基于模糊-PID的高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)智能控制

李桂財(cái),郭迎清,郭鵬飛,趙萬(wàn)里,彭 晉,李睿超

(1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院,陜西 西安 710129; 2.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院,四川 綿陽(yáng) 621700)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車(chē)臺(tái)(簡(jiǎn)稱(chēng)高空臺(tái))是能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)空中飛行工作狀態(tài)的地面試驗(yàn)設(shè)備,已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵試驗(yàn)設(shè)備[1-2]。液壓加載系統(tǒng)作為高空臺(tái)的子系統(tǒng)之一,用于模擬飛機(jī)機(jī)載液壓泵的工作,在提取發(fā)動(dòng)機(jī)的功率后可對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,從而評(píng)估機(jī)載液壓泵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中,液壓加載系統(tǒng)給發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)載液壓泵提供所需壓力、流量的液壓油,操作人員主要通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)載液壓泵出口閥門(mén)開(kāi)度在泵后造成一定節(jié)流阻力,使機(jī)載液壓泵在一定的負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行,達(dá)到模擬發(fā)動(dòng)機(jī)飛行狀態(tài)所需的機(jī)載液壓泵載荷的目的。隨著我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)條件的要求越來(lái)越高,試驗(yàn)流程的高效化、智能化、自動(dòng)化發(fā)展已成為重要的研究方向,對(duì)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制具有重要的意義[3-4]。

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)在工作過(guò)程中,機(jī)載液壓泵后流量會(huì)因控制系統(tǒng)的作用而跟蹤加載譜的目標(biāo)流量,由于泵前后有較大的定壓差(通常在20～30 MPa之間),使航空發(fā)動(dòng)機(jī)在對(duì)應(yīng)流量譜的功率負(fù)載下運(yùn)行,因此高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的控制過(guò)程是一個(gè)流量控制過(guò)程。在液壓系統(tǒng)中,流量通常通過(guò)泵控系統(tǒng)或閥控系統(tǒng)進(jìn)行控制。其中,泵控系統(tǒng)通過(guò)控制泵排量或泵轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量;閥控系統(tǒng)使用固定排量和轉(zhuǎn)速的泵,并使用閥門(mén)調(diào)節(jié)流量,這種系統(tǒng)的使用成本較低。高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)閥門(mén)電信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)的流量,需要對(duì)該閥控系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中流量跟蹤自動(dòng)化運(yùn)行。典型的閥控系統(tǒng)框圖如圖1所示,其中流量(Q)通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)度(AV)來(lái)控制[5-7]。

