基于PS0的模糊PID與自抗擾耦合控制的調(diào)平系統(tǒng)仿真研究

徐鳳乾　田勇　王天義

關(guān)鍵詞：載重平臺(tái)；液壓同步控制；聯(lián)合仿真；優(yōu)化算法

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）36-0008-04

隨著我國(guó)工業(yè)化建設(shè)的不斷發(fā)展，液壓調(diào)平控制系統(tǒng)的研究得到逐步完善，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域[1]。隨著工作對(duì)象對(duì)調(diào)平控制的要求越來(lái)越高，液壓控制系統(tǒng)不僅需要具有較好的安全性和穩(wěn)定性，還應(yīng)具備高精度和高效率[2]。

截至目前，模糊PID 已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，雖然被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，但是依舊存在精度低等亟待解決的問(wèn)題[3-4]，尤其是當(dāng)遇到單輸入多輸出以及多輸入多輸出等復(fù)雜的系統(tǒng)模型時(shí)，傳統(tǒng)的模糊PID效果很不理想，具有較大的動(dòng)態(tài)誤差。因此，因此本文提出了一種基于PSO的模糊PID與自抗擾耦合控制，能很大程度地彌補(bǔ)模糊PID的控制缺陷。并采用AMESim與Simulink聯(lián)合仿真的方法，對(duì)載重平臺(tái)液壓調(diào)平控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出在不同控制策略下系統(tǒng)的性能對(duì)比分析，驗(yàn)證了基于PS0的模糊PID與自抗擾耦合控制在優(yōu)化液壓載重平臺(tái)調(diào)平跟蹤誤差的有效性。

1 調(diào)平方案設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)平系統(tǒng)液壓回路

本文采用電液伺服閥通過(guò)液控單向閥控制液壓缸的方式。調(diào)平系統(tǒng)液壓回路如圖1所示。

1.2 調(diào)平策略分析

調(diào)平策略就是通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)液壓支撐而使載重平臺(tái)達(dá)到水平或者平行于工作面的控制策略[5]，為了便于分析和研究，將載重平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)化并建立空間直角坐標(biāo)系，如圖2所示。中心點(diǎn)跟隨是目前使用最多的調(diào)平策略，它在調(diào)平過(guò)程中整體調(diào)平行程短，其原理是液壓載重平臺(tái)始終保持中心點(diǎn)位置不變，中心點(diǎn)位置即為載重平臺(tái)的幾何中心。跟隨動(dòng)作如圖3所示：

3.2 自抗擾控制原理

自抗擾控制器主要由微分跟蹤器、校正反饋控制器和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器三個(gè)部分組成，它的工作原理圖如下圖6所示。其中非微分跟蹤器可以提取輸入信號(hào)v 并降噪，具有較強(qiáng)的抗干擾能力；非線性校正反饋控制器（NLSEF）可以減少系統(tǒng)對(duì)控制過(guò)程中產(chǎn)生干擾的敏感性，可以隨時(shí)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)響應(yīng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器主要是用來(lái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)未建模部分可能產(chǎn)生的外部未知擾動(dòng)，然后提前抵消擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反饋。

3.3 基于Simulink 搭建耦合控制模型

將基于PSO的模糊PID控制與自抗擾進(jìn)行耦合控制，并在Simulink中搭建控制模型如圖7所示。

4 系統(tǒng)聯(lián)合仿真

為了探究基于PSO的模糊PID與自抗擾耦合控制與傳統(tǒng)模糊PID控制的穩(wěn)定性區(qū)別，將基于PSO的模糊PID與自抗擾耦合控制下的液壓調(diào)平系統(tǒng)分別進(jìn)行階躍信號(hào)測(cè)試和正弦信號(hào)測(cè)試，并對(duì)傳統(tǒng)模糊PID控制下的跟隨曲線進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 階躍信號(hào)下控制結(jié)果對(duì)比

當(dāng)期望信號(hào)為階躍信號(hào)時(shí)，用傳統(tǒng)的模糊PID控制和基于PSO的模糊PID與自抗擾耦合控制分別對(duì)液壓調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行控制，將兩種控制下液壓缸的位移曲線與期望曲線進(jìn)行對(duì)比，如下圖8所示，可以看出，在0s-5s左右，兩種控制下的液壓缸位移保持一致，接著在5s-10s，可以看出在PSO-PID的控制下，液壓缸位移更加快速地接近于缸位移期望值。

為了更明顯地觀察兩種控制下的液壓缸跟蹤誤差，將兩種控制下的液壓缸位移與缸位移期望值進(jìn)行比較，得出跟蹤誤差值，并截取有明顯區(qū)別的5s-13s 區(qū)間，如圖9所示。

可以看出，在PSO-PID控制下系統(tǒng)運(yùn)行7.5s就能保證誤差小于0.5mm，在Fuzzy PID控制下則需要9s，節(jié)省了1.5s 的跟蹤時(shí)間。這說(shuō)明當(dāng)期望值為階躍信號(hào)的情況下，基于PSO的模糊PID與自抗擾耦合控制比傳統(tǒng)的模糊PID控制具有更小的跟蹤誤差和更快的響應(yīng)。

4.2 正弦信號(hào)下控制結(jié)果對(duì)比

當(dāng)期望信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)，用傳統(tǒng)的模糊PID控制和基于PSO的模糊PID與自抗擾耦合控制分別對(duì)液壓調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行控制，將兩種控制下液壓缸的位移曲線與期望曲線進(jìn)行對(duì)比，如下圖10所示。可以看出在0s-6s，兩種控制下的液壓缸位移保持一致，接著在6s-15s，可以看出在PSO-PID的控制下，液壓缸位移更加快速的接近于缸位移期望值。

為了更明顯地觀察兩種控制下的液壓缸跟蹤誤差，將兩種控制下的液壓缸位移與缸位移期望值進(jìn)行比較得出跟蹤誤差值，并截取有明顯區(qū)別的6s-16s區(qū)間，如圖11所示：

可以看出，在6s-16s區(qū)間內(nèi)，PSO-PID控制策略下的系統(tǒng)運(yùn)行誤差始終小于1.5mm，在Fuzzy PID控制下則達(dá)到了3mm的誤差值。這說(shuō)明當(dāng)期望值為正弦信號(hào)的情況下，基于PSO的模糊PID與自抗擾耦合控制比傳統(tǒng)的模糊PID控制的跟蹤誤差約降低了50%。

5結(jié)論

本文以液壓載重平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)平臺(tái)的調(diào)平和控制策略進(jìn)行研究。隨著目標(biāo)對(duì)精度和效率的要求越來(lái)越高，對(duì)平臺(tái)的效率、穩(wěn)定性和通用性也提出了新要求。針對(duì)目前的液壓調(diào)平系統(tǒng)存在非對(duì)稱性誤差、調(diào)平策略單一和控制容易陷入局部最優(yōu)等問(wèn)題。以AMESim與Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)為載體，通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)、調(diào)平策略和控制等多角度分析和優(yōu)化，提出了一種基于PSO的模糊PID和自抗擾耦合控制的液壓調(diào)平系統(tǒng)。從以上分析可以得出，基于PSO的模糊PID與自抗擾耦合控制比Fuzzy PID控制具有更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性、更快的速度響應(yīng)和更小的位移跟蹤誤差。能夠有效地降低同步誤差以及速度振蕩的問(wèn)題，有助于推進(jìn)工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展朝著精密化的方向發(fā)展，對(duì)后續(xù)的研究和生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。