（控制理论与控制工程专业论文）电液位置伺服系统的多缸同步控制方法研究.pdf

中文摘要 中文摘要 在多自由度电液位置伺服系统中，由于多缸同步控制系统各通道间的耦合和扰动作 用以及工况和负载的复杂多变性，实现高精度的多缸同步控制一直是液压工程中的一个 难题。本文在参考国内外文献的基础上，依据系统非线性、时变性的特点，建立了多缸 同步系统非线性数学模型，将p i d 、模型参考模糊自适应、内模控制三种控制策略应用 到四缸同步控制系统中，进行了仿真研究。 采用“主从方式 和“等同方式”相结合的方式设计了p i d 控制器。以运行位置 最大的液压缸作为基准缸，然后和其它三个缸的位置进行比较，产生的偏差信号作为控 制器的输入，经过p i d 控制算法，调节液压缸的运动速度。仿真结果表明，在精度要求 不高或者干扰不大的场合，四缸同步系统能很好的保持同步状态。 针对常规p i d 控制四缸同步伺服系统抗干扰性差的问题，将模型参考模糊自适应控 制引入到四缸同步系统中。参考模型的输出作为期望输出响应，期望输出和被控系统输 出偏差及其变化率作为模糊自适应机构的输入，利用模糊推理在线更改p i 控制器的参 数，使受控系统的输出趋于参考模型输出。仿真结果表明模型参考模糊自适应能有效克 服系统的不确定性，提高多缸同步控制系统的动态性能和抗干扰能力。 内模控制器设计采用了零极点对消法，并根据内模控制结构和反馈控制结构之间的 等效关系，求得了反馈控制器，然后分别对有无干扰以及系统参数变化的情况进行了仿 真研究。结果表明，内模控制的四缸同步系统具有较好的快速性和鲁棒性，且需要调节 的参数只有一个，参数调整与系统动态品质和鲁棒性的关系明确。 关键词：多缸同步伺服系统；p i d 控制；模型参考模糊自适应控制；内模控制 电液位置伺服系统的多缸同步控制方法研究 a b s t r a c t a bs t r a c t s i n c es t r o n gc o u p l i n gp h e n o m e n o na m o n gm u l t i c h a n n e lh y d r a u l i cs e r v o c y l i n d e rs u b s y s t e m sa n dt h er o l eo fd i s t u r b a n c e ，a sw e l la st h ec o m p l e xo f w o r k i n gc o n d i t i o n sa n dl o a d i n m u l t i - - d e g r e eo ff r e e d o me l e c t r o - - h y d r a u l i c p o s i t i o ns e r v os y s t e m ，h i g hp r e c i s i o no fm u l t i c y l i n d e rs y n c h r o n o u sc o n t r o lh a s b e e nap r o b l e mi n h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r ，t i m e v a r y i n g ；n o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo f m u l t i c y l i n d e rs y n c h r o n o u ss y s t e mi se s t a b l i s h e db a s e do nal a r g en u m b e ro f r e f e r e n c e sa th o m ea n da b r o a d ，t h e nt h r e ek i n d so fc o n t r o ls t r a t e g i e s - p i d ， m o d e lr e f e r e n c ef u z z ya d a p t i v ec o n t r o la n di n t e r n a lm o d e lc o n t r o la r ea p p l i e dt o t h ef o u r - c y l i n d e rs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m ，a n das i m u l a t i o ns t u d yi sc a r r i e d o u t p i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no