基于單片機(jī)與改進(jìn)PID的智能電液伺服控制系統(tǒng)研究

劉 程，鄔志軍

（1.六安職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程學(xué)院，安徽，六安，237000；2.皖西學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽，六安，237000）

0 引言

當(dāng)今工業(yè)的快速發(fā)展，為人們的生活帶來了便利。液壓系統(tǒng)可通過液壓的作用，為鑄造、汽車等技術(shù)領(lǐng)域提供幫助，液壓系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人們的生活中[1]。電液伺服系統(tǒng)是液壓控制系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，其起到傳動(dòng)的作用。電液伺服系統(tǒng)與其他位移伺服系統(tǒng)相比，具有高傳動(dòng)效率、易于安裝以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天、國防軍工以及重型機(jī)械制造等領(lǐng)域，都起到了重要的作用[2]。隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)電液伺服系統(tǒng)的控制速度以及準(zhǔn)確度等都提出了更高的要求，因此，對(duì)提高電液伺服系統(tǒng)的控制速度以及控制準(zhǔn)確度的研究就變得非常有意義。

當(dāng)下，國內(nèi)外出現(xiàn)了較多的電液伺服控制系統(tǒng)。Xue等人[3]通過對(duì)PLC技術(shù)進(jìn)行研究，將其引入到電液伺服系統(tǒng)的控制中，利用PLC作為控制中心設(shè)計(jì)了電液伺服位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。孫春亞等人[4]將基于歐姆龍 CP1H PLC用于電液伺服控制系統(tǒng)，通過光柵尺對(duì)位置變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并引入模糊0控制器對(duì)位置進(jìn)行調(diào)控。這種基于PLC控制的電液伺服控制系統(tǒng)能夠?qū)﹄娨核欧鬟M(jìn)行控制，但由于PLC較為昂貴，而且計(jì)算能力相對(duì)較弱，導(dǎo)致這種電液伺服控制系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度較低，成本較高。Ding等人[5]提出了一種非線性的電液伺服控制方法，將復(fù)雜的電液機(jī)械系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)：非柔性非線性系統(tǒng)和線性系統(tǒng)。針對(duì)非柔性非線性子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了AIMC控制器，實(shí)現(xiàn)了速度軌跡跟蹤控制，并針對(duì)線性子系統(tǒng)推導(dǎo)了位置反饋控制。楊四陽等人[6]根據(jù)參數(shù)不確定性、非線性等因素導(dǎo)致的電液位置伺服系統(tǒng)跟蹤控制問題，設(shè)計(jì)了一種魯棒自適應(yīng)反步方法，通過建立自適應(yīng)律來抑制由于參數(shù)不確定性對(duì)系統(tǒng)跟蹤控制性能的影響，通過建立魯棒控制律使得系統(tǒng)具有全局一致漸近穩(wěn)定性能。雖然以上方法降低了電液伺服控制系統(tǒng)的硬件成本，但由于算法的復(fù)雜性，使得控制系統(tǒng)的控制效率較低。

本文將 MSP引入到電液伺服控制系統(tǒng)中，將其作為主控器，對(duì)電液伺服系統(tǒng)的位移量進(jìn)行監(jiān)控，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)PID控制器的微分、積分以及比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成改進(jìn)的PID控制器，用于對(duì)電液伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行策略控制。通過MSP單片機(jī)構(gòu)造硬件部分，聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的PID作為控制策略，從而設(shè)計(jì)了具有智能化、快速化、準(zhǔn)確化的電液伺服控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。從電液伺服系統(tǒng)的位移控制曲線可見，所提方法控制的曲線波動(dòng)較小，更具穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)模型分析

電液伺服控制系統(tǒng)的工作框圖如圖1所示[7]。從圖1可見，該系統(tǒng)是一個(gè)具有反饋量的系統(tǒng)，其通過位移傳感器采集實(shí)時(shí)位移量作為反饋信號(hào)，將其送入控制器中，控制器將反饋信號(hào)與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)電液伺服閥進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)液壓的控制。

依據(jù)液壓控制理論，整個(gè)控制系統(tǒng)中電液伺服閥的數(shù)學(xué)模型為[8]：

其中，Hv為伺服閥的空載增益，wv為伺服閥的自然頻率，ζv為伺服閥的阻尼系數(shù)。

液壓缸的數(shù)學(xué)模型為：

其中，HQ為液壓缸的流量增益，AQ為液壓缸作用面積，HD為液壓缸的流量壓力系數(shù)，ml為外部負(fù)載的質(zhì)量。

位移傳感器的數(shù)學(xué)模型可視為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，其表述為：

其中，Hf為位移傳感器增益。

圖1 電液伺服控制系統(tǒng)工作過程Fig.1 Working process of electro-hydraulic servo control system

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所提電液伺服控制系統(tǒng)以 MSP單片機(jī)為主控器，配以位移傳感器、人機(jī)交互單元等外圍電路，組成了控制系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。從圖2可見，硬件部分的主控器采用的是MSP430F5529單片機(jī)，該單片機(jī)具有輕功耗、高精度、計(jì)算速度快等特點(diǎn)，其內(nèi)部具有1個(gè)高性能12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可用于對(duì)接收到的位移信號(hào)進(jìn)行處理。人機(jī)交互單元采用榮歌RG-XSQ008型LCD觸控顯示屏以及矩陣鍵盤和報(bào)警電路組成，榮歌RG-XSQ008觸控顯示屏具有顯示角度廣、靈敏度高等特點(diǎn)。位移量監(jiān)測(cè)單元采用米朗MPS-XS位移傳感器以及信號(hào)調(diào)理電路組成，米朗MPS-XS位移傳感器具有高精度、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，信號(hào)調(diào)理電路的作用是將位移傳感器監(jiān)測(cè)到的位移信號(hào)進(jìn)行濾波與放大，再送入主控器進(jìn)行處理。執(zhí)行單元采用伺服放大器與電液伺服閥組成，其中伺服放大器的作用為將主控器發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)電液伺服閥工作。

