基于非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ǖ亩喔滓簤涸O(shè)備同步控制研究

朱傳同，苑得鑫，李卓軍

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)石油工業(yè)培訓(xùn)中心(華東)，山東 青島 266580)

0 引言

隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜程度的不斷提高，及現(xiàn)代工業(yè)制造水平的持續(xù)改進(jìn)，液壓設(shè)備和液壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。多缸液壓設(shè)備的結(jié)構(gòu)較為緊湊、占用安裝空間小，在整體性能和綜合負(fù)載能力等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)單缸液壓系統(tǒng)。但多缸液壓設(shè)備在使用中需要保持幾個(gè)缸體活塞的同步運(yùn)行，因此液壓同步控制系統(tǒng)是多缸液壓控制系統(tǒng)的核心組成部分之一[1-2]。多缸液壓控制系統(tǒng)工作時(shí)，要求具體的執(zhí)行元器件必須保持相同的旋轉(zhuǎn)角度、位移和移動(dòng)速度，以避免各級(jí)缸體之間由于負(fù)載的差異過(guò)大而發(fā)生碰撞。對(duì)于設(shè)備的液壓系統(tǒng)而言，所提供的壓力和流量的準(zhǔn)確程度，決定了整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)的集成化程度越來(lái)越高，每一臺(tái)設(shè)備的穩(wěn)定與否都會(huì)影響到其他設(shè)備和整個(gè)加工系統(tǒng)的精度。鑒于液壓系統(tǒng)對(duì)設(shè)備高精度控制過(guò)程會(huì)產(chǎn)生重要影響，因此提高對(duì)多缸液壓系統(tǒng)的控制水平就變得極為關(guān)鍵。

關(guān)于多缸液壓設(shè)備同步控制研究，現(xiàn)階段以PID控制方向?yàn)橹?，該種方案作為一種最經(jīng)典的機(jī)械設(shè)備控制模式，也是最早發(fā)展起來(lái)的基本控制方案之一，經(jīng)典PID控制算法的優(yōu)勢(shì)在于控制方案簡(jiǎn)潔、高效、魯棒性強(qiáng)及可靠性較高[3]，被廣泛應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)企業(yè)設(shè)備控制和過(guò)程控制當(dāng)中。文獻(xiàn)[4]提出一種經(jīng)過(guò)參數(shù)權(quán)重優(yōu)化的PID控制算法，改善了比例、積分和微分控制量的權(quán)重比例，提升控制系統(tǒng)的同步性。但隨著機(jī)械設(shè)備大型化、精密化和復(fù)雜化時(shí)代的到來(lái)，該種控制方案的控制精度和適應(yīng)能力都略顯不足，各種以微分、積分和比例控制為內(nèi)核的改進(jìn)算法、優(yōu)化算法和融合算法開(kāi)始大量地出現(xiàn)；文獻(xiàn)[5]提出一種模糊PID控制算法，以控制誤差集誤差的增量為輸入項(xiàng)，并運(yùn)用模糊規(guī)則和模糊推理優(yōu)化模型參數(shù)，可以改善和提升經(jīng)典算法的控制精度。而多缸液壓系統(tǒng)屬于非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但模糊控制算法未加入非線(xiàn)性控制模型，無(wú)法針對(duì)多缸液壓系統(tǒng)做專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化和控制，容易引起重型工程機(jī)械中的機(jī)、電、液一體化關(guān)系嚴(yán)重失衡，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)品加工精度的降低。

現(xiàn)階段，在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和信息通信技術(shù)的共同推動(dòng)下，各種新興的控制算法和控制模式層出不窮，以自動(dòng)化控制[6]、自適應(yīng)控制[7]及仿生控制[8]等為中心的研究方向，逐漸成為了控制領(lǐng)域內(nèi)新的研究特點(diǎn)?；诖耍疚尼槍?duì)多缸液壓系統(tǒng)的非線(xiàn)性變化特征及傳統(tǒng)模糊PID算法存在的不足，提出一種基于非線(xiàn)性滑?？刂扑惴ǖ亩喔淄娇刂品桨福？刂凭哂须S時(shí)間變化而切換控制方式的特點(diǎn)，可以有效應(yīng)對(duì)加速度、速度、位移差三項(xiàng)物理量的非線(xiàn)性時(shí)變關(guān)系，從而進(jìn)一步降低液壓系統(tǒng)的同步控制偏差。