f ”m a s t e r - s l a v em o d e ” a n d ”e q u a lm o d e ”t h el a r g e s tr u n n i n gp o s i t i o nc y l i n d e rs e r v e sa sr e f e r e n c e c y l i n d e r , t h e n ，t h ep o s i t i o no ft h eo t h e rt h r e ec y l i n d e r sw e r ec o m p a r e dw i t h r e f e r e n c ec y l i n d e r t h ee r r o r sa r eu s e da st h ei n p u to fp i dc o n t r o l l e r , t h e r e b yt h e s p e e do fh y d r a u l i cc y l i n d e r sa r er e g u l a t e dw i t hp i dc o n t r o la l g o r i t h m p i d c o n t r o ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tag o o db a l a n c es t a t ei sm a i n t a i n e di nl e s s p r e c i s i o no rs m a l li n t e r f e r e n c eo c c a s i o n s b u tf o rh i g h p r e c i s i o no rs t r o n g i n t e r f e r e n c eo c c a s i o n s ，p i dc o n t r o lc a nn o ts a t i s f yt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s a i m i n ga tt h ep o o ra n t i i n t e r f e r e n c ep r o b l e mo fp i dc o n t r o lf o u r - c y l i n d e r s y n c h r o n o u ss y s t e m ，m o d e lr e f e r e n c ef u z z ya d a p t i v ec o n t r o li sp r o p o s e dt o f o u r - c y l i n d e rs y n c h r o n o u ss y s t e m t h eo u t p u to fr e f e r e n c em o d e li su s e da st h e d e s i r e do u t p u tr e s p o n s e ，t h ee r r o r , w h i c hi st h ed i f f e r e n c eb e t w e e ne x p e c t e d o u t p u ta n dt h ea c t u a lo u t p u t ，a n di t sd e r i v a t i v es e r v ea st h ei n p u t so ff u z z y a d a p t i v ei n s t i t u t i o n ，t h ep a r a m e t e r so ft h e p ic o n t r o l l e ra r ea d j u s t e do n - l i n e a c c o r d i n gt of u z z yr e a s o n i n g ，s ot h a tt h eo u t p u to ft h ec o n t r o l l e ds y s t e mt e n d st o t h er e f e r e n c em o d e lo u t p u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eu n c e r t a i n t i e so f t h e s y s t e m a r eo v e r c o m e e f f e c t i v e l y , a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e a n d a n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t yo fs y s t e ma r ei m p r o v e d ，s o i ta c h i e v e ss a t i s f a c t o r y i l i 电液位置伺服系统的多缸同步控制方法研究 二- 二= 二二二= 二二二_ = c o n t r o lr e s u l t s p o l e 。