模糊切換在泵閥并聯(lián)電液伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

宋亦靜，柏艷紅，趙志誠，吳斌

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 前言

電液伺服控制系統(tǒng)有閥控和泵控兩種基本回路類型，前者動態(tài)響應(yīng)快、精度高，但能效低；后者能效高，但動態(tài)響應(yīng)慢、精度低。大型重載長行程單出桿液壓缸控制系統(tǒng)要求控制系統(tǒng)響應(yīng)快、控制精度高，泵控系統(tǒng)難以滿足要求，所以目前仍采用閥控技術(shù)。但閥控技術(shù)帶來的問題是系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重，需要附加復(fù)雜的冷卻系統(tǒng);長時間運行，系統(tǒng)的能耗也非常大。針對該問題，本文作者提出可以兼顧高性能和高能效的泵閥并聯(lián)控制回路，但是在泵和閥兩個回路切換的過程中存在沖擊。

為解決各類系統(tǒng)中存在的沖擊問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者對模糊切換進行了研究。姜慶豐和曾文杰將模糊切換應(yīng)用于多模型的壓水堆堆芯功率開關(guān)控制，使系統(tǒng)抗擾能力更強，取得了良好的控制效果。史爽將模糊控制理論應(yīng)用于時間依賴信號的切換控制中,使切換更加靈活，適應(yīng)性更強。單文桃和王鑫將模糊滑模切換控制應(yīng)用于表貼式永磁同步電主軸的控制，有效抑制了定子電流振蕩以及電磁轉(zhuǎn)矩脈動，并且使參數(shù)調(diào)節(jié)更加便捷。崔鑫等人將模糊切換應(yīng)用于機械臂滑?？刂破?，對抖動有很好的消除作用，并且具有更優(yōu)的控制性能。焦尚彬等在高頻開關(guān)電源的控制中應(yīng)用了模糊切換，通過模糊控制減弱了抖振，同時保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。XIE等提出一種新的多瞬間模糊切換控制器，提高了對不可靠通信信道的適應(yīng)性。汪洪波等針對電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，提出了一種模糊切換控制策略，并設(shè)置了模糊切換控制器，實現(xiàn)了多種模式的平滑切換，進一步提高了系統(tǒng)性能。FU等將模糊切換控制器應(yīng)用于主動/半主動混合隔離系統(tǒng)，有效地抑制了振動。

為減小并聯(lián)回路切換過程對系統(tǒng)的沖擊，本文作者設(shè)計協(xié)調(diào)控制策略并建立模糊切換控制器，以減小切換時的沖擊，進一步提高系統(tǒng)的性能和效能，并進行仿真驗證。

1 泵閥并聯(lián)回路結(jié)構(gòu)和控制方案

1.1 泵閥并聯(lián)回路結(jié)構(gòu)

針對重載、長行程單出桿液壓缸應(yīng)用場合，提出將閥控回路與泵控回路并聯(lián)驅(qū)動的回路原理，取長補短，使系統(tǒng)兼?zhèn)浔每叵到y(tǒng)的節(jié)能高效和閥控系統(tǒng)的高動態(tài)響應(yīng)、高精度的優(yōu)點。所提出的閥控回路和泵控回路并聯(lián)驅(qū)動回路原理如圖1所示。

圖1 泵閥并聯(lián)驅(qū)動非對稱缸回路

在液壓缸運動過程中，以泵控回路為主、閥控回路為輔；泵控回路提供主要流量，完成回路的主控制，閥控回路提供較小流量，完成回路的定位調(diào)節(jié)。并聯(lián)回路系統(tǒng)在工作時，雙向定量泵的流量調(diào)節(jié)可以通過改變伺服電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，伺服閥的流量調(diào)節(jié)通過改變閥的開口度來實現(xiàn)。泵閥并聯(lián)回路可以實現(xiàn)以泵控回路、閥控回路、泵閥并聯(lián)回路等多種回路進行控制。

1.2 回路控制方案

在液壓缸運動過程中，泵控回路和閥控回路分別通過PID控制。在兩種回路切換的過程中，以泵控閉式回路為主、閥控開式回路為輔為原則，設(shè)計模糊切換策略如圖2所示，主要包括：回路切換策略、泵和閥各回路的PID控制、單出桿缸泵閥并聯(lián)驅(qū)動回路。其中，單出桿缸泵閥并聯(lián)驅(qū)動回路中僅畫出主要部分。

圖2中，由液壓缸桿的位移偏差和速度作為切換判斷條件，進而根據(jù)模糊切換得出兩個回路的切換系數(shù)，即泵控系數(shù)和閥控系數(shù)。通過切換系數(shù)與PID控制信號相乘，得出回路控制信號。泵控系數(shù)與閥控系數(shù)的和為1，當(dāng)泵控系數(shù)為1時，閥控系數(shù)為0，此時只有泵控回路工作；同理,當(dāng)閥控系數(shù)為1時只有閥控回路工作統(tǒng)；當(dāng)泵控系數(shù)和閥控系數(shù)都在0～1之間時,泵閥回路共同工作。

