模糊控制在液壓閉環(huán)同步系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

黎良思，黃義萍，王志翔

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

電液比例控制是目前應(yīng)用較多，精度較高的液壓控制系統(tǒng)。液壓多缸同步應(yīng)用場合廣泛，但多缸同步控制系統(tǒng)本身具有非線性和不確定性，液壓工況變化復(fù)雜，傳統(tǒng)的控制方法，如PID 已無法滿足實(shí)際液壓系統(tǒng)的控制精度要求，自適應(yīng)能力差、抗干擾能力弱，復(fù)雜工況的情況下主要依據(jù)操作人員的經(jīng)驗知識進(jìn)行調(diào)控，傳統(tǒng)的控制方法具有局限性。

模糊控制理論不依賴于受控對象的精確模型而被廣泛用于到了工業(yè)生產(chǎn)中，模糊控制具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠?qū)崿F(xiàn)在線參數(shù)校正，自適應(yīng)能力強(qiáng)［1］。本文針對提高液壓多缸同步的精度，提出了基于模糊控制理論的雙缸液壓閉環(huán)同步控制方法。結(jié)合液壓電液比例閥控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過Matlab 建立模糊控制模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果說明基于模糊算法的主從控制方式能夠提高液壓多缸同步控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、抗干擾性和自適應(yīng)能力。

1 電液比例控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

電液比例控制系統(tǒng)由控制器、電液比例閥、液壓油缸和位移傳感器等組成，如圖1 所示，控制器發(fā)出控制指令，經(jīng)比例放大器放大后的電壓信號作用于比例閥的電磁鐵，電磁鐵得電后閥芯產(chǎn)生相應(yīng)位移控制閥口開度，進(jìn)而控制流入液壓油缸的液壓油流量，使液壓油缸在產(chǎn)生相應(yīng)的位移，位移傳感器將采集的數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)誤差來調(diào)整控制器給定的參數(shù)，通過閉環(huán)控制以提高位移控制的精度［2］。液壓電液比例控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 液壓電液比例控制系統(tǒng)框圖

液壓電液比例控制系統(tǒng)主要元件包括電液比例閥和液壓油缸，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型取決于閥和油缸的動態(tài)特性，考慮到電液比例閥的頻率遠(yuǎn)高于液壓油缸的固有頻率［3］，此處將閥看作比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)為Ka，位移傳感器在本系統(tǒng)中也是視為比例環(huán)節(jié)，比例系數(shù)為Ky?？刂破鬏斎霝殡妷篣，輸出為液壓缸的位移y，則以電壓U 為輸入，液壓缸活塞位移y 為輸出，電液比例閥控缸動力機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)為［4］

2 液壓多缸同步控制策略

多液壓缸的同步控制多采用閉環(huán)同步回路，傳感器將釆集到的液壓油缸輸出信號作為反饋信號，通過對電液比例閥進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)各支路的輸出流量，從而實(shí)現(xiàn)多液壓缸同步運(yùn)動。經(jīng)典液壓同步控制方法主要是由Robert.D.Lorenz 和Y.Koren 提出并發(fā)展起來的，多液壓缸同步控制方法主要由如下幾種方式［6］:

(1)并行控制方式。并行控制也稱作同等控制，是指對兩個或多個執(zhí)行液壓缸采用獨(dú)立的反饋通道對同一設(shè)定值進(jìn)行追蹤調(diào)整，也可共用一套反饋通道分別對設(shè)定值進(jìn)行反饋調(diào)整。通過對各自通道輸出參數(shù)的檢測和反饋，由各自控制器調(diào)節(jié)與輸入給定值的誤差以達(dá)到同步輸出，并行控制方式原理如圖2所示。

圖2 并行控制方式原理圖

(2)主從控制方式。主從同步控制是指對于多個需要同步控制的液壓油缸，以其中一個液壓缸作為參考基準(zhǔn)，其余液壓缸通過控制器的控制來跟隨基準(zhǔn)液壓缸運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)多個液壓缸的同步運(yùn)動，主從同步控制方法原理如圖3 所示。

圖3 主從控制方式原理圖

3 主從雙缸閉環(huán)同步模糊控制器設(shè)計

美國控制專家查得(L.A.Zadeh)于1965 年創(chuàng)立了模糊控制集合理論，為解決模糊性問題提供數(shù)學(xué)工具。1974 年，E.H.Mamdani 把模糊語言邏輯用于控制并獲成功，模糊控制理論主要模仿人的控制經(jīng)驗，體現(xiàn)了智能自動化發(fā)展的方向［1］。

雙液壓油缸同步驅(qū)動負(fù)載具有非線性、不確定性，本文采用模糊規(guī)則對從動液壓油缸的電液比例閥的輸入電壓U 進(jìn)行在線整定，從而使液壓流量基本相同，而實(shí)現(xiàn)雙油缸輸出位移同步。模糊控制器采用二維輸入一維輸出，其原理為通過位移傳感器采集的從動液壓油缸與基準(zhǔn)液壓油缸輸出位移值之間的偏差e 和位移偏差率ec 作為控制器的輸入，從動油缸的電液比例閥輸入電壓U 作為輸入［7］。雙油缸主從同步模糊控制器的系統(tǒng)框圖如圖4 所示。