z e r oc a n c e l l a t i o nm e t h o di s u s e df o rt h e d e s i g no fi n t e r n a lm o d e l c o n t r o l l e r , t h ef e e d b a c kc o n t r o l l e ri so b t a i n e da c c o r d i n gt ot h e e q u i v a l e n t r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n t e r n a lm o d e lc o n t r o ls t r u c t u r ea n dt h ef e e d b a c kc o n t r o l s t r u c t u r e t h e nt h es y s t e m sw i t hi n t e r f e r e n c e ，w i t h o u ti n t e r f e r e n c e a n dw i t h p a r a m e t e r sc h a n g e sa r es i m u l a t e d r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r n a l m o d e lc o n t r o lf o u r - c y l i n d e rs y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mi so fg o o dr e s p o n s es p e e d a n dr o b u s t n e s s ，a n do n l yo n ep a r a m e t e ri s a d j u s t e d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p a r a m e t e ra d j u s t m e n ta n dd y n a m i cq u a l i t yo rr o b u s t n e s si sc l e a r e r k e yw o r d s ：m u l t i c y l i n d e rp o s i t i o ns e r v os y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n ；p i dc o n t r o l ； m o d e lr e f e r e n c ef u z z ya d a p t i v ec o n t r o l ；i n t e r n a lm o d e lc o n t r 0 1 j v 目录 目录 第一章绪论1 课题研究的背景、目的和意义1 1 1 1 课题研究的背景l 1 1 2 课题研究的意义2 1 2 多缸同步伺服控制技术分析及应用3 1 2 1 多缸同步驱动技术三种具体形式3 1 2 2 多缸同步电液伺服系统控制策略3 1 3 本课题的主要研究内容7 第二章多缸同步电液伺服系统的数学模型9 2 1 引占9 2 2 四缸同步电液伺服系统的工作原理和组成9 2 2 1 四缸同步系统的工作原理9 2 2 2 四缸同步系统的组成9 2 3 多缸同步系统单通道数学模型1 0 2 3 1 电液比例阀主阀芯位移的数学模型1 l 2 3 2 非对称阀阀芯位移一负载流量的数学模型1 1 2 3 3 阀控非对称缸机构的非线性数学模型1 2 2 4 四缸同步系统的非线性数学模型1 3 2 4 1 四缸电液伺服同步系统模型确立及参数确定1 3 2 4 2 系统仿真模型建立一1 6 2 5 小结18 第三章多缸同步伺服控制系统p i d 控制1 9 3 1 引言1 9 3 2p i d 控制原理一1 9 3 3 多缸同步伺服系统p i d 控制器设计2 l 3 4 仿真研究及结果分析2 2 3 5 小结2 4 第四章多缸同步伺服控制系统模型参考模糊自适应控制2 5 4 1 引。