圖1 典型的閥控系統(tǒng)框圖

常規(guī)的閥控系統(tǒng)中,固定排量泵與溢流閥一起使用。閥門(mén)位于泵的下游,用于將過(guò)量的流量回流。由于泵后和油箱間存在較大的壓降,這種系統(tǒng)中的回流作用可能會(huì)產(chǎn)生較大的能量損失。Tomlinson等[8]提出了使用固定排量泵和泵后的溢流閥實(shí)現(xiàn)可變流量源的方法。這種液壓系統(tǒng)與泵控流量系統(tǒng)相比,成本和復(fù)雜性更低,壽命更長(zhǎng),因?yàn)樵撓到y(tǒng)中的泵在零流量條件下卸載,從而減少了在零流量或低流量條件下對(duì)泵施加的力。王潤(rùn)林等[9]通過(guò)試驗(yàn)插值計(jì)算獲得在不同位移和壓差情況下流量的三維數(shù)據(jù)表,然后通過(guò)查表獲得計(jì)算流量并用于PID控制系統(tǒng)以跟蹤目標(biāo)流量,解決了流量傳感器測(cè)量信號(hào)的不足。Zhang[10]設(shè)計(jì)了一種采用前饋加PID(Feed-Forward PID,FPID)控制器的線(xiàn)性執(zhí)行器速度控制系統(tǒng),在這種設(shè)計(jì)中流量是通過(guò)定向節(jié)流閥控制的。系統(tǒng)非線(xiàn)性由前饋回路補(bǔ)償,速度跟蹤誤差由PID控制器補(bǔ)償。結(jié)果表明,FPID控制器的R2指標(biāo)比前饋回路低15%,比PID控制器低45%,并且使用FPID控制器可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。Aranovskiy等[11]提出了位置控制系統(tǒng)的非線(xiàn)性模型,并對(duì)模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,模型中的溢流閥用于調(diào)節(jié)進(jìn)入作動(dòng)器的流量,使用速度前饋改進(jìn)了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。Ji等[12]提出了一種采用自適應(yīng)滑模控制電液執(zhí)行器的方法,使用李雅普諾夫理論測(cè)試控制算法的穩(wěn)定性,使用MATLAB/Simulink和AMESim進(jìn)行了聯(lián)合仿真,在存在參數(shù)不確定性的情況下,得到了較好的控制效果。Ali等[13-14]進(jìn)行了閥門(mén)的動(dòng)力學(xué)分析,通過(guò)試驗(yàn)確定了氣門(mén)動(dòng)力學(xué)參數(shù),研究了具有PID、H∞和雙變量控制器的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。該團(tuán)隊(duì)還研究了包含入口計(jì)量泵的系統(tǒng)的魯棒性[15],設(shè)計(jì)了PID控制器和H∞控制器,并對(duì)2種控制器的系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,只有H∞控制器滿(mǎn)足魯棒性要求。Jin等[16]設(shè)計(jì)了液壓檢驗(yàn)系統(tǒng)的PID控制方法,并將模糊控制理論與PID控制理論相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種能夠在線(xiàn)調(diào)節(jié)PID參數(shù)的模糊PID控制器,通過(guò)仿真對(duì)比得出,模糊PID控制器提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。

以上閥控系統(tǒng)雖然在穩(wěn)定性和快速性上取得了較好的控制效果,但控制過(guò)程沒(méi)有體現(xiàn)液壓系統(tǒng)操作人員的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn),沒(méi)有將先驗(yàn)知識(shí)體現(xiàn)在控制器結(jié)構(gòu)中。目前,高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)廣泛使用的流量控制方法仍為人工調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度的開(kāi)環(huán)控制方法,該方法控制精度低、流量殘差較大,往往不能滿(mǎn)足試驗(yàn)準(zhǔn)確加載的要求。但試驗(yàn)人員在大量手動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中積累了一定的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn),同時(shí),通過(guò)分析并挖掘歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以得出一些結(jié)論。智能控制的一個(gè)要素即使用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)以使控制系統(tǒng)性能得到優(yōu)化,同時(shí)提高控制過(guò)程的可解釋性。模糊控制在專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)控制系統(tǒng)中得到廣泛使用,但并沒(méi)有在液壓系統(tǒng)智能控制中得到很好的應(yīng)用。高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)作為大型復(fù)雜的液壓系統(tǒng),試驗(yàn)人員的開(kāi)環(huán)控制歷史試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是十分寶貴的,本文將體現(xiàn)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的模糊開(kāi)環(huán)控制與PID閉環(huán)控制相結(jié)合,設(shè)計(jì)復(fù)合控制器,以改善高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的控制器性能。

本文首先基于高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí),以搭建系統(tǒng)分段線(xiàn)性模型,并基于模型的線(xiàn)性傳遞函數(shù)進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì);提出高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)復(fù)合控制框架,搭建開(kāi)環(huán)模糊控制器,并將開(kāi)環(huán)模糊控制器與閉環(huán)PID控制器相結(jié)合形成智能復(fù)合控制器。通過(guò)仿真驗(yàn)證,該智能復(fù)合控制器的控制效果優(yōu)于PID控制器。

1 液壓加載系統(tǒng)模型分析與PID控制器設(shè)計(jì)

