電液伺服試驗機系統(tǒng)非周期信號控制策略研究

【摘 要】電液伺服動態(tài)試驗是一類復雜非線性控制系統(tǒng)，同時材料實驗過程中的周圍環(huán)境，對材料試驗的結(jié)果造成很大的影響。在材料試驗機的檢測領(lǐng)域，一項重要的工作就是車輛道路譜的非周期信號進行響應和跟隨，經(jīng)過實驗研究表明，普通的PID控制，不能有效的滿足實驗要求，本文首先對電液伺服試驗機進行數(shù)學模型的建立，并對數(shù)學模型進行簡化分析，應用自適應反向控制方法，實現(xiàn)了電液伺服動態(tài)實驗機的非周期信號的實時控制，實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時性、可控性及魯棒性。

【關(guān)鍵詞】電液伺服；非周期信號；自適應反向控制

1.引言

電液伺服動態(tài)試驗機作為材料試驗機領(lǐng)域的一個重要分支，越來越多的得到國內(nèi)外試驗機制造企業(yè)的重視。電液伺服動態(tài)試驗機是一類復雜非線性控制試驗平臺，通過使用直流伺服閥調(diào)節(jié)油量，對動態(tài)試驗機執(zhí)行機構(gòu)液壓缸進行控制。電液伺服動態(tài)材料試驗機的機械結(jié)構(gòu)中必然存在有延時、參數(shù)變化、不確定干擾等因素，同時試驗機檢測平臺的執(zhí)行機構(gòu)液壓缸很容易受到，被檢測試驗剛度、油源溫度和壓力等因素影響。動態(tài)材料試驗機的主要功能是檢測材料做周期信號和非周期信號控制時材料的各項性能指標。在獲取系統(tǒng)的數(shù)學模型前提下，應用自適應逆控制理論，實現(xiàn)動態(tài)試驗過程中，非周期信號的有效跟隨控制。

2.試驗機數(shù)學模型的簡化分析

液伺服材料試驗機的傳遞函數(shù)可以分析為是力、負荷、變形的9階系統(tǒng)，這給實際的控制和仿真帶來了較大的困難，模型階次較高，不利于系統(tǒng)采用自適應控制策略，因此應該對其物理特性進行合理的簡化。由于材料試驗機的重量主要位于機械結(jié)構(gòu)的下部，而機械結(jié)構(gòu)設(shè)計上又有著明顯的對稱關(guān)系，因此提出兩點合理簡化方法，一是在采用傳統(tǒng)PID的控制策略，可以消除由于框架而引起的系統(tǒng)諧振因子，而機械衡量、及工作臺為固定部分，可認為是穩(wěn)定的系統(tǒng)；二是液壓缸的執(zhí)行機構(gòu)數(shù)學模型的動態(tài)因子，在實際系統(tǒng)中是不可避免的，尤其是在電液伺服試驗過程中，采用較少油量的高頻運動，必須保留執(zhí)行機構(gòu)的諧振因子。簡化的電液伺服試驗機系統(tǒng)模型如圖2.1所示。

圖2.1 電液伺服試驗機結(jié)構(gòu)簡化模型

圖2.1中相關(guān)參數(shù)說明：是液壓缸活塞及下夾具的質(zhì)量，為被檢測材料試樣的剛度系數(shù)，為機械結(jié)構(gòu)框架的剛度，包括負荷傳感器和立柱兩部分組成。有彈性胡克定律可知，串聯(lián)機構(gòu)的彈性剛度為：

（2.1）

（2.2）

其中公式相關(guān)參數(shù)說明：為液壓缸活塞的表面積，為液壓缸一側(cè)活塞的容積；表示為壓力-流量參數(shù)；閥的流量系統(tǒng)增益；閥芯遠離中心點的位置的偏移量；為活塞上下移動的位移變化量；為液壓缸油彈性剛度，，公式

中液壓缸油源的有效體積彈簧模量，沒有空氣時參數(shù)即為。

電液伺服材料試驗機的動力執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動力為：，公式中為負荷壓力，為活塞的有效面積值，由牛頓運動學第二定律，可知活塞位移的的運動學方程式可表示為：

（2.3）

相應的位移傳遞函數(shù)：

（2.4）

從方程式2.4中可以看出，電液伺服試驗機系統(tǒng)位移控制于被檢測試樣的剛度有這很大的關(guān)系，因此在做系統(tǒng)位移控制過程中，需要采用參數(shù)可變的控制器，才能夠?qū)崿F(xiàn)提高位移的跟隨控制，以實現(xiàn)控制器的高魯棒性。同時也說明本文考慮采用系統(tǒng)穩(wěn)定后使用自適應逆控制，作為電液伺服動態(tài)試驗機的控制策略是有需要的。