言2 5 4 2 自适应控制2 5 v 电液位置伺服系统的多缸同步控制方法研究 4 3 模型参考自适应原理2 6 4 4 模型参考模糊自适应控制器设计2 7 4 4 1 模型参考模糊白适应控制2 7 4 4 2 模糊自适应机构设计2 8 4 4 3 参考模型的选择3 l 4 5 仿真研究及结果分析3 1 4 6 j 、结3 6 第五章多缸同步伺服控制系统内模控制3 7 5 1 引。言3 7 5 2 内模控制基本原理3 8 5 2 1 内模控制结构及其等价形式3 8 5 2 2 内模控制的主要性质3 8 5 3 内模控制器设计3 9 5 4 仿真研究及结果分析4 2 5 5 小结4 4 结论与展望4 5 参考文献4 7 致谢5 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录。5 3 v i 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀1 ：匕 1 1 课题研究的背景、目的和意义 1 1 1 课题研究的背景 近几十年来，由于整个工业技术的发展，尤其是在今天航空和宇航技术上所应用的 伺服系统逐步向快速、大功率、高精度的方向发展，目前，液压伺服控制已在各种自动 化技术领域获得了重要应用。儿是需要大功率、快速反应、高精度的控制系统都首先考 虑采用液压伺服控制。液压伺服控制及其应用研究，涉及到航空航天、有色冶炼、动力 工程、车辆工程、电力系统及其自动化、造纸工程、水利水电工程、海洋工程、矿山石 油开采等许多领域【l l 。 2 0 世纪7 0 年代木8 0 年代初逐渐完善和普及的计算机控制技术，为电子技术和液压技 术的结合奠定了基础，且进一步增强了液压伺服控制系统的功能，实现了复杂有效的控 制，使得机、电、液一体化技术逐渐扩展应用于各个工业领域。其中，电液伺服控制具 有反应快、重量轻、尺寸小及抗负载刚性强等优点，因此，电液伺服控制作为一种新兴 的科学技术倍受重视，并得到迅速发展。 另外，工业领域中广泛应用电液伺服控制的一个重要原因是可以采用多种形式的能 源系统，如油泵可以由发动机、燃气涡轮、燃气马达等直接驱动，另外还有电池组一电 机泵液压能源系统、气体积压式液压能源系统 2 1 。这些系统用于各自的特定条件下，既 能保证系统可靠地工作，又能在总体结构重量与体积方面优于电器类型的伺服系统机 构，因此确定了电液伺服系统在工业应用上长期生存与有利的竞争地位。 目前，液压同步驱动控制受到越来越多学者的关注，并且提出了许多的同步控制方 案。 就控制方式来说，开环控制和闭环控制是液压同步控制的两种基本形式。开环控制 是完全靠液压控制元件本身的精度来控制执行元件同步，不能消除或抑制扰动的影响， 所以同步控制精度低，这很大的程度上限制了该种控制形式的实际应用范围。与此相比， 闭环控制系统通过对输出进行检测和反馈，在很大程度上消除或抑制执行元件误差的影 响，从而可以获得高精度的同步控制。随着现代控制理论及计算机控制技术的发展，该 种控制形式在需要高精度多缸刚步系统中得到较好的应用1 3 l 。 就控制元件来讲，主要有电液伺服阀、电液比例阀、数字控制阀。电液伺服阀足一 种高精度、高频响的电液控制元件。它的优点是具有较高的响应速度和同步控制精度。 然而，由于这种阀结构复杂、造价高且抗污染能力差，所以由电液伺服阀组成的液压同 l 电液位置伺服系统的多缸同步控制方法研究 步闭坏控制一般适用于同步精度要求高、工作环境好的系统。 电液比例阀是一种新型的电液控制元件，与电液伺服阀相比，它的响应频率低，但 因其造价低、抗污染能力强、性能良好，所以由它组成的同步闭环控制已大量用于频率 响应适中且同步精度要求较高的系统。 数字控制阀是上世纪八十年代初期才逐渐发展起来的另一种机电液一体化控制元 件。它最大的优点是能适应计算机控制，直接用数字量来实现控制。数字控制阀组成的 液压同步闭环控制系统控制方便、抗污染能力强、可靠性高、重复精度高、结构简单、 且易于实现计算机直接控制。但这种控制形式的同步控制精度受到步进电机驱动信号的 脉冲数、占空比以及计算机软、硬件的影响。 1 1 2 课题研究的意义 随着航天航空技术和现代机械加工业、建筑业等的发展，液压同步控制在各类金属 加工设备、冶金机械、工程机械、航天航空驱动装置及建筑机械等领域得到了广泛的应 用，所以多缸同步控制的研究对于满足上述许多领域的实际需要具有重要的理论意义和 工程实用价值。 在水利工程建设中，大坝泄洪和蓄水闸门的安全对水利工程来说是非常重要的。闸 门启闭作业具有自重大、跨距长、外界环境恶劣等特点，并且闸门启闭时受到水的冲击 力和风速影响使提升系统负载变化很大。