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的油路如圖2所示,其主要設(shè)備包括油箱(液壓油源)、地面液壓泵、機(jī)載液壓泵、電液比例閥、溢流閥等,除油箱外,各部件均有左右2套,分別用來(lái)試驗(yàn)飛機(jī)上的2臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)。虛線(xiàn)框內(nèi)的部分為機(jī)載設(shè)備,包括機(jī)載液壓泵和開(kāi)關(guān)閥門(mén),高空臺(tái)液壓加載試驗(yàn)便是模擬機(jī)載液壓泵提取航空發(fā)動(dòng)機(jī)功率的過(guò)程并觀測(cè)其對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)造成的影響。在工作時(shí),地面液壓泵為飛機(jī)機(jī)載液壓泵提供充足的油源,機(jī)載液壓泵為恒壓泵,當(dāng)比例閥開(kāi)度小于預(yù)設(shè)值時(shí)泵后壓力恒定。比例閥作為耗能部件須與電子放大器配合使用,電子放大器根據(jù)輸入信號(hào)向比例閥電磁鐵提供一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娏?。比例電磁鐵將電流轉(zhuǎn)換成作用在閥芯上的機(jī)械力并克服復(fù)位彈簧,隨著電流增大,電磁鐵輸出的力增大,復(fù)位彈簧被壓縮,于是閥芯開(kāi)始移動(dòng),進(jìn)而改變主閥芯的開(kāi)口面積大小,在壓差一定的前提下,比例閥開(kāi)口面積的變化直接引起閥進(jìn)出口前后流量的變化,進(jìn)而改變閥門(mén)消耗的功率,實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)載液壓泵進(jìn)行加載的目的。

圖2 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)油路

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)的試驗(yàn)過(guò)程中,流量的變化主要分3個(gè)階段,分別為加載段、脈沖模擬段和卸載段。加載段將通過(guò)閥門(mén)的流量大幅下降至試驗(yàn)設(shè)定流量,并將閥前壓力升高到額定壓力;脈沖模擬段壓力恒定,流量在短時(shí)間內(nèi)階躍突變后返回至試驗(yàn)設(shè)定流量,該階段主要通過(guò)模擬脈沖輸入來(lái)測(cè)試功率突變對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的影響;卸載段流量和壓力返回至加載前的狀態(tài)。以某次試驗(yàn)過(guò)程為例,在加載段,將通過(guò)閥門(mén)的流量從258 L/min下降到46.2 L/min,壓力從4.9 MPa上升到28.5 MPa;在脈沖模擬段,流量從46.2 L/min突變到150～250 L/min,再迅速地回調(diào)到46.2 L/min;在卸載段,流量與壓力返回至加載段之前。某次真實(shí)試驗(yàn)過(guò)程的閥門(mén)電信號(hào)(控制量)與流量(被控量)變化過(guò)程分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 某次真實(shí)試驗(yàn)過(guò)程的閥門(mén)電信號(hào)和流量信號(hào)圖

通過(guò)對(duì)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)原理和真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

① 系統(tǒng)關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)中控制量為閥門(mén)電信號(hào),被控量為流量。

② 核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)——比例節(jié)流插裝閥(ATOS的LIQZO-TEB-SN-NP-402L4)在大范圍閥位變化時(shí)存在非線(xiàn)性。

③ 加載段控制電流的百分比范圍為28%～32%,模擬脈沖段為32%～45%,卸載段為85%～100%,同一試驗(yàn)階段內(nèi)閥門(mén)可視為線(xiàn)性機(jī)構(gòu)。

④ 3個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中,加載譜流量與閥門(mén)電信號(hào)均為階躍變化,所以控制器搭建的重點(diǎn)為系統(tǒng)階躍跟蹤的性能。