3.自適應反向控制（AIC）

（1）自適應濾波器定義

自適應濾波器有三個部分組成：輸入信號、輸出信號及期望輸入信號，我們一般把這個信號也叫做變化條件信號。例如我們可以根據(jù)系統(tǒng)的延時，來改變有限脈沖響應濾波器的參數(shù)，自適應濾波器的核心部分是，必須含有能夠能系統(tǒng)輸入和輸出信號收斂的，自適應算法，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)濾波器脈沖響應參數(shù)，達到期望響應輸入信號與實際濾波器響應信號的差為最小均方根誤差。

（2）逆控制理論的數(shù)學描述含義

逆控制理論思路簡單說，就是引入一個串聯(lián)控制器，放大輸入信號，以此信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作，消除系統(tǒng)的幅度和相位損失，實現(xiàn)電液伺服動態(tài)試驗機系統(tǒng)對被測材料試樣周期和非周期信號波形的準確加載。在這里我們可以假設(shè)控制器是理想的，則可得控制的數(shù)學傳遞函數(shù)：

（3.1）

圖3.1 逆向控制理論的系統(tǒng)模型框圖

逆控制理論的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示，含有純滯后環(huán)節(jié)和產(chǎn)生信號衰減的被控對象，對于系統(tǒng)本身受到外界干擾作用，我們要實現(xiàn)的最后控制結(jié)果是使系統(tǒng)輸出的響應信號能夠準確的跟隨輸入信號。分為兩種情況考慮，一是我們可以通過頻域法，對系統(tǒng)的輸入信號衰減，進行確定，假設(shè)我們只考慮系統(tǒng)的跟隨特性，可以取參考模型M（z）=1；二是我們要合理的選取自適應算法，使參考模型輸出與系統(tǒng)輸出的差調(diào)節(jié)我們自適應控制器的參數(shù)，注意需實現(xiàn)兩者誤差的均方值最小。

4.非周期信號測試

目前各國汽車生產(chǎn)廠家，由于市場對汽車安全性能的要求逐步增加，在汽車生產(chǎn)加工完成后，需要檢查在不同路面標準情況下，生產(chǎn)的地面車輛各項性能指標是否達到汽車生產(chǎn)的相關(guān)技術(shù)指標。假設(shè)采取實際車輛進行實地檢查，毫無疑問的是將會浪費大量的人力和財力成本。因此采用試驗機仿真模擬不同路況，進行汽車性能檢測成為汽車企業(yè)的首選手段，這也為電液伺服動態(tài)試驗機開辟了一個嶄新的領(lǐng)域。汽車在路面行駛過程中，所經(jīng)歷的路面情況信號，在理論上可以近似為隨機信號。傳統(tǒng)工業(yè)使用的PID控制雖然能較好的抑制系統(tǒng)干擾，但由于其算法自身對不同頻段作用的魯棒性差異，在實際試驗控制過程中，并未出現(xiàn)較好的控制效果。如圖4.1所示，而采用自適應反向控制策略，測試系統(tǒng)模型參數(shù)穩(wěn)定后，系統(tǒng)對于非周期信號具有較好的跟隨控制效果，如圖4.2所示。

圖4.1 路鋪信號PID控制 圖4.2 路鋪信號自適應逆控制

5.結(jié)論

在電液伺服動態(tài)實驗機，利用自適應反向控制，在同一工作條件下，對非周期信號的實際控制跟隨過程中進行實驗，與傳統(tǒng)PID控制進行比較，試驗表明自適應逆控制策略，能夠有效改善電液伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，具有較好、較快的試驗參數(shù)變化適應性和魯棒性。

參考文獻：

[1]Y.Kang，M-H，Chu，Y-L，Liu.An adaptive control using multiple neural networks for the position control in hydraulic servo system.ICNC，2005.

[2]張福波，董彩云，張齊生，?；鄯?變結(jié)構(gòu)控制方法在材料試驗機的應用[J].流體傳動與控制，2007（04）.

[3]裴忠才，朱善安.電液伺服系統(tǒng)的積分滑模自適應控制[J].電工技術(shù)學報，2005（04）.

[4]駱涵秀.試驗機的電液控制系統(tǒng)[J].機械工業(yè)出版社，1991.

[5]關(guān)景泰.機電液控制技術(shù)[M].同濟大學出版社，2003，4.

作者簡介：宿建樂（1983—），男，吉林長春人，碩士研究生，助教，研究方向：復雜系統(tǒng)建模及控制。