目前，在闸门启闭机控制系统中，闸门的提升 控制一般是通过采用双液压缸实现的。在液压缸的提升过程中，双缸位置应保持较高精 度的同步运动状态，如果位置差异过大，就会造成闸门卡死的现象，系统会受到损害， 甚至会影响水利工程的安全【4 1 。 在上海音乐厅顶升和平移工程的液压同步系统中，应用了力和位移双闭环控制，按 照建筑物各点的实际负荷，使用了5 9 个高压液压缸精确平稳地顶举建筑物，使顶升过程 和平移过程建筑物的内应力降到最低。为了实现多点施力同步项升的技术要求，系统选 用了三油口减压阀作为主要控制元件，整个系统采用计算机控制，完成了一项高水平、 高科技的顶升、平移工程1 5 j 。 在三峡大型水轮机转子平衡装置中，在重载5 0 0 n 屯的情况下，四缸同步控制子系统 采用了模糊控制算法对四个缸进行同步控制。该系统采用了电液比例阀作为主要控制元 件的p q 缸同步控制方案，实现了在5 0 0 m m 的行程范围内控制精度为0 6 m m 的同步控匍j t 6 j 。 随着桥梁改造工程的增多，桥梁的同步顶升应用也越来越多。文献 7 研制了一套 多液压缸同步顶升动力系统。该系统采用了“工控机+ 可编程控制器十液压控制系统 组 成分布式控制系统，实现执行机构的分散控制，集中管理。系统不仅能实现多液压缸载 2 第一章绪论 荷不均衡的情况下同步升降，而且能对各顶升点的压力、位移和应力进行实时的监控。 该动力监控系统可实现同步升降速度( 可调) 最大1 0 m m m i n ，位置同步误差为1 5 m m ， 压力控制误差小于3 。 除上述应用实例外，液压缸同步在大型电液伺服飞行仿真转台和航天驱动装置上也 得到了应用1 8 j 。 综上所述，电液伺服系统的多缸同步控制应用十分广泛，但液压伺服系统是典型的 非线性时变系统，常存在较大程度的参数变化和大时变负载干扰，要实现长行程、高精 度的多缸同步控制还是有一定的难度，所以对电液伺服系统多缸同步控制的研究是非常 必要的。从系统的稳态特性、动态特性以及鲁棒性出发，进一步研究多缸同步控制系统 的控制策略，提高系统的控制性能，这无疑对多缸同步控制系统在工程上的应用有着重 要的意义。 1 2 多缸同步伺服控制技术分析及应用 1 2 1 多缸同步驱动技术三种具体形式【9 】 ( 1 ) 机械同步控制系统 机械同步控制系统是采用机械约束构件将多个液压缸硬性地连接起来实现同步。这 种系统的同步精度主要取决于机构的制造精度和刚性，其优点是结构简单、可靠性高；e 其缺点是在偏载荷太大的情况下，会出现卡死现象，另外由于附加构件会增加机构的重 量和复杂性，所以不利于机构的控制。 ( 2 ) 液压平衡阀同步控制系统 液压平衡阀同步控制系统是通过应用多种液压同步控制元件控制每个油缸的供油 流量，从而实现多个液压缸同步动作。这种同步系统的同步精度主要取决于相关液压元 件以及油液的相关性能，并且开环控制是最常采用的控制形式，所以液压平衡阀同步控 制系统主要应用在同步精度要求不太高的场合。 ( 3 ) 电液伺服同步控制系统 电液伺服同步控制系统是指采用各种电液比例阀、电液伺服阀或数字阀构成电液伺 服机构。这种同步系统的优点是一般采用闭环控制形式，能对输出量进行实时的检测和 反馈，在很人程度上消除或抑制了不利因素的影响，从廊获得较高的同步精度。与前两 种同步方式相比，它的控制凹路的组成比较复杂、费用偏高。 1 2 2 多缸同步电液伺服系统控制策略 随着工业技术的高速发展，对液压伺服控制系统的结构和性能要求变得越来越高。 在应用系统多样化、控制对象复杂化条件下，液压伺服系统由于具有较强的鲁棒性、较 3 电液位置伺服系统的多缸同步控制方法研究 高的工作效率、简化的控制器结构以及易于在线调节的控制器参数等特点而受到重视。 液压伺服系统的控制方式一般应用闭坏控制，相对开环控制而言，能对输出进行检测、 反馈是其优点，这很大程度上消除或抑制执行元件误差的影响，可以获得高精度的同步 控制。 目前应用于电液伺服系统同步控制的控制策略主要有： 1 经典p i d 控制及其各种改进型 p i d 控制是基于系统误差的现实因素( p ) 、过去因素( i ) 和未来因素( d ) 进行线性组合来 确定控制量，它具有结构简单、易于实现等特点，是工程中最常用的控制策略。它以基 于工作点附近的增量线性化模型为基础，以频率法作为研究控制系统动态特性的主要方 法，以n i c h l o s 图、b o d e 图、n y q u i s t 曲线、根轨迹等作为系统分析和综合的主要工具。 但传统的p i d 采用线性定常组合方案，难于协调快速性和稳态性之间的矛盾。在具有变 参数和外干扰的情况下，其鲁棒性也较差。