由于高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)部件存在非線(xiàn)性,同一試驗(yàn)階段內(nèi)模型可視為線(xiàn)性,同時(shí)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)完整,因此建模過(guò)程可以使用真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)最小二乘線(xiàn)性系統(tǒng)辨識(shí)出3個(gè)線(xiàn)性模型,以對(duì)應(yīng)3個(gè)試驗(yàn)階段。在仿真時(shí),通過(guò)目標(biāo)流量的大小進(jìn)行模型選擇,形成分段線(xiàn)性化模型,建?？驁D如圖4所示。

圖4 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)建?？驁D

系統(tǒng)辨識(shí)使用的目標(biāo)函數(shù)為MSE(Mean-Square Error,均方誤差),計(jì)算公式為

(1)

表1 計(jì)算結(jié)果

將模型集成后,在3個(gè)工作階段分段線(xiàn)性模型仿真與真實(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比分別如圖5～圖7所示。

圖6 脈沖模擬段的線(xiàn)性模型仿真與真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖7 卸載段的線(xiàn)性模型仿真與真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

在分段線(xiàn)性模型的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)PID控制器。PID控制器屬于頻域中的滯后校正環(huán)節(jié),其主要作用是在高頻段造成衰減,從而使系統(tǒng)獲得足夠的相位裕度,其常規(guī)結(jié)構(gòu)表示為

(2)

式中:Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù);Kd為微分系數(shù)。利用頻域法進(jìn)行PID控制器設(shè)計(jì),其關(guān)鍵是獲取校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻域指標(biāo),即穿越頻率和相位裕度。這2項(xiàng)頻域指標(biāo)將用于進(jìn)行PID參數(shù)的整定。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在穿越頻率處滿(mǎn)足的幅值和相位關(guān)系為

(3)

式中:ωc為穿越頻率,也稱(chēng)幅值截止頻率;γ為相位裕度;G(ωc)為校正后的開(kāi)環(huán)頻率特性。利用MATLAB下pidtune函數(shù)進(jìn)行分段智能PID控制器參數(shù)整定,pidtune函數(shù)可以自動(dòng)根據(jù)傳遞函數(shù)和開(kāi)環(huán)頻域指標(biāo)計(jì)算出3個(gè)階段的PID控制器參數(shù),具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2 智能復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

目前,高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)功率譜加載試驗(yàn)中對(duì)閥門(mén)的控制為開(kāi)環(huán)控制,根據(jù)試驗(yàn)需求手動(dòng)設(shè)定程序調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度,控制不夠靈活且精度較低。每次試驗(yàn)都要進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)以尋找試驗(yàn)需要的閥門(mén)電信號(hào),流程復(fù)雜,智能化程度低。所以,在設(shè)計(jì)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)控制器時(shí),使用“開(kāi)環(huán)+閉環(huán)”的方法改善控制效果。其中,模糊開(kāi)環(huán)控制用于引入經(jīng)驗(yàn)知識(shí),實(shí)現(xiàn)閥位的快速調(diào)節(jié);閉環(huán)PID控制位于模糊開(kāi)環(huán)控制后,用于消除殘差,確保流量控制的準(zhǔn)確性。高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)智能控制框圖如圖8所示。首先進(jìn)行開(kāi)環(huán)模糊控制設(shè)計(jì),之后將開(kāi)環(huán)模糊控制與閉環(huán)PID控制相結(jié)合,形成智能復(fù)合控制器,并對(duì)控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

圖8 高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)智能控制框圖

高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)開(kāi)環(huán)模糊控制充分利用試驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)與歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)論,建立了模糊推理過(guò)程并集成模糊控制理論中的模糊化接口與解模糊接口,模糊開(kāi)環(huán)控制框架如圖9所示。

圖9 模糊開(kāi)環(huán)控制框架

圖9中關(guān)于模糊控制理論的相關(guān)概念解釋如下。

① 模糊化接口:是將真實(shí)的確定量輸入轉(zhuǎn)換為一個(gè)模糊向量,用于輸入。

② 知識(shí)庫(kù):知識(shí)庫(kù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度向量值。知識(shí)庫(kù)中繼承了對(duì)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)論和操作人員的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)。規(guī)則庫(kù)是用來(lái)存放全部模糊控制規(guī)則的,在推理時(shí)為“推理機(jī)”提供控制規(guī)則。

