基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的自動裝配平臺電液位置伺服系統(tǒng)

趙志鑫，蘇東海

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引言

風(fēng)電機(jī)組傳動鏈自動裝配平臺是一種安裝在整機(jī)分廠總裝車間用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動鏈的軸孔自動裝配生產(chǎn)設(shè)備?，F(xiàn)代工藝中的風(fēng)機(jī)傳動鏈的自動裝配過程普遍采用人工裝配或半自動半人工的操作模式[1]，這種操作模式需要多人協(xié)同工作，不僅操作效率低，而且在任務(wù)中存在主軸軸端擦傷鎖緊盤而影響風(fēng)機(jī)傳動組使用壽命的可能[2]。因此隨著風(fēng)電機(jī)組的功率增大，主軸部件和齒輪箱裝配精度和工作質(zhì)量也隨之有了更高的要求。

1 電液位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

本文采用閥控式電液位置伺服系統(tǒng)，確定自動裝配設(shè)備的建模方案如圖1所示。

圖1 自動裝配設(shè)備的建模方案

對于光電放大器、伺服放大器和位移傳感器的傳遞函數(shù)Gf(s)均可看做比例環(huán)節(jié)，伺服閥的傳遞函數(shù)取決于動力元件的液壓固有頻率。伺服閥的傳遞函數(shù)可表示為

式中：Ksv為伺服閥流量增益；ξsv為伺服閥阻尼比；Q0為伺服閥空載流量；ωsv為伺服閥固有頻率。

液壓缸是非線性系統(tǒng)，液壓缸所受的負(fù)載主要是慣性負(fù)載，其傳遞函數(shù)可以表示為

式中：Ap為有效面積；βe為彈性體積模數(shù)；ξk為阻尼比；ωk為固有頻率。

干擾輸入的外負(fù)載力傳遞函數(shù)可表示為

在Matlab Simulink中建立伺服系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)模型[3]。

2 自動裝配設(shè)備的PID優(yōu)化

對于參數(shù)的調(diào)試，本文采用臨界比例度法則的第二種方法。首先得到閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程，將s=jω代入后，同時使各項的系數(shù)用an代替，可以得到下式：

根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)可以得到振蕩周期，并根據(jù)臨界比例度法的整定經(jīng)驗公式可以計算出Kp、Ki和Kd參數(shù)。仿真后得到PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

從仿真結(jié)果可知，經(jīng)PID優(yōu)化后的系統(tǒng)上升工作時間減少，但存在過阻尼的情況，依然可以進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化。

3 自動裝配設(shè)備的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

PID控制器不能匹配時變系統(tǒng)，無法完整貼合伺服系統(tǒng)的非線性函數(shù)[4]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠避免上述缺點，并自適應(yīng)實時進(jìn)行整定。

3.1 單神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID

傳統(tǒng)PID的表達(dá)式改寫為單神經(jīng)元的形式后，可寫為

Δe(k)和e(k)是控制器整定算法中的重要參數(shù)，應(yīng)用有監(jiān)督的Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則并對其進(jìn)行權(quán)值系數(shù)修正：

在Matlab Simulink上搭建單神經(jīng)元PID控制系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制仿真模型如圖3所示，單神經(jīng)元PID控制器模塊如圖4所示。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制仿真模型

圖4 單神經(jīng)元PID控制器模塊

3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制

多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在隱藏層權(quán)值的獲取上不能直接得到，因此其搭建基本框架由誤差的逆向傳遞和信號的正向傳導(dǎo)組成，其控制表達(dá)式可優(yōu)化為

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)策略的PID控制算法的神經(jīng)層結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器模塊

將兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)策略整定出的階躍曲線與傳統(tǒng)PID進(jìn)行對比，如圖6所示。

圖6 3種策略控制下的階躍曲線

從仿真曲線可以得到，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法在響應(yīng)速度上均優(yōu)于傳統(tǒng)PID并且二者均無超調(diào)量，均在1.5 s左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制對系統(tǒng)優(yōu)化效果顯著。

4 結(jié)語

本文研究了一種用于風(fēng)機(jī)傳動鏈的自動裝配設(shè)備的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制的位置伺服控制方法。利用PID控制對其進(jìn)行了預(yù)調(diào)后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在上升的時候存在過阻尼的情況，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩種結(jié)構(gòu)策略分別對控制系統(tǒng)利用Matlab Simulink進(jìn)行仿真分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能良好，能夠滿足系統(tǒng)需求。