某電控液驅(qū)車輛比例閥控馬達系統(tǒng)特性研究

(陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院， 江蘇 南京 210001)

引言

某電控液驅(qū)車輛是一種采用液壓儲能新型動力傳動技術(shù)的車輛。以液壓傳動替代機械傳動，可有效提高車輛的越野性能和燃油經(jīng)濟性。其中電液比例閥控馬達系統(tǒng)的控制性能對車輛的加速性能和制動性能至關(guān)重要。電液比例閥控馬達系統(tǒng)是用電液比例閥作電液轉(zhuǎn)換及控制元件，用液壓馬達作執(zhí)行元件，對速度、位置、壓力等機械量進行控制的系統(tǒng)。為了提高電控液驅(qū)車輛的加速性能和制動性能，液壓馬達的轉(zhuǎn)速控制至關(guān)重要。因此，對電液比例閥控馬達系統(tǒng)進行研究具有重要的現(xiàn)實意義[1-2]。

在電液比例閥控馬達系統(tǒng)中，一般采用PID控制器來實現(xiàn)馬達轉(zhuǎn)速的控制，但PID控制依賴于精確的數(shù)學模型，對于非線性、時變不確定系統(tǒng)難以建立其相關(guān)模型。進而出現(xiàn)一些改進型PID控制方法，例如模糊PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、基于遺傳算法整定的PID等[3-5]。文獻[1]采用PID控制算法對閥控葉片氣馬達系統(tǒng)進行恒轉(zhuǎn)速控制研究；文獻[6]分別采用常規(guī)PID控制和參數(shù)自整定的模糊PID控制策略來實現(xiàn)液壓馬達的恒速控制；文獻[7]采用模糊自整定PID控制方法對變排量液壓馬達系統(tǒng)進行了速度控制和運動位置控制；文獻[8]提出一種對傳統(tǒng)PID控制進行基于NCD模塊非線性優(yōu)化的思路對伺服閥控馬達系統(tǒng)進行了靜態(tài)和動態(tài)響應分析；文獻[9]采用神經(jīng)元PID控制器的改進算法對閥控馬達調(diào)速系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)速控制研究。

上述研究大多采用傳統(tǒng)PID控制和一種改進的PID控制策略進行比較分析液壓馬達系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制。本研究分別采用變結(jié)構(gòu)抗飽和PI控制和模糊PID控制2種控制方法來設(shè)計電液比例閥控馬達系統(tǒng)的控制器，以此提高系統(tǒng)的控制性能。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

電液比例閥控馬達系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。其中液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、電液比例閥、液壓馬達和負載等部分組成。電氣系統(tǒng)由與液壓系統(tǒng)相對應的控制器、比例放大器等控制元件組成。電液比例閥控馬達系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 電液比例閥控馬達系統(tǒng)原理圖

電液比例閥按輸入電信號的極性和幅值大小對液壓系統(tǒng)液流方向和流量進行控制，從而實現(xiàn)對液壓馬達運行方向和速度的控制[7-9]。系統(tǒng)的流量與輸入電信號的幅值成正比。

2 控制器的設(shè)計

本研究分別采用變結(jié)構(gòu)抗飽和PI控制和模糊PID控制對電液比例閥控馬達控制系統(tǒng)的控制器進行設(shè)計。

2.1 變結(jié)構(gòu)抗飽和PI控制

PID控制器由于其方便設(shè)置與實現(xiàn)、較好的魯棒性等特點而應用廣泛。在電液比例閥控馬達系統(tǒng)中，因為運行工況時的輸出壓力波動較大，尤其是在低壓力情況下，液壓馬達極易處于飽和狀態(tài)，而不加任何改進的PID控制器不能滿足這種狀況和其他非線性現(xiàn)象的要求，所以，本節(jié)擬選用具有抗飽和功能的變結(jié)構(gòu)抗飽和PI控制器[10]，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 變結(jié)構(gòu)抗飽和PI控制器結(jié)構(gòu)