1 多缸液壓設(shè)備的非線(xiàn)性模糊滑模控制算法

多缸液壓設(shè)備非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ǖ膶?shí)現(xiàn)，需要借助模糊控制器和模糊推理規(guī)則，對(duì)控制特性進(jìn)行建模分析；再聯(lián)合滑模收斂性條件，建立非線(xiàn)性控制切換函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多缸液壓設(shè)備的高精度控制。

1.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與控制原理

多缸液壓控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，模糊控制系統(tǒng)主要由同步控制響應(yīng)模塊、液壓執(zhí)行設(shè)備、指令輸入、指令輸出等多個(gè)結(jié)構(gòu)體共同組成，其中模糊控制器是整個(gè)同步液壓控制系統(tǒng)中最為核心的部分，控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

由于被控液壓缸設(shè)備的大部分參數(shù)都是未知或難以被確定的，這也就直接造成無(wú)法對(duì)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確描述，在設(shè)計(jì)模糊控制器結(jié)構(gòu)時(shí)也就容易導(dǎo)致偏差，從而難以得到理想化的同步控制效果。而模糊控制器的優(yōu)勢(shì)在于可將精確的輸入信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為模糊的輸出信號(hào)，能夠在保持滑?？刂仆评硪?guī)則的基礎(chǔ)上，進(jìn)行最后的同步輸出判決，并可把數(shù)模轉(zhuǎn)換處理后的所有信息全部默認(rèn)為反饋信號(hào)。

模糊控制模塊是控制系統(tǒng)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)接收信號(hào)和發(fā)送指令，并液壓信號(hào)輸入指令作為控制模塊的輸入量。相關(guān)指令進(jìn)入到多級(jí)液壓缸之前，還要經(jīng)過(guò)滑模系數(shù)的優(yōu)選和控制。在過(guò)程控制中，由于模型模糊隸屬度函數(shù)的差異性選擇，會(huì)導(dǎo)致控制模塊的隸屬度和輸出項(xiàng)的隸屬度值產(chǎn)生改變。多級(jí)液壓缸的同步控制依賴(lài)于模糊控制規(guī)則的制定，模糊規(guī)模的制定一方面會(huì)影響到對(duì)輸出項(xiàng)的控制精度，另一方面有效的模糊規(guī)則也會(huì)影響到對(duì)液壓設(shè)備的控制效率。本文基于專(zhuān)家法制定模糊規(guī)則，具體如表1所示。

表1 模糊控制器模塊的規(guī)則制定

將液壓輸入項(xiàng)Pin，液壓輸出項(xiàng)Pout和模糊規(guī)則狀態(tài)量都劃分為5個(gè)等級(jí)，即{NB，NS，ZO，PS，PB}，但每個(gè)選項(xiàng)的模糊隸屬度值不同。如表1所示，每個(gè)橫坐標(biāo)和每個(gè)縱坐標(biāo)都對(duì)應(yīng)一個(gè)具體的規(guī)則屬性，當(dāng)模糊隸屬度的值不同時(shí)輸入值和隸屬度值，會(huì)對(duì)液壓設(shè)備的輸出結(jié)果產(chǎn)生差異化的影響。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多缸液壓設(shè)備的模糊控制，根據(jù)模糊原理制定的模糊規(guī)則應(yīng)具備可執(zhí)行性，模糊推理輸出的結(jié)果必須為一個(gè)特定數(shù)值。由于多缸液壓設(shè)備的輸出項(xiàng)的模糊隸屬度集合無(wú)法滿(mǎn)足推理結(jié)果未特定值的要求，因此需要采用特定的方法將輸出項(xiàng)的模糊隸屬度集合進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本文采用重心反模糊化的方法得到對(duì)應(yīng)的確切數(shù)值，重心法的原理是先求出輸出項(xiàng)模糊隸屬度函數(shù)集合對(duì)應(yīng)面積，計(jì)算應(yīng)用模糊規(guī)則推理后對(duì)應(yīng)模糊隸屬度集合的面積重心，再利用面積重心所對(duì)應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)橫坐標(biāo)值替代液壓輸出的實(shí)際值，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出結(jié)果數(shù)值化處理。