③ 推理機(jī):用于在模糊控制器中,根據(jù)輸入模糊量,由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程,并獲得模糊控制量。

④ 解模糊接口:將模糊推理的結(jié)果(模糊向量)轉(zhuǎn)換為清晰的控制量輸出。

針對(duì)高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)典型試驗(yàn)過(guò)程,對(duì)系統(tǒng)模糊開(kāi)環(huán)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。模糊開(kāi)環(huán)控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容包括總結(jié)歷史試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)、論域設(shè)置、模糊子集設(shè)置、模糊關(guān)系設(shè)置和反模糊化方法設(shè)置。

① 依據(jù)試驗(yàn)人員的歷史試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),模糊控制的輸入為閥前額定壓力、目標(biāo)流量和閥門(mén)流通能力,輸出為閥門(mén)電信號(hào)。由試驗(yàn)操作人員的經(jīng)驗(yàn)可以得出閥門(mén)電信號(hào)與閥前額定壓力和目標(biāo)流量的關(guān)系為:對(duì)于給定的閥前額定壓力,目標(biāo)流量越大,閥門(mén)電信號(hào)越大;對(duì)于一定的目標(biāo)流量,閥前額定壓力越大,閥門(mén)電信號(hào)越小。

② 論域設(shè)置:基于高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)典型工藝過(guò)程和試驗(yàn)過(guò)程、設(shè)備特性和對(duì)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,閥門(mén)流通能力分為300 L/min和160 L/min這2種,閥前額定壓力的論域設(shè)置為[20,30]MPa,目標(biāo)流量的論域設(shè)置為[25,325]L/min,控制電流的論域?yàn)閇0.15,0.95]。

③ 模糊子集設(shè)置:流量的模糊子集和閥門(mén)電信號(hào)的模糊子集均為[′N(xiāo)B′,′N(xiāo)M′,′N(xiāo)S′,′N(xiāo)Z′,′PZ′,′PS′,′PM′,′PB′],閥前額定壓力的模糊子集為[′S′,′M′,′B′],程度依次增大。隸屬度函數(shù)采用三角隸屬度,以目標(biāo)流量與閥門(mén)電信號(hào)為例,其開(kāi)環(huán)模糊控制的隸屬度函數(shù)如圖10所示。

圖10 開(kāi)環(huán)模糊控制的隸屬度函數(shù)圖

④ 模糊關(guān)系設(shè)置:基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)與歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果設(shè)置輸入與輸出的模糊關(guān)系,在2種閥門(mén)流通能力下的模糊關(guān)系分別如表2、表3所示。

表2 使用大閥(流通能力為300 L/min)的模糊關(guān)系

表3 使用小閥(流通能力為160 L/min)的模糊關(guān)系

⑤ 反模糊化方法設(shè)置:采用重心法,公式為

(4)

式中:vo為反模糊化的結(jié)果;v為輸出模糊量;μv(v)為隸屬度函數(shù)。

設(shè)計(jì)完模糊開(kāi)環(huán)控制器后,將其與PID閉環(huán)控制集成,并設(shè)定基于被控量相對(duì)誤差的控制器選擇模塊,控制信號(hào)切換邏輯如式(5)所示。在被控對(duì)象的設(shè)置中,使用加載譜目標(biāo)流量識(shí)別當(dāng)前目標(biāo)流量變化過(guò)程的工作狀態(tài),并將被控對(duì)象和PID參數(shù)切換為該工況對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性模型和PID參數(shù)。

(5)

