基于RBF-PID控制器的液壓伺服振動臺波形復(fù)現(xiàn)研究

付艷娟

摘 要：為解決液壓伺服振動臺運行過程中系統(tǒng)非線性環(huán)節(jié)和外部負載擾動較大的難題，設(shè)計一種將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制器相結(jié)合的控制策略。在分析液壓振動臺數(shù)學模型和控制器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的非線性映射能力，實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的在線調(diào)整。與經(jīng)典PID控制器相比，所提控制策略具有較好的跟蹤能力和魯棒性。

關(guān)鍵詞：液壓伺服振動臺;RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);PID控制器;波形復(fù)現(xiàn)

0引言

液壓伺服振動臺具有力重比高，負載剛度大和響應(yīng)快速等優(yōu)點，常用于模擬航空航天、汽車制造和民用建筑等領(lǐng)域的振動環(huán)境[1]。液壓伺服系統(tǒng)的強非線性特性，如伺服閥壓力流量非線性、執(zhí)行器摩擦非線性和環(huán)境干擾等非線性，嚴重制約了經(jīng)典PID控制器的控制性能。針對傳統(tǒng)PID控制器無法解決時變非線性擾動的缺點，本文采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實時調(diào)整PID控制器的參數(shù)，以確保液壓振動臺能夠準確復(fù)現(xiàn)給定波形。

1系統(tǒng)組成和數(shù)學模型的建立

液壓伺服振動臺的控制原理圖如圖1所示，主要有伺服放大器、電液伺服閥、液壓缸和位移傳感器組成。當控制指令信號電壓作用于系統(tǒng)時，液壓缸便產(chǎn)生位移，輸出位移經(jīng)過位移傳感器轉(zhuǎn)化為反饋電壓，與指令信號電壓比較后，得到偏差信號電壓。偏差信號經(jīng)伺服放大器、電液伺服閥傳到液壓缸活塞上，使輸出位移向著減小偏差的方向變化，直到輸出位移等于指令電壓所對應(yīng)的值為止[2]。

式中，為負載流量;為閥芯位移;為負載壓力;為流量增益;為流量壓力系數(shù)，為活塞面積;為活塞位移;為液壓缸兩腔的總?cè)莘e;為總的泄露系數(shù); 為油液的彈性模量，為活塞上的總質(zhì)量;為粘性阻尼系數(shù);k為負載彈簧剛度;為活塞上的任意外負載力。

由式（4）可以看出液壓伺服振動臺的響應(yīng)波形和液壓缸的活塞位移有關(guān)，活塞位移量可以通過控制計算機的電壓信號實現(xiàn)。但是振動臺運行過程中的非線性擾動和模型物理參數(shù)的變化，使得其輸出響應(yīng)不能很好地復(fù)現(xiàn)給定的輸入波形，這里采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制器相結(jié)合的方法來實時調(diào)整控制器的參數(shù)，提高控制系統(tǒng)的控制精度。

2 RBF-PID控制器的設(shè)計

在液壓伺服振動臺控制系統(tǒng)中，一般采用增量式PID控制器[3]。為了使振動臺能夠準確復(fù)現(xiàn)給定的波形，假設(shè)液壓缸活塞所要得到的位移量為，而實際位移量為，則測量誤差為。PID控制器的三項輸入分別為，，。

振動臺實際運行中，液壓伺服系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)會有所攝動，固定參數(shù)的PID控制器無法克服外界的擾動而得到穩(wěn)定的狀態(tài)，情況嚴重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)[4]。因此采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有輸入層、隱含層和輸出層三層結(jié)構(gòu)的前饋網(wǎng)絡(luò)，從輸入層空間到隱含層空間的變化是非線性的，而從隱含層空間到輸出層空間的變換是線性的。將PID控制器的三個參數(shù)作為輸入層，神經(jīng)元作為隱含層，控制器參數(shù)的雅克比信息可從RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中獲得[5]。

輸入層取為，隱含層的激勵函數(shù)為，為第個基函數(shù)的中心點，是自由參數(shù)，它決定基函數(shù)圍繞中心點的寬度。輸出層為，為高斯函數(shù)的輸出，為隱含層至輸出層的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。

為了驗證所提控制策略的跟蹤性能，分別比較PID控制器和RBF-PID控制器控制下階躍信號和正弦復(fù)合信號的波形復(fù)現(xiàn)精度。圖3和圖4分別給出了所提控制器對方波信號的復(fù)現(xiàn)結(jié)果和控制器參數(shù)的整定結(jié)果，其中方波信號的幅值和周期分別設(shè)定為1mm和5s。從圖3和圖4可以看出RBF-PID控制器具有較好的響應(yīng)速率和跟蹤精度，且控制器參數(shù)隨著參考信號的變化迅速收斂到穩(wěn)定狀態(tài)。圖5正弦復(fù)合信號波形復(fù)現(xiàn)結(jié)果，從圖5可以看出RBF-PID控制器與PID控制器相比具有更好的波形復(fù)現(xiàn)精度。上述仿真結(jié)果表明設(shè)計的RBF-PID控制器能夠較好跟蹤給定曲線，削弱系統(tǒng)非線性參數(shù)的影響。

4結(jié)語

針對液壓伺服振動臺的波形復(fù)現(xiàn)問題，設(shè)計了一種RBF-PID控制器，充分利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)整定PID控制器的參數(shù)，削弱系統(tǒng)非線性參數(shù)所帶來的不利影響。仿真結(jié)果表明所提控制策略可以克服液壓系統(tǒng)的非線性影響，且具有快速響應(yīng)、抗外部干擾的控制效果。

參考文獻

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