1.2 控制特性建模

由于實(shí)際控制需求的存在，必須要用非線(xiàn)性模糊滑?？刂破髯陨淼奶厥夥绞?，來(lái)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行描述，這也對(duì)滑?？刂圃膽?yīng)用穩(wěn)定性造成了較大困擾。采用傳統(tǒng)模糊PID語(yǔ)言規(guī)則構(gòu)建的滑模控制系統(tǒng)很難保證非線(xiàn)性模糊元件的穩(wěn)定性與魯棒性，然而滑模結(jié)構(gòu)體自身在非線(xiàn)性控制方面所具備的穩(wěn)定性與魯棒性等級(jí)卻相對(duì)較高。所以考慮用控制特性建模條件約束非線(xiàn)性模糊滑模，并結(jié)合該元件在穩(wěn)定性與魯棒性方面的實(shí)用優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多缸液壓設(shè)備同步系統(tǒng)的有效控制。設(shè)A1代表模糊滑模元件的穩(wěn)定性控制系數(shù)，A2代表模糊滑模元件的魯棒性控制系數(shù)，聯(lián)立上述物理量可將基于非線(xiàn)性的多缸液壓設(shè)備同步系統(tǒng)控制特性建模條件表示為：

(1)

式中，A為穩(wěn)定性控制系數(shù)與魯棒性控制系數(shù)的均值，β1為基于穩(wěn)定性控制的非線(xiàn)性模糊滑模建模特征量，β2為基于魯棒性控制的非線(xiàn)性模糊滑模建模特征量。

1.3 滑模收斂性分析

在了解被控多缸液壓設(shè)備在什么條件下滿(mǎn)足同步控制需求的收斂性，然后再設(shè)計(jì)合適的滑?？刂扑惴ㄊ沟猛较到y(tǒng)和非線(xiàn)性控制元件之間的收斂性需求得到滿(mǎn)足，這就是模糊滑模的控制收斂性。任何控制方法的順利實(shí)施都離不開(kāi)滿(mǎn)足收斂性條件的應(yīng)用前提，非線(xiàn)性模糊滑?？刂频淖钪匾獑?wèn)題就是收斂能力協(xié)調(diào)，只有在有限的時(shí)間環(huán)境下，控制多缸液壓設(shè)備系統(tǒng)得到真實(shí)收斂值，才能使滑?？刂扑惴ǖ膽?yīng)用有實(shí)際意義。設(shè)χ代表與非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ㄏ嚓P(guān)的系統(tǒng)收斂性協(xié)調(diào)系數(shù)，聯(lián)立公式(1)，可將模糊滑模的收斂性分析結(jié)果表示為：

(2)

1.4 非線(xiàn)性控制的切換函數(shù)

切換函數(shù)的數(shù)量級(jí)是根據(jù)多缸液壓設(shè)備同步控制系統(tǒng)的維度來(lái)決定的，系統(tǒng)是幾維的其所對(duì)應(yīng)切換函數(shù)就有幾個(gè)?；诜蔷€(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ǖ那袚Q函數(shù)通常是單值連續(xù)型存在函數(shù)，若函數(shù)的原始系數(shù)可分解為幾個(gè)連續(xù)的向量指標(biāo)，則任何一個(gè)控制實(shí)值都可直接決定一個(gè)非線(xiàn)性滑模面組織[10]。設(shè)k1、k2、…、kn分別代表n個(gè)不同的非線(xiàn)性模糊滑模原始受控系數(shù)，聯(lián)立公式(2)，可將多缸液壓設(shè)備同步系統(tǒng)的非線(xiàn)性控制條件定義為：

(3)

式中，λ代表既定提取系數(shù)。定義J0為非線(xiàn)性模糊滑模算法的原始切換值，Jn為為非線(xiàn)性模糊滑模算法的最終切換值，聯(lián)立公式(3)，可將基于非線(xiàn)性控制的多缸液壓設(shè)備同步系統(tǒng)切換函數(shù)定義為：

(4)

2 同步控制策略

在非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ǖ闹С窒?，建立比例放大器數(shù)學(xué)模型，借助液壓缸與負(fù)載力平衡方程，處理多級(jí)液壓缸之間的換級(jí)關(guān)系，再計(jì)算液壓設(shè)備的同步速度，利用已成型的節(jié)流緩沖控制條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)多缸液壓設(shè)備的同步控制。

2.1 比例放大器的數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，為多缸液壓設(shè)備比例放大器的原理結(jié)構(gòu)框圖，包括等比放大器、比例磁鐵、主滑閥、先導(dǎo)滑閥四個(gè)組成元件。其中，等比放大器的好壞對(duì)多缸液壓設(shè)備同步受控能力的影響程度最大，在非線(xiàn)性模糊滑模算法的執(zhí)行過(guò)程中起到了決定性的作用，可通過(guò)調(diào)節(jié)輸入液壓信號(hào)的大小值，來(lái)改變輸出液壓信號(hào)的實(shí)際方向，后續(xù)元件中液壓信號(hào)的傳輸大小比例也由該結(jié)構(gòu)直接控制[11]。