圖2中vr為駕駛循環(huán)確定的期望車速；vt為從系統(tǒng)反饋回的實際車速；Kp，Ki分別為變結(jié)構(gòu)抗飽和PI控制器中的比例和積分控制參數(shù)；u，ui為控制信號；a為抗飽和設(shè)計參數(shù)；x為輸出信號，用來控制液壓馬達中的閥位移，從而控制排量；Kb為x到Tbreak的轉(zhuǎn)換系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，a的選取應該使積分器反饋回路的設(shè)置時間比閉環(huán)設(shè)計快2～5 s[10]。

在驅(qū)動工況時，變結(jié)構(gòu)抗飽和PI控制器發(fā)揮抗飽和作用；在制動工況時并不發(fā)揮作用，因為機械制動器的起用能夠彌補液壓馬達的液壓制動。當液壓馬達處于驅(qū)動工況且控制信號u達到飽和值時，結(jié)構(gòu)選擇器Switch發(fā)揮抗飽和作用，從而調(diào)整值ui使得u快速返回到限定值內(nèi)。雖然這種控制方法使得u在限定值附近迅速波動，但是通過設(shè)定采樣周期可以減小其波動幅值，降低對整個系統(tǒng)的影響。另外，控制信號u持續(xù)在限定值鄰域能夠使其快速平滑進入邊界內(nèi)，進而有益于系統(tǒng)的動態(tài)。當液壓馬達工作于制動工況且控制信號u達到飽和值時，機械制動器啟動。

2.2 模糊PID控制

模糊PID控制是一種將模糊理論與PID控制相結(jié)合的控制方法。這種控制方法主要將不易精確表征的工程經(jīng)驗與基本的PID控制聯(lián)合起來，以此達到控制目的。將模糊理論與PID參數(shù)一起放入規(guī)則庫中，進而經(jīng)過模糊推理、反模糊化接口，實現(xiàn)對控制對象的最佳控制，這種控制方法稱為模糊PID控制[11-14]。

1) 模糊控制器結(jié)構(gòu)的確定

在電液比例閥控馬達系統(tǒng)中，主要是分析液壓馬達轉(zhuǎn)速的控制性能，從而將轉(zhuǎn)速的偏差和偏差的變化率設(shè)定為控制器的輸入變量。為了簡化控制規(guī)則和提高系統(tǒng)響應，本節(jié)將雙輸入三輸出結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為3個雙輸入單輸出結(jié)構(gòu)。

模糊PID控制原理如圖3所示，其設(shè)計思想是利用模糊控制器以實現(xiàn)對PID控制器中3個控制參數(shù)自動調(diào)整的目的。

圖3 模糊PID控制原理

圖3中r(t)為系統(tǒng)期望值；e，ec分別為系統(tǒng)偏差和偏差變化率；y(t)為系統(tǒng)實際輸出值；E和EC分別為模糊化后的系統(tǒng)偏差和偏差變化率；KP，KI和KD分別是模糊PID控制器中的比例、積分和微分控制參數(shù)?？刂颇康氖鞘沟脃(t)達到期望值r(t)。

2) 確定變量論域

本節(jié)將馬達速度偏差E和速度偏差變化率EC作為控制器的輸入變量，通過分析兩者的變化來決定輸出變量KP，KI和KD。假如各個變量要選取多個值，雖然設(shè)計控制規(guī)則靈活、細致，但是增加了控制復雜性和難度，所以，為了兼顧靈活細致、簡便易行，本控制器將各個變量的基本論域都定在[-6，6]，-6附近用NL表示，-2附近用NS表示，0附近用ZE表示，2附近用PS表示，6附近用PL表示。

3) 變量隸屬度函數(shù)設(shè)計

本節(jié)在偏差較大的范圍區(qū)域選用分辨率較低的正態(tài)分布，在偏差較小的范圍區(qū)域選用高分辨率的三角形隸屬度函數(shù)，以此獲得良好的魯棒性。偏差E和偏差變化率EC的隸屬度函數(shù)一樣，如圖4所示， 輸出變量KP,KI,KD的隸屬度函數(shù)一樣，如圖5所示。

圖4 輸入變量E和EC的隸屬度函數(shù)

4) 模糊規(guī)則設(shè)計

模糊規(guī)則是一條條模糊條件語句的整合， 是輸入變量與輸出變量之間的映射關(guān)系。本模糊PID控制器的PID參數(shù)自調(diào)整原則如下：

