工控機(jī)作為目標(biāo)機(jī)用于運(yùn)行所生成的控制程序代碼，并通過以太網(wǎng)LAN連接來實(shí)現(xiàn)與宿主機(jī)的通信。

本系統(tǒng)選用研華PCL818HD多用途卡完成數(shù)據(jù)采集（A/D）和數(shù)據(jù)輸出（D/A），其中板卡的輸入通道數(shù)6為力信號(hào)，基地址為300h，采樣時(shí)間為0.001s，力傳感器的取值范圍為-5V～+5V，其對(duì)應(yīng)的實(shí)際值是-5000N～+5000N。

考慮到系統(tǒng)的時(shí)變性和干擾性，進(jìn)行了多組試驗(yàn)，為了達(dá)到xPC實(shí)時(shí)目標(biāo)，在實(shí)時(shí)運(yùn)行目標(biāo)應(yīng)用程序時(shí)，可以通過改變輸入正弦信號(hào)的振幅和頻率以及改變輸入階躍信號(hào)的時(shí)間和步長(zhǎng)值來調(diào)整實(shí)驗(yàn)參數(shù)，這樣輸出信號(hào)就會(huì)立即發(fā)生相應(yīng)的變化，多組輸入輸出數(shù)據(jù)就可以通過xPC實(shí)時(shí)系統(tǒng)在線獲得。

2.復(fù)合模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

電液力伺服系統(tǒng)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，有一些不確定的參數(shù)，比如油液體積彈性模量和伺服閥的流量增益等；第二，負(fù)載質(zhì)量和剛度會(huì)隨著工作環(huán)境和條件的變化而改變.特別是當(dāng)負(fù)載剛度變化很大的時(shí)候，不僅嚴(yán)重影響系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，還影響到控制性能。

因此迫切需要設(shè)計(jì)一種對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)的控制方法.這種控制器如圖5所示。由圖可知，這種復(fù)合型控制器由一個(gè)經(jīng)典的PID控制器和一個(gè)帶有自調(diào)整修正因子的模糊控制器組成.這個(gè)控制器在力值遠(yuǎn)離目標(biāo)值時(shí)用模糊控制器來控制系統(tǒng)，而當(dāng)力值在目標(biāo)力值附近時(shí)用PID控制器來控制系統(tǒng).使用經(jīng)典PID控制方法是為了消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，而使用模糊切換方法是為了避免由于兩種控制方法之間切換時(shí)所造成的不良擾動(dòng)，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，添加了前饋校正。

模糊控制理論包括模糊化、基于專家經(jīng)驗(yàn)的模糊規(guī)則庫(kù)、模糊推理和清晰化，模糊控制規(guī)則的自調(diào)整是提高控制器性能的關(guān)鍵因素，本次研究使用了帶有修正因子的模糊數(shù)模型來在線自動(dòng)調(diào)整模糊控制的規(guī)則，模糊輸入變量（誤差E和誤差變化率EC）采用三角形隸屬度函數(shù)，如圖6所示，其中

由于修正因子α能直接反映誤差（E）和誤差變化（EC）的加權(quán)程度，在控制過程中忠實(shí)地反應(yīng)了操作者的思維特點(diǎn)，因此，在線調(diào)整控制規(guī)則的主要任務(wù)就轉(zhuǎn)化為調(diào)整修正因子α的值，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和控制工程知識(shí)，自調(diào)整修正因子的模糊數(shù)模型如表1所示，為了最終消除量化誤差和調(diào)節(jié)死區(qū)，在自調(diào)整修正因子的模糊數(shù)模型中應(yīng)用插值法來改進(jìn)控制規(guī)則。

3.計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證復(fù)合模糊PID控制器的有效性，對(duì)電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬仿真.采樣頻率選擇為1000Hz，計(jì)算過程采用ode4算法，電液力伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如式（7）所示。