圖2 多缸液壓設(shè)備比例放大器原理結(jié)構(gòu)框圖

比例放大器在多缸液壓設(shè)備同步控制中起到驅(qū)動(dòng)裝置與控制裝置的作用，其功能在于借助非線(xiàn)性傳輸信號(hào)，對(duì)滑模元件進(jìn)行處理，從而滿(mǎn)足主控機(jī)的實(shí)際應(yīng)用要求。比例放大器設(shè)備的連接，可以不考慮任何一階滯后性因素，因?yàn)樗鼘?duì)多缸液壓設(shè)備響應(yīng)特性的影響能力相對(duì)較小，而固有頻率卻遠(yuǎn)高于滑閥等控制應(yīng)用元件[12]。設(shè)ε代表比例放大器的固有頻率系數(shù)，聯(lián)立公式(4)，可將與該元件相關(guān)的數(shù)學(xué)模型定義為：

(5)

2.2 液壓缸與負(fù)載力的平衡方程

假如設(shè)定液壓缸的各級(jí)連接管道粗而短，可以使管道內(nèi)的控制計(jì)算過(guò)程得到簡(jiǎn)化，并且可以認(rèn)為液壓管道內(nèi)由于滑?？刂贫a(chǎn)生的動(dòng)態(tài)能量損失以及壓力損失量極少，甚至可以直接忽略不計(jì)。其中，多級(jí)液壓缸所有工作腔內(nèi)的控制壓力處處相等，液壓平面的體積彈性模量與油液溫度值始終保持為物理常數(shù)[13-14]。外部負(fù)載力直接作用于液壓負(fù)載設(shè)備，且可在不違背非線(xiàn)性模糊滑模控制算法的情況下，全部轉(zhuǎn)送主缸體，并于其中不斷循環(huán)，直至主缸體、一級(jí)缸、二級(jí)缸設(shè)備中的負(fù)載力條件完全相等。規(guī)定R0為初始負(fù)載條件下的液壓缸平衡作用力，Rn為終止負(fù)載條件下的液壓缸平衡作用力，由于n個(gè)不同非線(xiàn)性模糊化滑模原始受控系數(shù)的存在，Rn>R0的數(shù)值條件恒成立，聯(lián)立公式(5)，可將液壓缸與負(fù)載力的平衡方程定義為：

(6)

式中，η為基于比例放大器數(shù)學(xué)模型的負(fù)載力施加條件，θ為同步性控制條件下的外界負(fù)載力作用系數(shù)。

2.3 多級(jí)液壓缸換級(jí)

由于主液壓缸位于多缸液壓設(shè)備元件最中心，外側(cè)均勻分布多個(gè)次級(jí)缸體結(jié)構(gòu)，所以在實(shí)際控制過(guò)程中，負(fù)載力必須在遵循非線(xiàn)性模糊滑?？刂菩枨蟮耐瑫r(shí)，呈現(xiàn)逐漸遞減的分布狀態(tài)，也就是所謂的多級(jí)液壓缸換級(jí)處理。不同于以往的單級(jí)液壓缸換級(jí)，多級(jí)液壓缸換級(jí)的同步控制特性更為復(fù)雜，可在非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ǖ淖饔孟?，對(duì)缸體造成一定的液壓性沖擊，從而使得主液壓缸結(jié)構(gòu)體的負(fù)載承受能力不斷下降[15]。為避免上述情況的發(fā)生，多級(jí)液壓缸換級(jí)處理需要同時(shí)涉及節(jié)流緩沖、運(yùn)動(dòng)分析、同步速度計(jì)算等多個(gè)處理環(huán)節(jié)，一方面遵循液壓缸與負(fù)載力平衡方程的約束需求，另一方面確定一級(jí)缸、二級(jí)鋼、主缸體等多個(gè)元件結(jié)構(gòu)之間的抗壓承載能力[16]。設(shè)ΔE代表液壓缸負(fù)載力在單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)際變化量，p1、p2分別代表兩個(gè)不同的液壓缸設(shè)備同步換級(jí)處理?xiàng)l件，在非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ǖ挠绊懴?，規(guī)定p2>p1的物理限定條件恒成立。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(5)，可將多級(jí)液壓缸的同步換級(jí)條件定義為：

(7)

其中：φ代表既定的多缸液壓設(shè)備外界負(fù)載力承擔(dān)條件。

2.4 液壓設(shè)備同步速度計(jì)算

(8)