整個(gè)硬件單元的工作時(shí)，首先需要通過LCD觸控顯示屏將標(biāo)定壓力控制參數(shù)輸入到主控器中，然后主控器再將接收到的位移監(jiān)測(cè)量與標(biāo)定量送入控制策略進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果送出電液伺服閥的調(diào)節(jié)信號(hào)，從而對(duì)液壓進(jìn)行調(diào)整。

圖2 電液伺服控制系統(tǒng)硬件框架Fig.2 Hardware framework of electro-hydraulic servo control system

3 控制系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

控制策略是電液伺服控制系統(tǒng)軟件部分的核心?？刂撇呗缘膬?yōu)劣關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度以及控制效率。PID控制器是一種工業(yè)控制常見的控制策略，其原理較為簡單，易于實(shí)現(xiàn)。PID控制器的表達(dá)式為[9]：

其中，KP、KD、KI分別為比例、微分以及積分系數(shù)。

雖然 PID控制器在設(shè)定好KP、KD、KI三個(gè)系數(shù)后具有良好的控制效果，但PID控制器對(duì)KP、KD、KI的依賴性較高，而且KP、KD、KI的準(zhǔn)確設(shè)定需要較復(fù)雜的調(diào)試過程與較豐富的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。因此，PID控制器的適應(yīng)性不強(qiáng)，而且穩(wěn)定性能不佳。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，能夠通過學(xué)習(xí)對(duì)KP、KD、KI進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。故在此引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)PID控制器進(jìn)行改進(jìn)，并將改進(jìn)的PID控制器作為所設(shè)計(jì)電液伺服控制系統(tǒng)的控制策略。

如圖3所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有多輸入、多隱層及單輸出的結(jié)構(gòu)，其單輸出表達(dá)式為[10]：

利用(5)式求取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)函數(shù)：

令神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)效率為θ，則通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)KP、KD、KI進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的過程為[11]：

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of neural network

4 仿真結(jié)果

利用Matlab/Simulink軟件，在Intel I5處理器、4GB內(nèi)存的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中選取文獻(xiàn)[12]與文獻(xiàn)[13]中電液伺服控制方法作為對(duì)比。實(shí)驗(yàn)采用目標(biāo)跟蹤方法，先設(shè)定好標(biāo)定位移曲線，再利用不同方法對(duì)標(biāo)定曲線進(jìn)行跟蹤，通過跟蹤結(jié)果對(duì)不同方法的控制性能進(jìn)行分析。

不同方法的跟蹤結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4中可見，三種方法都能夠?qū)?biāo)定位移曲線進(jìn)行跟蹤。將三種方法的控制位移曲線進(jìn)行對(duì)比可見，本文方法的控制位移曲線較對(duì)比方法的控制位移曲線波動(dòng)更小，而且產(chǎn)生超調(diào)量時(shí)，本文方法能夠更為快速地對(duì)超調(diào)量進(jìn)行控制，迅速回歸跟蹤標(biāo)定位移曲線。文獻(xiàn)[12]方法所得的控制位移曲線波動(dòng)較為頻繁，而且波動(dòng)幅度較大，對(duì)超調(diào)量的控制時(shí)間較長，而且準(zhǔn)確度較低。文獻(xiàn)[13]方法所得的控制位移曲線波動(dòng)較文獻(xiàn)[12]方法所得控制位移曲線較小，但其控制位移曲線與標(biāo)定位移曲線的擬合誤差較大。本文方法所得控制位移曲線較文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]方法的控制位移曲線波動(dòng)最小，而且超調(diào)幅度也最小，與標(biāo)定位移曲線的擬合度最高。從圖5可見，三種方法的控制位移曲線較標(biāo)定位移曲線都有所偏差，但通過對(duì)比可見，本文方法的控制位移曲線比對(duì)照方法的控制位移曲線更貼合于標(biāo)定位移曲線，當(dāng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，本文方法能夠更快的調(diào)節(jié)控制位移曲線趨于標(biāo)定位移曲線。由此說明，所提方法對(duì)液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，具有較高的控制準(zhǔn)確度與控制效率，而且控制過程較為平穩(wěn)，能夠較好的控制液壓伺服系統(tǒng)。

圖4 不同方法的跟蹤結(jié)果Fig.4 Tracking results of different methods

圖5 不同方法的跟蹤結(jié)果Fig.5 Tracking results of different methods

5 結(jié)語

本文利用MSP430F5529單片機(jī)作為主控器，設(shè)計(jì)了一種智能化的電液伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在MSP430F5529單片機(jī)的基礎(chǔ)上，采用榮歌RG-XSQ008型LCD觸控顯示屏作為人機(jī)交互核心部件，利用米朗MPS-XS位移傳感器對(duì)電液伺服系統(tǒng)的位移量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了所提系統(tǒng)的硬件部分。引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)PID控制器的比例、微分以及積分系數(shù)進(jìn)行整定，形成改進(jìn)的PID控制器，并將其作為所提系統(tǒng)的控制策略，以計(jì)算標(biāo)定位移量與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)位移量的偏差，指導(dǎo)主控器對(duì)電液伺服閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)電液伺服系統(tǒng)的控制。通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，所提方法對(duì)電液伺服系統(tǒng)的位移控制精度與控制效率都較高，控制過程較為平穩(wěn)，可為電液伺服控制系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供參考。