基于偏差—環(huán)形耦合的多通道液壓伺服系統(tǒng)同步控制

劉芳璇　李益民　崔晶

摘 要：為研究多通道參數(shù)不同的液壓系統(tǒng)在工況中的同步性能，以液壓控制機(jī)構(gòu)原理為基礎(chǔ)，提出了在偏差-環(huán)形耦合控制方式下采用貓群算法對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的同步控制方案。相比偏差耦合同步控制策略，采用偏差-環(huán)形耦合優(yōu)化后的系統(tǒng)應(yīng)用于同步控制時(shí)，具有良好的抗干擾性和同步控制精度，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入信號(hào)的跟蹤控制。

關(guān)鍵詞：同步控制；貓群算法；偏差耦合；偏差-環(huán)形耦合

0 引言

在多通道液壓控制系統(tǒng)中，采用算法優(yōu)化控制參數(shù)可有效提升液壓系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)及抗擾性能，結(jié)合一定的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)多通道液壓系統(tǒng)的同步控制。對(duì)于優(yōu)化算法，可選用文獻(xiàn)[1]中優(yōu)化火箭炮泵控缸位置伺服系統(tǒng)參數(shù)時(shí)所采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[2]中應(yīng)用于優(yōu)化煤礦井下工作面所采用的自適應(yīng)遺傳算法，而文獻(xiàn)[3]中將粒子群算法應(yīng)用于多弧離子鍍膜溫度控制中，文獻(xiàn)[4]則采用蟻群算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行二次優(yōu)化，文獻(xiàn)[5]則采用一種比較新穎的貓群算法進(jìn)行圖像分類的研究。實(shí)際上，該算法也可應(yīng)用于控制參數(shù)的整定，本文將會(huì)對(duì)此方面的應(yīng)用展開(kāi)研究。

復(fù)雜系統(tǒng)控制對(duì)象內(nèi)部常包含非線性，變負(fù)載及時(shí)變性，單一的控制策略只能應(yīng)對(duì)其中某種特性，而若需要對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)特性都能加以控制，則需要同時(shí)應(yīng)用多種控制策略。因此，本文融合了偏差耦合及環(huán)形耦合控制策略，在此基礎(chǔ)上研究了多通道不同參數(shù)的伺服閥-液壓馬達(dá)位置控制系統(tǒng)的同步性能，對(duì)每個(gè)伺服閥、液壓馬達(dá)的控制參數(shù)采用貓群算法進(jìn)行優(yōu)化，并與采用偏差耦合控制策略的系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較。由仿真結(jié)果可知，采用偏差-環(huán)形耦合控制策略的液壓控制系統(tǒng)對(duì)單位階躍信號(hào)響應(yīng)快速，無(wú)超調(diào)，并具有良好的抗干擾性和同步控制精度。

1 多通道液壓控制系統(tǒng)

系統(tǒng)由指令裝置、伺服閥、液壓馬達(dá)、減速齒輪、滾珠絲杠等五部分構(gòu)成。工作機(jī)理如下：當(dāng)指令裝置接收到經(jīng)由信號(hào)通道的外部控制信號(hào)，經(jīng)比例放大后驅(qū)動(dòng)電液伺服閥，帶動(dòng)液壓馬達(dá)閥芯做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制液壓馬達(dá)進(jìn)出口閥門的開(kāi)閉而控制液壓馬達(dá)負(fù)載端的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)帶動(dòng)減速裝置及滾珠絲杠控制工作臺(tái)的進(jìn)給。

貓群算法將控制參數(shù)的組合作為解空間的個(gè)體，根據(jù)適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算每一組參數(shù)的適應(yīng)度值，通過(guò)搜尋模式和跟蹤模式對(duì)貓群位置進(jìn)行尋優(yōu)，迭代生成新個(gè)體，通過(guò)與舊個(gè)體進(jìn)行比較確定符合性能指標(biāo)的最優(yōu)個(gè)體，對(duì)應(yīng)可得控制參數(shù)的最優(yōu)解。采用自適應(yīng)貓群算法分別對(duì)每個(gè)通道的伺服閥、液壓馬達(dá)和位移反饋三個(gè)閉環(huán)環(huán)節(jié)的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用實(shí)數(shù)編碼，加入濾波小組，以降低初始局部收斂的概率；采用半掃描篩選方式篩選初始種群，防止比例系數(shù)加大引起超調(diào)量的增加；采用聯(lián)賽法進(jìn)行選擇操作；構(gòu)造動(dòng)態(tài)自適應(yīng)單點(diǎn)交叉概率與自適應(yīng)變異概率，并輔以精英策略和保優(yōu)運(yùn)算。為獲取滿意的過(guò)渡過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，采用ITAE性能指標(biāo)作為參數(shù)選擇的最小目標(biāo)函數(shù)。

2 仿真分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)控制效果，針對(duì)工作臺(tái)電-液位置伺服系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。采用貓群算法對(duì)每個(gè)通道的相關(guān)PID控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。三通道液壓控制系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)作用下，分別選用偏差耦合、偏差-環(huán)形耦合同步控制策略，并在15秒時(shí)引入幅值為10000的負(fù)載擾動(dòng)，取適當(dāng)?shù)鸟詈舷禂?shù)，并設(shè)定誤差限△=0.02，得系統(tǒng)的跟蹤響應(yīng)曲線如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)系統(tǒng)采用偏差耦合控制策略時(shí)，約在3.5秒時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。加入擾動(dòng)后，約在15.6秒時(shí)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)；采用偏差-環(huán)形耦合控制策略時(shí)，上升時(shí)間、調(diào)整時(shí)間等動(dòng)態(tài)指標(biāo)雖無(wú)明顯變化，但跟蹤曲線間距更為均勻。加入擾動(dòng)后，約在15.3秒時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。相比之下，采用偏差-環(huán)形耦合控制策略的系統(tǒng)擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間縮短了0.3秒，各通道之間的同步誤差近似相等；系統(tǒng)響應(yīng)無(wú)超調(diào)量，并能夠?qū)斎胄盘?hào)實(shí)現(xiàn)無(wú)偏跟蹤，抗擾動(dòng)性能較好。

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