電液力伺服系統(tǒng)控制策略的半實物仿真

韓桂華　崔燕　于鳳麗

摘要：通過在半實物仿真環(huán)境中進(jìn)行模型辨識試驗，獲得電液力伺服系統(tǒng)的辨識模型.為了改善電液力伺服系統(tǒng)的控制性能，設(shè)計了一種復(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，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造成的不良擾動，采用了模糊切換的方法.通過在電液伺服試驗臺上對所設(shè)計的復(fù)合模糊PID控制器進(jìn)行半實物仿真實驗，并對比PID控制器和傳統(tǒng)模糊控制器的實驗控制曲線，驗證了復(fù)合模糊PID控制器的可行性和控制性能，同時在負(fù)載剛度和質(zhì)量變化時進(jìn)行了半實物仿真實驗，實驗結(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，并具有良好的實時性。

關(guān)鍵詞：力伺服系統(tǒng)；模型辨識；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：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：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)對力控制系統(tǒng)的動靜態(tài)精度等性能指標(biāo)的要求越來越高，Liu等針對力控制系統(tǒng)提出了Lyapunov參數(shù)自適應(yīng)控制算法.實驗表明，這種方法對信號具有良好的跟蹤性能，并且對系統(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)測控制算法對電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，建模仿真表明該控制算法能夠消弱系統(tǒng)由于時變和外界環(huán)境的干擾對系統(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實時系統(tǒng)的半物理仿真環(huán)境和MATLAB系統(tǒng)辨識工具箱，對電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行了模型辨識實驗，然后，以辨識獲得的模型為對象設(shè)計控制器，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)點的復(fù)合模糊PID控制器。

1.電液力伺服系統(tǒng)的模型辨識

實驗室的電液力伺服控制系統(tǒng)如圖1所示，電流信號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U_r不等于力傳感器反饋回來的電壓信號U_f時，液壓缸產(chǎn)生力F_g控制的目的就是使液壓缸產(chǎn)生的力的信號盡可能達(dá)到所給定的力值信號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，所以這是一個單自由度的力控制系統(tǒng)。

xPC實時系統(tǒng)的半物理仿真實驗臺如圖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)控制由計算機(jī)實現(xiàn)，PC機(jī)作為宿主機(jī)用于運行仿真、設(shè)計和發(fā)現(xiàn)目標(biāo)應(yīng)用程序，研華工控機(jī)作為目標(biāo)機(jī)用于運行所生成的控制程序代碼，并通過以太網(wǎng)LAN連接來實現(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，基地址為300h，采樣時間為0.001s，力傳感器的取值范圍為-5V～+5V，其對應(yīng)的實際值是-5000N～+5000N。

考慮到系統(tǒng)的時變性和干擾性，進(jìn)行了多組試驗，為了達(dá)到xPC實時目標(biāo)，在實時運行目標(biāo)應(yīng)用程序時，可以通過改變輸入正弦信號的振幅和頻率以及改變輸入階躍信號的時間和步長值來調(diào)整實驗參數(shù)，這樣輸出信號就會立即發(fā)生相應(yīng)的變化，多組輸入輸出數(shù)據(jù)就可以通過xPC實時系統(tǒng)在線獲得。

2.復(fù)合模糊PID控制器的設(shè)計

電液力伺服系統(tǒng)有如下幾個特點：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候，不僅嚴(yán)重影響系統(tǒng)本身的動態(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)計一種對系統(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)合型控制器由一個經(jīng)典的PID控制器和一個帶有自調(diào)整修正因子的模糊控制器組成.這個控制器在力值遠(yuǎn)離目標(biāo)值時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所造成的不良擾動，為了提高系統(tǒng)的動態(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)驗的模糊規(guī)則庫、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，在控制過程中忠實地反應(yīng)了操作者的思維特點，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)驗和控制工程知識，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.計算機(jī)仿真結(jié)果

為了驗證復(fù)合模糊PID控制器的有效性，對電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行了計算機(jī)模擬仿真.采樣頻率選擇為1000Hz，計算過程采用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工具箱對該系統(tǒng)進(jìn)行建模，輸入相同的階躍信號，并對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，上升時間更快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時間更小。

4.實驗結(jié)果

為了驗證所提出的模糊控制器在實際應(yīng)用中的有效性，在半物理仿真實驗臺（圖3）上進(jìn)行了實時控制實驗，由電腦產(chǎn)生的輸入信號經(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，最后將這個反饋回來的信號發(fā)送給計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.實驗的基本要素是控制程序，它包括產(chǎn)生輸入信號的控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡的管理、控制算法的實現(xiàn)和數(shù)據(jù)存儲等。

為了評估所提出的控制器對力的控制性能，將期望的跟蹤輸入分別設(shè)置為階躍信號和正弦信號，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個質(zhì)量塊、活塞和平臺），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)和提高實際試驗臺的穩(wěn)定時間方面顯示出了明顯的優(yōu)勢。

由于線性或非線性系統(tǒng)辨識模型的微分方程不能充分反映實際系統(tǒng)，因此在實驗時要對控制器的某些參數(shù)稍作修改，這樣實際試驗臺的響應(yīng)時間會與仿真結(jié)果稍有不同，不同的原因包括實際系統(tǒng)的線性化，參數(shù)值的選擇以及計算的誤差等，但是實際實驗結(jié)果大體與仿真結(jié)果相符合。

負(fù)載剛度變化時，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，使用混合模糊PID控制器時系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度基本上是有保證的.其中m₁=124.96kg（包括七個質(zhì)量塊、活塞和平臺），m₂=67.84kg（包括3個質(zhì)量塊、活塞和平臺），和m₃=25kg（包括活塞和平臺）。

5.結(jié)論

通過計算機(jī)模擬和實驗研究，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)對電液力伺服系統(tǒng)進(jìn)行了模型辨識，并通過在xPC實時半物理仿真系統(tǒng)中進(jìn)行仿真實驗，驗證了所辨識模型的可信度，辨識的結(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臺，計算機(jī)仿真和實驗研究結(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，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。