根據(jù)前面提出的復(fù)合控制器，用Matlab工具箱對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模，輸入相同的階躍信號(hào)，并對(duì)不同控制器的輸出圖形進(jìn)行比較.由于反饋為單位反饋，因此期望的輸出值就是輸入值。如圖8所示，可見與傳統(tǒng)的模糊控制系統(tǒng)和PID控制系統(tǒng)相比，復(fù)合模糊PID控制器具有良好的單位階躍響應(yīng)，超調(diào)量更小，上升時(shí)間更快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間更小。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出的模糊控制器在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，在半物理仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)（圖3）上進(jìn)行了實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)，由電腦產(chǎn)生的輸入信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡（PCL-818HD）發(fā)送給伺服放大器，放大后的信號(hào)被傳遞到伺服閥從而控制液壓缸產(chǎn)生力來克服負(fù)載的彈簧力和慣性力，再通過力傳感器將活塞上的力值反饋回來，最后將這個(gè)反饋回來的信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.實(shí)驗(yàn)的基本要素是控制程序，它包括產(chǎn)生輸入信號(hào)的控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡的管理、控制算法的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

為了評(píng)估所提出的控制器對(duì)力的控制性能，將期望的跟蹤輸入分別設(shè)置為階躍信號(hào)和正弦信號(hào)，該系統(tǒng)階躍響應(yīng)（0.1V）的跟蹤輸出如圖9所示，其中系統(tǒng)的質(zhì)量是124.96kg（包括7個(gè)質(zhì)量塊、活塞和平臺(tái)），負(fù)載剛度為3371.67N/mm，由圖可見，與PID控制策略和傳統(tǒng)的模糊控制策略相比，復(fù)合模糊PID控制器在抑制超調(diào)和提高實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定時(shí)間方面顯示出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

由于線性或非線性系統(tǒng)辨識(shí)模型的微分方程不能充分反映實(shí)際系統(tǒng)，因此在實(shí)驗(yàn)時(shí)要對(duì)控制器的某些參數(shù)稍作修改，這樣實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)的響應(yīng)時(shí)間會(huì)與仿真結(jié)果稍有不同，不同的原因包括實(shí)際系統(tǒng)的線性化，參數(shù)值的選擇以及計(jì)算的誤差等，但是實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體與仿真結(jié)果相符合。

負(fù)載剛度變化時(shí)，復(fù)合模糊PID控制器的性能如圖10所示，其中K₁=708.73N/mm，墨=3071N/mm和K₃=3371.67N/mm.可見，負(fù)載剛度嚴(yán)重影響著系統(tǒng)的響應(yīng)速度和峰峰值的跟蹤速度。

系統(tǒng)的質(zhì)量主要影響力伺服系統(tǒng)的速度，如圖11所示，可見在質(zhì)量變化時(shí)，使用混合模糊PID控制器時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度基本上是有保證的.其中m₁=124.96kg（包括七個(gè)質(zhì)量塊、活塞和平臺(tái)），m₂=67.84kg（包括3個(gè)質(zhì)量塊、活塞和平臺(tái)），和m₃=25kg（包括活塞和平臺(tái)）。

5.結(jié)論

通過計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)研究，我們可以得出以下結(jié)論：第一，本文通過輸入和輸出數(shù)據(jù)對(duì)電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行了模型辨識(shí)，并通過在xPC實(shí)時(shí)半物理仿真系統(tǒng)中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所辨識(shí)模型的可信度，辨識(shí)的結(jié)果可作為控制算法的研究、參數(shù)的調(diào)整和電液伺服系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)，第二，復(fù)合模糊PID控制器已成功應(yīng)用于電液力伺服試驗(yàn)臺(tái)，計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，復(fù)合模糊PID控制器在力伺服系統(tǒng)中的跟蹤性能要比線性PID控制器和常規(guī)模糊控制器要好，第三，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載剛度和質(zhì)量參數(shù)變化時(shí)，復(fù)合模糊PID控制器可以保證系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和魯棒性，通過合理地匹配負(fù)載剛度和負(fù)載質(zhì)量可以提高系統(tǒng)的控制性能。