圖4 雙油缸主從同步模糊控制器系統(tǒng)框圖

模糊控制器選用正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大7 個語言變量，則輸入e 的模糊子集為{PB，PM，PS，ZO，NB，NM，NS}，輸入ec 的模糊子集為{PB，PM，PS，ZO，NB，NM，NS}，輸出為電壓U，其模糊子集為{PB，PM，PS，ZO，NB，NM，NS}。考慮到油缸位移的實(shí)際情況，選擇偏差e 的模糊論域為［－3，3］，量化因子Ke=0.2，偏差變化率的模糊論域為［－3，3］，量化因子為Kec=5，輸出電壓U 的模糊論域均為［－6，6］，比例因子Ku=2.5。本文中輸入量e 和ec 采用Gaussmf函數(shù)(高斯型)隸屬函數(shù)，輸出量電壓U 采用Trimf 函數(shù)(三角形)隸屬函數(shù)，解模糊方法選擇中位數(shù)法［8］。

模糊控制器的參數(shù)調(diào)整部分是找出兩油缸輸入位移偏差e 和偏差變化率ec 與輸出電壓U 的模糊關(guān)系。文中選取輸出量的原則為:當(dāng)出現(xiàn)位移偏差e 大或較大時，選擇控制量以快速消除偏差e 為主要目標(biāo);而當(dāng)位移偏差e 較小時，選擇控制量防止系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性為優(yōu)先［3］，根據(jù)液壓系統(tǒng)操作人員的操作經(jīng)驗和控制要求建立輸出電壓U 的模糊控制規(guī)則表［9］，如表1 所示。

表1 電壓U 模糊控制規(guī)則

模糊控制器是建立在模糊推理基礎(chǔ)上的一種非線性控制策略，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載參數(shù)變化較大時或受到非線性因素影響時，也能取得較好的控制效果。

4 仿真結(jié)果及分析

運(yùn)用Matlab/Simulink 分別建立雙缸閉環(huán)同步并行控制方式和模糊算法主從控制方式的仿真模型，如圖5 ～圖6 所示。其中，0 s 時給定階躍信號值為1，添加了PID 模塊以減小系統(tǒng)的超調(diào)量和達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間以取得較好的仿真效果［10］，添加隨機(jī)噪聲信號用于模擬液壓油缸在現(xiàn)場負(fù)載隨機(jī)多變化的情況。

圖5 并行控制方式仿真圖

圖6 主從控制方式仿真圖

圖7 解封裝的模糊控制器

圖8 隨機(jī)噪聲下并行控制方式與模糊算法主從控制方式仿真結(jié)果

圖9 隨機(jī)噪聲下并行控制方式與模糊算法主從控制方式位移差仿真結(jié)果

在階躍信號和隨機(jī)噪聲信號的作用下，雙油缸閉環(huán)同步的并行控制方式和模糊算法主從控制方式的仿真結(jié)果如圖8 ～圖9 所示，由圖9 可看出，加入模糊控制算法的主從控制方式，兩液壓油缸的位移差值在［－0.05，0.05］之間波動，并行控制方式下的兩油缸位移差值變化范圍為［－0.1，0.1］，對于隨機(jī)噪聲的多變化影響，加入模糊控制算法的主從控制方式下的兩油缸位移差值波動幅度范圍減小50%，相比并行控制方式的雙缸閉環(huán)同步，具有較強(qiáng)的抗干擾性和自適應(yīng)性。

5 結(jié)束語

本文針對液壓多缸閉環(huán)同步控制的非線性、不確定性和耦合性，對比兩種經(jīng)典控制策略，即并行控制方式和主從控制方式，提出了主從控制方式下模糊算法在液壓雙缸閉環(huán)同步控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。依據(jù)液壓電液比例控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了主從控制方式下液壓雙缸同步的模糊控制器，運(yùn)用Matlab/Simulink 分別建立雙缸閉環(huán)同步并行控制方式和加入模糊算法主從控制方式的仿真模型。通過在隨機(jī)噪聲信號干擾下進(jìn)行仿真，對比雙缸閉環(huán)同步并行控制方式和模糊算法主從控制方式，結(jié)果說明在液壓負(fù)載變化具有非線性和不確定性的情況下，模糊控制能減小雙缸位移差波動范圍，提高雙缸閉環(huán)同步的精度，并具有較好的抗干擾能力和一定的自適應(yīng)能力，為實(shí)際工業(yè)應(yīng)用提供了參考。

［1］ 湯兵勇，王文杰，路林吉.模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［2］ 起學(xué)梅.非對稱液壓缸模糊自適應(yīng)PID 控制的研究［J］.中國西部科技，2015，14(1):57－58.

［3］ 方桂花，常福.模糊控制在線控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2015(1):141－142.

［4］ 李敏捷.基于PID 算法的電液比例同步控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［D］.重慶:重慶大學(xué)，2014.

［5］ 宋志安，曹連民，黃靖.Matlab/Simulink 與液壓系統(tǒng)仿真［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.

［6］ 劉永勝.液壓系統(tǒng)流量比例分配技術(shù)研究［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，2012.

［7］ 吳會敏，劉藝柱.基于模糊自適應(yīng)PID 控制的中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2014(1):69－71.

［8］ 朱雅光，金波，李偉.基于自適應(yīng)－模糊控制的六足機(jī)器人單腿柔順控制［J］.浙江大學(xué)學(xué)報，2014，48(8):1423－1424.

［9］ 竇艷艷，錢蕾，馮金龍.基于Matlab 的模糊PID 控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真［J］.電子科技，2015，28(2):119－120.

［10］宗超凡.基于雙控制器切換的模糊PID 勵磁控制的仿真研究［J］.電氣傳動自動化，2015，37(1):27－28.