2.5 節(jié)流緩沖控制條件

節(jié)流緩沖控制條件設(shè)置是多缸液壓設(shè)備同步控制的必要實(shí)踐環(huán)節(jié)，該步驟的關(guān)鍵實(shí)施原理是基于非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ǖ囊簤航Y(jié)構(gòu)體參數(shù)模式規(guī)劃，可在保證元件參數(shù)設(shè)置結(jié)果的同時(shí)，針對(duì)同步速度值進(jìn)行深入計(jì)算(具體數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示)[19-20]。因此，在實(shí)施節(jié)流緩沖控制條件設(shè)置時(shí)，需要根據(jù)多缸液壓設(shè)備所處的連接形式，對(duì)相關(guān)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使算法的實(shí)際應(yīng)用能力得以保障。

表2 節(jié)流緩沖控制數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系

保持節(jié)流緩沖控制系數(shù)與關(guān)聯(lián)數(shù)值之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ǖ闹С窒?，實(shí)現(xiàn)多缸液壓設(shè)備同步控制策略的順利應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與數(shù)據(jù)集的采集

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，測(cè)試本文提出的非線(xiàn)性滑?？刂扑惴ǖ膶?shí)際應(yīng)用效果，實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)臺(tái)布置，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)

多缸液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如表3所示。

表3 多缸液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)用的仿真軟件選擇AMESim軟件，應(yīng)用該軟件聯(lián)合非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ㄅc模糊PID算法，給多缸液壓設(shè)備加上同步性控制約束，從而調(diào)節(jié)相關(guān)元件之間的應(yīng)用性能。在350 s運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)，分別采集4個(gè)液壓缸的運(yùn)動(dòng)加速度樣本、速度樣本和位移差樣本，具體樣本分別情況，如表4～6所示(為了便于液壓工作數(shù)據(jù)分組處理，及避免單一數(shù)據(jù)集的規(guī)模過(guò)大，將所有的液壓缸運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)樣本共分為10個(gè)組)：

表4 多缸液壓設(shè)備的加速度樣本數(shù)量分布

表5 多缸液壓設(shè)備的加速度樣本數(shù)量分布

表6 多缸液壓設(shè)備的位移差樣本數(shù)量分布

3.2 控制指標(biāo)對(duì)比分析

將全部樣本輸入到AMESim軟件中，并利用本文設(shè)計(jì)的非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ǎ醇尤肟刂颇Ｐ偷目刂扑惴ê湍：齈ID控制算法，仿真出各種算法對(duì)多缸液壓設(shè)備的仿真結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于液壓缸升降誤差等條件的影響，加速度、速度、位移差三項(xiàng)指標(biāo)均會(huì)出現(xiàn)明顯偏移的變化情況。如圖5所示，是加入非線(xiàn)性模糊滑模控制算法、模糊PID算法和未加入控制模型情況下，各液壓缸設(shè)備同步加速度的實(shí)際變化曲線(xiàn)。在350 s仿真時(shí)間周期內(nèi)，模糊PID算法和未加入控制的模型于225 s時(shí)刻都出現(xiàn)了異常加速波動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響到四個(gè)液壓缸體的同步性。而非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ǖ目刂品€(wěn)定性要顯著優(yōu)于，兩種傳統(tǒng)算法模型。

圖5 加速度變化曲線(xiàn)

圖5所示為加入非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴ā⒛：齈ID算法和未加入控制模型情況下，各液壓缸設(shè)備同步速度的實(shí)際變化曲線(xiàn)。加速度的變化會(huì)影響到速度的變化，而且加速度的不穩(wěn)定往往會(huì)對(duì)速度變化產(chǎn)生更為嚴(yán)重的影響。圖5中在不同時(shí)點(diǎn)出現(xiàn)的速度波動(dòng)值，是由加速度波動(dòng)影響導(dǎo)致的。例如，從150～300 s區(qū)間內(nèi)模糊PID算法的速度控制曲線(xiàn)出現(xiàn)了顯著的掉速情況，直接后果會(huì)導(dǎo)致臨近兩個(gè)液壓缸之間的運(yùn)行干擾。從曲線(xiàn)變化情況分析，非線(xiàn)性模糊控制算法在第250 s也出現(xiàn)了掉速情況，但幅度較小對(duì)不同液壓缸之間的同步協(xié)作影響也較小。

圖6所示是加入非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴?、模糊PID算法和未加入控制模型情況下，各液壓缸設(shè)備同步位移差的實(shí)際變化曲線(xiàn)。