从而形成了自适应p i d 、模糊p i d 、智能积分 p i d 和非线 生p i d 等各种新型智能p i d 控制技术，这使得p i d 控制对系统获得更好的控制 性能。如文献【l o 所述微分先行变比例p i d 控制，克服了调节时间长、系统不稳定、改变 比例系数k p 同时也改变积分时问t l 所引起的超调量过大的缺点，但被控对象的特征或参 数随环境条件的变化时，原来的控制器参数可能不适应当前系统。文献【1 1 】设计了模糊 自适应p i d t 线性控制器，使系统对恶劣的环境有较强的适应能力，取得了较好的控制 品质和较高控制精度。文献 1 2 1 应用免疫反馈系统原理和模糊控制理论，在传统p i d 控制 基础上设计出一种模糊免疫自适应p i d 控制器。文献 1 3 】【1 4 】针对电液伺服系统提出了模 糊控制、模糊p i d 、以及模糊控$ 1 j 矛i p i d 的复合控制，并指出了这几种算法的优缺点。 2 自适应控制 当被控对象的参数缓慢变化时，该控制策略通过实时辨识对象参数的变化来自动地 调整控制器的参数或者根据对象的实际输出与期望的输出( 参考模型的输出) 的偏差来调 节控制器，从而使系统的性能保持不变1 1 5 】。在设计控制系统时，不需要完全知道系统的 参数或结构，控制器通过一边估计未知参数，一边修正控制作用来达到自适应目的。在 实际应用中，以模型参考自适应控锋j l j ( m r a c ) 和自校正控f l ；l j ( s t c ) 的应用最为成熟。而对 具有参数突变和突加外负载干扰的电液伺服系统，一般采用的自适应控制大多为模型参 考自适应。文献【1 6 针对机器人电液伺服系统中负载转动惯量随姿态变化而变化的特点， 提出了电液位置伺服系统的自适应控制律，达到了很好的控制目的。文献 1 7 1 提出一种 改进的模型参考自适应模糊控制方法，用模糊自适应机构代替常规的自适应机构，并用 模糊因子自调整律实时调节模糊自适应机构的模糊规则，提高了模糊自适应机构推理规 4 第一章绪论 则的调整精度，获得了更好的控制性能。 3 鲁棒控制 在实际问题中，系统的模型可能包含不确定因素，但希望控制系统仍有良好的性能， 这就是鲁棒控制问题。鲁棒控制对于提高液压伺服系统的鲁棒性具有重要价值。它要求 设计的控制器在系统模型存在摄动以及出现最坏干扰时，系统仍能保持鲁棒稳定，并能 得到预定的鲁棒控制性能。在电液伺服系统中较为常用的鲁棒控制方法主要有定量反馈 控隹jj ( q f t ) 、h 。控制以及自适应鲁棒控制等。文献【1 8 】应用鲁棒控制原理进行水力液压 力控制器设计，并且考虑了非线性环节的影响，如阀的流量特性、油液弹性模量、负载 刚度等，从而解决了液压系统参数不确定性问题，但不确定性参数的上界和下界不能辨 识。文献 1 9 基于复合控制原理提出了一种鲁棒伺服控制方法，控制器由主控制器和辅 助控制器组成，主控制器根据被控对象额定工矿参数按照最优控制原理工作，辅助控制 器的输出取决于系统的不确定性。这种控制方案已成功地用于泵控马达速度伺服控制系 统。 4 变结构控制 变结构控制是一种根据系统状态偏离滑模的程度来变更控制器结构( 控制律或控制 器的参数) 的一种控制方式，使系统按照滑模规定的规律性运动。与传统的控制系统相。 比，变结构控制具有控制规律简单，可以协调动态和稳态性能问的矛盾的特点，特别是 其滑动模态对系统的参数变化和外部干扰具有完全不变性。变结构控制的缺点是系统的 非线性能够引起系统的自振，故系统存在抖动，但选择合适的滑动模态可达条件，能使 抖动影响减小到工程许可的范围内。线性与非线性系统、连续与离散系统、确定与不确 定性系统、集中参数与分布参数系统、集中控制与分散控制系统等都能使用变结构控制。 变结构控制经常被应用在卫星导弹姿态控制、机器人控制、飞机控制、电机与电力系统 中。文献 2 0 】基于滑模控制理论，设计了一种具有参数自适应能力的自适应滑模变结构 控制器，从初始状态到达滑模面这段运动时间内和在滑模面上运动时，依赖于一个时间 函数，使系统在两个不同的控制律之间进行切换，以满足不同运动阶段的要求。文献 2 1 针对某型鱼雷尾舵电液位置伺服系统存在参数不确定性和干扰的问题，设计了一种新型 的积分滑模白适应变结构控制器，实现了在变工况条件下对系统的良好跟踪控制。文献 【2 2 应用了负载在线估计器，来解决变结构控制的稳态抖振问题，研究表明估计惯性调 节系统参数变化，可以增强系统的鲁棒性。 5 智能控制 智能控制足人工智能与自动控制交互作用的结果。随着模糊集理论的形成和发展以 气 电液位置伺服系统的多缸同步控制方法研究 及神经网络在控制学科的不断渗透，智能控制能很好的处理复杂的非线性问题，因而在 电液伺服控制系统中具有广泛的应用前景。