圖2 泵閥并聯(lián)回路控制方案

2 模糊切換控制器設(shè)計

協(xié)調(diào)控制策略為：位移偏差大且速度大時，系統(tǒng)中的泵控回路工作；位移偏差小或速度小時，系統(tǒng)中的閥控回路工作；在泵閥回路切換的過程中，兩個回路共同工作且逐漸向主要工作回路過渡。

本文作者根據(jù)回路的協(xié)調(diào)控制策略和模糊控制器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計如圖3所示的模糊切換控制器。此控制器設(shè)計包括兩個部分：(1)模糊控制算法的離線計算。該過程在MATLAB中離線計算編程實現(xiàn)，根據(jù)經(jīng)典的二維模糊控制器結(jié)構(gòu)，以位移偏差和液壓缸桿的速度作為輸入，通過模糊化、模糊推理和解模糊獲得模糊控制表。(2)在線模糊控制表查詢。在實際控制時，根據(jù)模糊量化后得到的輸入值，直接查詢這張控制表，從而得到相應(yīng)的輸出控制量回路切換系數(shù)，乘以比例因子，得到最終的輸出量，并用此輸出量控制泵控回路和閥控回路的切換。

圖3 模糊控制器

3 仿真分析

利用AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真對所提出的模糊切換控制進行仿真驗證。在AMESim和MATLAB中搭建泵控系統(tǒng)和控制算法的仿真模型，如圖4所示。

圖4 AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真模型

在仿真框圖中，SC_1和SC_2分別為泵控回路和閥控回路的PID控制器。AMESim中液壓缸桿的位移偏差和速度分別作為MATLAB模型的輸入，MATLAB中根據(jù)模糊切換控制器得出的控制變量作為AMESim模型的輸入，為泵控回路和閥控回路的切換系數(shù)。

在AMESim仿真模型中主要元件的參數(shù)：泵的排量為1 L/r，液壓缸端口總載質(zhì)量為10 000 kg，液壓缸的活塞直徑為0.25 m，液壓缸的桿直徑為0.18 m，液壓缸的行程長度為3 m。在MATLAB/Simulink中：=110、=60、=1/12。分別對系統(tǒng)應(yīng)用直接切換和模糊控制切換進行仿真，并分析切換時的相關(guān)曲線。

3.1 沖擊分析

圖5所示為采用2種切換時的沖擊分析結(jié)果。

圖5 沖擊分析

在=5.45 s時，閥控向泵控切換。圖5(a)中液壓缸在直接切換下有一個增大的值為16.2 MPa的壓力沖擊，模糊切換下沒有沖擊；圖5(b)中電機扭矩在直接切換下有一個增大的值為170 N·m的沖擊，模糊切換下沒有沖擊；圖5(c)中伺服閥流量在直接切換下有一個增大的值為56.5 L/min的沖擊，模糊切換下有增大的值為24.6 L/min的沖擊，沖擊明顯減小。

在=15.21 s時，泵控向閥控切換。圖5(a)中液壓缸在直接切換下有一個減小的值為3.2 MPa的壓力沖擊，模糊切換下沒有沖擊；圖5(b)中電機扭矩在直接切換下有一個增大的值為27.5 N·m的沖擊，模糊切換下沒有沖擊；圖5(c)中伺服閥流量在直接切換下有一個增大的值為60.9 L/min的沖擊，模糊切換下有增大的值為26.9 L/min的沖擊，沖擊明顯減小。

因此，模糊控制切換可以有效減小系統(tǒng)中液壓缸、電機和伺服閥的沖擊。

3.2 響應(yīng)性能分析

圖6所示為采用不同切換時的位移跟蹤曲線和液壓缸桿的速度曲線。在5～5.7 s，液壓缸由靜止開始運動，系統(tǒng)由閥控向泵控切換；在16～22 s，液壓缸由運動到靜止，系統(tǒng)由泵控向閥控切換。

圖6 響應(yīng)性能分析結(jié)果

由圖6可知：在泵閥回路切換的過程中，模糊切換下的位移跟蹤精度更高、切換響應(yīng)速度更快，模糊切換可以提高回路在切換過程中的性能。

3.3 系統(tǒng)效能分析

圖7所示為系統(tǒng)效率對時間積分的曲線?？芍?35 s時,直接切換和模糊切換下系統(tǒng)效率的積分分別為896.2和875.1，模糊切換可以進一步提高系統(tǒng)效能。

圖7 效率積分

4 結(jié)論

本文作者以泵閥并聯(lián)控制回路為研究對象，為解決回路切換時的沖擊問題，設(shè)計了模糊切換控制器。相較于直接切換，該方法減小了切換過程中回路壓力、電機扭矩、伺服閥流量的沖擊，同時在一定程度上，進一步提高了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能和系統(tǒng)效能，具有良好的控制效果，且有一定的工程應(yīng)用價值。