圖6 速度變化曲線(xiàn)

分析圖7可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，非線(xiàn)性模糊還口控制算法對(duì)于多缸液壓設(shè)備的同步控制能力最弱，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，加速度最大值為0.006 2 m/s2、速度最大值為0.015 m/s、位移差最大值為0.23 m。而模糊PID算法對(duì)于多缸液壓設(shè)備的同步控制能力最強(qiáng)，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，加速度最大值為0.013 m/s2、速度最大值為0.031 m/s、位移差最大值僅為0.38 m。不加入控制模型時(shí)多缸液壓設(shè)備所享有的同步控制能力相對(duì)較為適中，加速度最大值為0.011 m/s2、速度最大值為0.029 m/s、位移差最大值為0.34 m。綜上可知，在非線(xiàn)性模糊滑模控制算法的作用下，速度、速度、位移差三項(xiàng)物理指標(biāo)的變化能力均能得到良好控制，符合維持重型工程機(jī)械機(jī)、電、液一體化關(guān)系的實(shí)際應(yīng)用需求。

圖7 位移差變化曲線(xiàn)

最后，本文統(tǒng)計(jì)了在整個(gè)350 s仿真周期內(nèi)，4個(gè)液壓工作缸出現(xiàn)的非同步異常數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)統(tǒng)計(jì)情況，(出現(xiàn)的數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)越少，表明對(duì)多缸液壓設(shè)備的控制效果越好，4個(gè)缸體的同步性越好)。數(shù)據(jù)仿真與統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表7所示。

表7 仿真周期內(nèi)非同步異常數(shù)據(jù)奇異點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

從對(duì)各數(shù)據(jù)集異常奇異點(diǎn)的仿真統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)分析可知，在非線(xiàn)性滑?？刂扑惴ㄏ?，出現(xiàn)異常奇異的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組只有5組，而且奇異點(diǎn)的數(shù)量較少；而在兩種傳統(tǒng)控制算下，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組都出現(xiàn)了奇異點(diǎn)，且奇異點(diǎn)的數(shù)量較多，這表明對(duì)4個(gè)缸體的同步控制效果較差。4個(gè)缸體長(zhǎng)期高頻地出現(xiàn)不同步現(xiàn)象，不僅會(huì)引起液壓設(shè)備的共振，而且會(huì)加速缸體內(nèi)壁集活塞組件的異常磨損或?qū)е鲁霈F(xiàn)其他故障。

4 結(jié)束語(yǔ)

多缸液壓設(shè)備可以用于功率較大的組件，而且多缸液壓設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)多個(gè)缸體進(jìn)行高強(qiáng)度的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以節(jié)省減速裝置等硬件成本，而且系統(tǒng)中也不存在傳動(dòng)間隙，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以保持總體結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定，因此多缸液壓設(shè)備被廣泛用于各種機(jī)械液壓系統(tǒng)之中。但由于多缸運(yùn)動(dòng)屬于典型的非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各缸同步控制難度極大。隨著對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備加工精度要求的不斷提升，對(duì)多缸液壓設(shè)備控制精度提出了更高的要求，即要保持各缸體之間的同步運(yùn)動(dòng)。針對(duì)現(xiàn)有控制算法存在對(duì)加速度、速度和位移差等指標(biāo)控制精度不足的現(xiàn)狀，本文提出了一種非線(xiàn)性模糊滑?？刂扑惴?，將模糊規(guī)則和模糊推理與滑模控制相融合，充分發(fā)揮出兩種算法的各自?xún)?yōu)勢(shì)。

與模糊PID算法相比，非線(xiàn)性模糊滑模控制算法可針對(duì)多缸液壓設(shè)備的速度、速度、位移差三項(xiàng)物理系數(shù)進(jìn)行較好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，能夠在聯(lián)合控制特性建模原理的同時(shí)，對(duì)滑模收斂性能力進(jìn)行指向性分析，再借助節(jié)流緩沖控制條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)多缸液壓設(shè)備的同步性控制。從實(shí)用能力的角度來(lái)看，重型工程機(jī)械中的機(jī)、電、液一體化標(biāo)準(zhǔn)能夠得到完全滿(mǎn)足，可在多缸同步操作系統(tǒng)的實(shí)際控制方面，體現(xiàn)出較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。仿真結(jié)果顯示：非線(xiàn)性模糊滑模控制算法在加速度控制、速度控制和位移差控制方面都更具優(yōu)勢(shì)，最大限度地確保多缸同步工作。