式中:ureal為控制器當(dāng)前控制邏輯值;uopen和uclose分別為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制邏輯值;y為實(shí)際流量;yref為目標(biāo)流量。當(dāng)目標(biāo)流量發(fā)生變化時(shí),智能控制器首先進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制,到實(shí)際流量滿(mǎn)足切換條件時(shí),進(jìn)行PID閉環(huán)控制。雖然在開(kāi)環(huán)控制過(guò)程中,PID控制器一直在積分,但積分值不足,當(dāng)切換為閉環(huán)控制時(shí),會(huì)出現(xiàn)控制量跳變的情況,并且在此之后,由于切換邏輯使用流量的相對(duì)誤差來(lái)判斷,因此會(huì)出現(xiàn)實(shí)際控制量在開(kāi)環(huán)與閉環(huán)之間反復(fù)切換的問(wèn)題,進(jìn)而造成被控流量不穩(wěn)定現(xiàn)象,如圖11所示。需要在智能控制器中添加積分補(bǔ)償模塊,使控制器從開(kāi)環(huán)切換為閉環(huán)時(shí),控制量只有很小的變化?？刂破鞣e分補(bǔ)償示意圖如圖12所示。理論上,PID控制器的積分量應(yīng)該與只使用PID控制器時(shí)達(dá)到相同流量狀態(tài)時(shí)的積分值相同,如圖12中黃色和綠色面積之和。需要補(bǔ)償?shù)姆e分?jǐn)?shù)值為實(shí)際流量(紅色曲線(xiàn))與只有PID控制的模擬曲線(xiàn)(綠色曲線(xiàn))之間的面積。

圖11 控制切換不穩(wěn)定的流量控制過(guò)程

3 控制系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

將智能復(fù)合控制器與高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)分段線(xiàn)性化模型以圖8所示的方式進(jìn)行連接,并使用試驗(yàn)?zāi)M加載譜(如圖13所示)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,并與PID控制器的控制效果進(jìn)行對(duì)比,如圖14～圖16所示。

圖13 智能控制器仿真驗(yàn)證使用的模擬加載譜

圖14 加載段控制器仿真流量圖

圖15 脈沖模擬段控制器仿真流量圖

圖16 脈沖模擬段控制器仿真流量圖(局部放大)

從仿真結(jié)果可以看出,在不同試驗(yàn)階段,智能復(fù)合控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間在5 s內(nèi)且沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差。多次仿真結(jié)果對(duì)比如表4所示,智能復(fù)合控制器在穩(wěn)態(tài)精度方面明顯優(yōu)于手動(dòng)開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié),在快速性方面優(yōu)于PID控制器,在3個(gè)試驗(yàn)階段,其調(diào)節(jié)時(shí)間比PID控制器縮短了39%～87%,滿(mǎn)足了高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程對(duì)控制系統(tǒng)的要求,實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程又快又準(zhǔn)的控制效果。

表4 不同控制方式性能對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)研究,得出以下結(jié)論:

① 基于高空臺(tái)液壓加載試驗(yàn)特點(diǎn)和設(shè)備特性,結(jié)合歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)出電液比例閥的分段線(xiàn)性化模型,利用穿越頻率和相位裕度設(shè)計(jì)了不同工作狀態(tài)下的PID控制器。

② 提出了一種將開(kāi)環(huán)模糊控制與閉環(huán)PID控制相結(jié)合的智能復(fù)合控制器。利用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊控制器實(shí)現(xiàn)了液壓加載試驗(yàn)的快速調(diào)節(jié),采用閉環(huán)PID控制器提高了控制精度,加入切換模塊和積分補(bǔ)償模塊實(shí)現(xiàn)了2種控制方式的無(wú)擾切換。

③ 模擬了高空臺(tái)液壓加載系統(tǒng)不同階段的加載譜試驗(yàn),并對(duì)設(shè)計(jì)的智能復(fù)合控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明,智能復(fù)合控制器沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差,在快速性上也明顯優(yōu)于PID控制器,調(diào)節(jié)時(shí)間在不同試驗(yàn)階段比PID控制器縮短了39%～87%,可實(shí)現(xiàn)又快又準(zhǔn)的控制效果。