基于模糊PID的雙泵變頻液壓系統(tǒng)仿真分析*

劉顯暉，高 挺，李建強(qiáng)，楊 帆，單爭(zhēng)南

(1.廣西科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，廣西 柳州 545001；2.柳州泰姆預(yù)應(yīng)力機(jī)械有限公司，廣西 柳州 545100)

0 引言

液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在工程領(lǐng)域中得到大量應(yīng)用,雖然其具有傳動(dòng)平穩(wěn)、功率體積比大等優(yōu)點(diǎn),但液壓傳動(dòng)系統(tǒng)最主要的缺點(diǎn)是其能量損耗大。變頻液壓技術(shù)省去復(fù)雜的變排量結(jié)構(gòu),采用變頻器、普通電機(jī)和定量泵的形式,通過(guò)控制變頻器輸入電壓來(lái)改變泵的輸出流量,從而提高系統(tǒng)能量利用率。

傳統(tǒng)的變頻液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能不夠理想,并且低壓控制效果較差。文獻(xiàn)[1]為提高變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍和響應(yīng)速度,提出一種變頻液壓泵和定速液壓泵組合的液壓調(diào)速方案。文獻(xiàn)[2]采用粒子群算法優(yōu)化PID控制器,并將其應(yīng)用于雙泵直驅(qū)電液伺服系統(tǒng)的壓力控制。

本文采用變頻液壓技術(shù)與雙泵方案相結(jié)合,在AMESim/Simulink聯(lián)合仿真環(huán)境中分析系統(tǒng)性能,驗(yàn)證雙泵變頻液壓系統(tǒng)在模糊PID控制下的優(yōu)越性。

1 雙泵變頻液壓系統(tǒng)

1.1 液壓回路原理

雙泵變頻液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。液壓油路由液壓缸、電磁換向閥、溢流閥、定量泵、異步電機(jī)、單向閥、變頻器以及油箱等組成。系統(tǒng)中,由定轉(zhuǎn)速電機(jī)6驅(qū)動(dòng)定量泵3供油輸出恒定壓力,控制器輸出信號(hào)至變頻器4控制電機(jī)5變轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)定量泵3改變供油流量輸出,變轉(zhuǎn)速電機(jī)5帶動(dòng)定量泵來(lái)補(bǔ)充壓力輸出。

1-油箱;2-過(guò)濾器;3-定量泵;4-變頻器;5-變轉(zhuǎn)速異步電機(jī);6-定轉(zhuǎn)速電機(jī);7-溢流閥;8-單向閥;9,11-壓力變送器;10-電磁換向閥;12-液壓缸

1.2 控制原理

本液壓控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。將液壓缸活塞桿實(shí)際位移X作為反饋信號(hào),將液壓缸活塞桿實(shí)際位移X與期待值Xr之間誤差e作為控制器的輸入信號(hào)?？刂破鞲鶕?jù)誤差值進(jìn)行參數(shù)整定輸出電信號(hào)U至變頻器,再由變頻器輸出頻率信號(hào)給電機(jī),電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵輸出油液提升壓力p。由上述的步驟就完成了本液壓系統(tǒng)的壓力控制,模糊PID的加入會(huì)使控制器的輸出信號(hào)更能符合系統(tǒng)的需求。

圖2 雙泵變頻液壓控制系統(tǒng)框圖

2 雙泵變頻液壓系統(tǒng)仿真模型的建立

2.1 變頻器及電機(jī)部分[3,4]

變頻器恒壓頻比控制公式為:

f1=Kuuc.

(1)

其中:f1為電機(jī)電源頻率,Hz;Ku為電壓頻率轉(zhuǎn)換系數(shù),Hz/V;uc為變頻器的控制電壓,V。

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式為:

(2)

電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡公式為:

(3)

電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩公式為:

(4)

2.2 雙泵變頻液壓模型

基于AMESim的雙泵變頻液壓系統(tǒng)仿真模型如圖3所示,雙泵變頻液壓系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 雙泵變頻液壓系統(tǒng)主要參數(shù)

3 仿真分析

3.1 模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模糊控制器的輸入語(yǔ)言變量選擇為液壓缸活塞桿實(shí)際位移值與設(shè)定位移值之間的誤差E及其變化率EC,控制器輸出電信號(hào)至變頻器。

模糊量E、EC以及PID控制的比例、積分、微分系數(shù)Kp、Ki、Kd的隸屬度函數(shù)如圖4所示。

圖4 變量隸屬度函數(shù)分布圖

根據(jù)系統(tǒng)PID控制的輸出曲線并結(jié)合雙泵變頻液壓系統(tǒng)的特點(diǎn),模糊控制輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd的規(guī)則如表2所示。

表2 模糊輸出規(guī)則表(ΔKp、ΔKi、ΔKd)

在MATLAB的Simulink模塊中搭建模糊PID控制系統(tǒng),如圖5所示,利用AME2LCoSIM模塊與AMESim聯(lián)接。

圖5 模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型

3.2 系統(tǒng)仿真分析

為模擬工程應(yīng)用中負(fù)載突變干擾的影響,負(fù)載信號(hào)到10 s時(shí)加入一個(gè)幅值200 kN的突變力。仿真得到的液壓缸活塞桿位移輸出如圖6所示,無(wú)桿腔壓力輸出如圖7所示。

圖6 液壓缸活塞桿位移輸出

圖7 液壓缸無(wú)桿腔壓力輸出

由圖6可知:模糊PID的響應(yīng)明顯優(yōu)于PID控制,普通PID控制在8.32 s達(dá)到目標(biāo)位移,而模糊PID控制在7.11 s達(dá)到目標(biāo)位移,調(diào)節(jié)時(shí)間減少約17%;在10 s處加入干擾負(fù)載后,模糊PID控制的魯棒性明顯優(yōu)于PID控制。干擾信號(hào)發(fā)生后,PID控制位移曲線從0.2 m跌落至0.124 m,模糊PID控制位移曲線僅跌落至0.16 m,模糊PID控制位移曲線在12.19 s恢復(fù)至正常,PID控制在13.71 s恢復(fù),模糊PID控制調(diào)整時(shí)間比PID控制約少12.5%。

由圖7可知:模糊PID控制下壓力輸出更為及時(shí)穩(wěn)定,普通PID控制到達(dá)壓力峰值時(shí)間為8.72 s,模糊PID控制所用時(shí)間為7.38 s,模糊PID控制相較于普通PID控制快了約18.2%,且在出現(xiàn)干擾負(fù)載后,模糊PID控制下的壓力輸出曲線在12.378 s恢復(fù)至峰值,而普通PID控制在13.9 s恢復(fù)至峰值,相較之下模糊PID恢復(fù)時(shí)間比PID控制減少約11%。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了雙泵變頻液壓系統(tǒng)并進(jìn)行了仿真分析,通過(guò)AMESim-Simulink聯(lián)合仿真平臺(tái)模擬工況,在出現(xiàn)階躍干擾信號(hào)后,得到液壓缸PID和模糊PID控制下的位移輸出曲線和壓力輸出曲線模型。通過(guò)對(duì)比分析,結(jié)果表明模糊PID控制極大地提升了系統(tǒng)的性能,模糊PID相對(duì)于普通PID控制響應(yīng)速度更快,魯棒性更好,輸出更為穩(wěn)定和及時(shí)。