(1) 當馬達速度偏差E較大時，為縮短響應時間，取較大的KP；為預防出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應限制積分，取KI為0；KD應取較小的目的是為了防止偏差E的突然增大導致出現(xiàn)控制失效和微分過飽和現(xiàn)象；

(2) 當馬達速度偏差E和速度偏差變化率EC為中等數(shù)值時，為使系統(tǒng)不出現(xiàn)較大的超調(diào)，應取較小的KP和適當?shù)腒I；此時KD的取值顯得格外重要，為確保系統(tǒng)的響應速度，應取值適當；

(3) 當馬達速度偏差E較小時，即在設(shè)定值附近時，取較大的KP，KI值；為了增強系統(tǒng)適應復雜環(huán)境的能力，EC較大時，KD取較小值，EC較小時，KD取較大值。

由以上分析可知，KP，KI和KD的模糊推理規(guī)則如表1所示。

本研究采用Mamdnai法進行推理，以簡化運算方法和縮短推理時間。

5) 反模糊化控制變量

模糊推理出的控制輸出是模糊量，因此，還需要進行反模糊化，本節(jié)采用應用較廣的重心法，之后便可得到精確控制量，實現(xiàn)精準控制。

3 仿真分析

利用MATLAB/Simulink軟件建立了電液比例閥控馬達系統(tǒng)的仿真模型，如圖6所示。圖6中的Control Unit部分分別采用了變結(jié)構(gòu)抗飽和PI控制和模糊PID控制兩種控制方法，這一部分的展開模型分別如圖7和圖8所示，圖8中的Fuzzy_PID Controller展開模型如圖9所示。系統(tǒng)的主要元件參數(shù)如表2所示。

對于PI(saturation)控制器，取Kp=1，Ki=0.5，a=0.5；對于Fuzzy_PID控制器，設(shè)定參數(shù)值：a1=1.25，a2=50，a3=0.25，a4=0.8，a5=0.06。a1，a2分別為控制器輸入偏差信號和偏差變化率信號的模糊化因子，a3，a4，a5分別為控制器輸出比例增益解模糊因子、積分系數(shù)解模糊因子和微分系數(shù)解模糊因子。

表1 模糊推理規(guī)則表

圖6 馬達/制動器控制模塊仿真模型

圖7 采用PI(Saturation)控制器的控制單元模型

圖8 采用Fuzzy_PID控制器的控制單元模型

圖9 Fuzzy_PID Controller展開模型

表2 主要元件參數(shù)

在相同初始條件下，分析比較2種不同的控制器在系統(tǒng)階躍信號下的控制效果。在第2 s時給以333 rad/s 的轉(zhuǎn)速階躍信號(轉(zhuǎn)換成直線速度為96 km/h)，第10 s時進行制動，液壓馬達轉(zhuǎn)速響應曲線如圖10所示。

通過分析圖10可知：

(1) 由圖10a可知，液壓馬達在2種控制器作用下的轉(zhuǎn)速響應都沒有超調(diào)，說明2種控制方法都具有一定的穩(wěn)定性；

(2) 由圖10b和圖10c可知，采用PI(Saturation)控制器的液壓馬達加速時間為0.37 s，制動時間為0.33 s；采用Fuzzy_PID控制器的液壓馬達加速時間為0.30 s，制動時間為0.38 s。經(jīng)過計算可得，F(xiàn)uzzy_PID控制器相比PI(Saturation)控制器，其加速性能提高10.8%，制動性能提高9.1%，說明Fuzzy_PID控制器比PI(Saturation)控制器的響應速度更快， 具有更好的動態(tài)響應特性。

4 結(jié)論

本研究針對電液比例閥控馬達系統(tǒng)，分別采用變結(jié)構(gòu)抗飽和PI控制和模糊PID控制對控制器進行設(shè)計，并運用MATLAB/Simulink軟件建立了系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果表明，這兩種控制方法的轉(zhuǎn)速響應都沒有超調(diào)，控制相對穩(wěn)定，但與變結(jié)構(gòu)抗飽和PI控制相比較，模糊PID控制的響應速度更快，提高了液壓馬達的加速和制動性能。所以，模糊PID控制對提高電控液驅(qū)車輛的加速性能和制動性能具有一定的借鑒意義。

圖10 液壓馬達轉(zhuǎn)速響應曲線