多年来有关人工智能控制的研究主要侧重于 学习控制、模糊控制、神经网络等方面。文献 2 3 】提出了一种迭代学习控制的方法，选 择合适的学习项增益，对于减少学习控制迭代次数具有重要意义。针对电液振动试验机 对象，文献2 4 】应用系统自适应频率响应函数，提出了加速度控制的频率域迭代学习控 制方法，取得了十分好的跟踪性能。文献【2 5 】为负载传感比例阀控液压缸系统设计了一 种模糊控制器，获得了较理想的动态性能。文献【2 6 】在液压系统多速控制中采用了模糊 控制器比例因子的自调节算法，尽管速度阶跃响应的快速性指标得到了有效改善，但系 统暂态特性稍差。文献 2 7 】在神经网络控制器设计中，考虑了阀控缸系统中的非线性摩 擦作用，尽管在零速度区域的系统性能比其它情况下要差一些，但可以在死区范围内引 入单脉冲信号的办法加以解决。实验结果表明，系统的控制性能优于传统的p i d 控制。 6 内模控制 内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略。由于内模控制 具有设计简单、控制性能好和在系统分析方面的优越性，因而内模控制不仅是一种实用 的先进控制算法，而且也是研究预测控制等基于模型的控制策略的重要理论基础。许多 研究者深入讨论了内模控制和其他控制算法，如动态矩阵控制、模型算法控制、线性二 次型最优控制等之问的内在关系。多变量内模控制可以直接调整闭环系统的动态性能， 并对模型误差具有良好的鲁棒性，因此内模控制也是多变量过程控制系统分析与设计的 一种重要方法。 文献【2 8 】针对电液位置伺服系统，提出了一种内模控制器设计方法，系统参数整定 方便，避免了控制器整定的随机性与复杂性。仿真研究和实验结果表明，内模控制可以 有效地克服参数变化对系统性能的影响，使系统同时具有良好的目标值跟随特性和鲁棒 性。文献 2 9 】针对电液扭转疲劳试验机系统，提出了内模控制的设计思想，在系统的不 同频带把p i d 控制和内模控制进行了对比。研究结果表明，内模控制能更好地改善系统 的动态、静态特性，具有很好的鲁棒性。文献 3 0 】由于电液位置伺服系统存在参数不确 定和负载扰动较大等问题，利用内模控制原理和鲁棒控制理论，设计了鲁棒跟踪控制器 和鲁棒状态反馈控制器。仿真结果表明，该位置鲁棒跟踪控制系统不仅对电液伺服系统 的参数不确定性有很好的控制效果，而且可以有效地抑制负载扰动的影响。文献【3 1 】针 对周期性、多频扰动的电液阀控摆动液压缸伺服系统，设计了一种内模控制器。仿真和 实验结果表明，内模无静差跟踪控制器是电液阀控制摆动液压缸系统输出能准确地跟踪 参考输入，有效地消除外干扰误差。 6 第一章绪论 1 3 本课题的主要研究内容 由于多缸同步控制系统各通道间的耦合和扰动作用以及工况和负载的复杂多变性， 多缸同步控制一直是机械行业的一个难题。本文在建立同步控制系统的数学模型的基础 上，提出先进的控制策略，从而抑制同步误差。本课题研究的主要内容包括： ( 1 ) 建立电液位置伺服多缸同步控制系统的数学模型。通过对同步回路中电液比例 阀、液压缸的动态性能分析，根据系统特点，即重载、非线性、高精度等建立液压系统 的数学模型。 ( 2 ) 将p i d 控制应用到四缸同步系统中，设计了p i d 控制器。对无干扰和有干扰等 工作条件下控制特性进行了分析比较，讨论了系统的稳态性能和抗干扰能力。 ( 3 ) 模型参考自适应控制是电液位置伺服控制系统一种常用的控制方法。自适应机构 的设计本文应用模糊控制算法，以误差和误差的变化率作为控制器的输入，利用模糊规 则对控制器参数在线调整，构成了模型参考模糊自适应控制。本文分别对有无干扰以及 系统参数变化的情况进行了仿真研究，并对仿真进行了分析。 ( 4 ) 基于内模控制的原理，设计了内模控制器。分别对有无干扰以及系统参数变化的 情况进行了仿真研究，并且和p i d 控制、模型参考模糊自适应控制的控制效果进行了分 析对比，从系统的快速性、稳态精度和鲁棒性出发，说明了内模控制独特的优越性。 7 电液位置伺服系统的多缸同步控制方法研究 8 第二章多缸同步电液伺服系统的数学模型 第二章多缸同步电液伺服系统的数学模型 2 1 引言 随着液压技术的发展，液压系统作为先进的执行控制系统已经广泛的应用于各个行 业中，对于工程技术人员来说，液压系统中同步控制是经常遇到的问题。因为高负荷、 大功率、长行程系统通常要求多个执行机构来完成它的功能和动作，如水库闸门的提升、 大型集装箱的升降、轧机同步运动、大型房架整体提升等等，而在大型和巨型工业系统 或者要求高精度的场合，比例同步回路是应用最多的。比例同步回路最大的优点是控制 精确，可以精确控制油缸实现速度同步和位置同步p 引。电液比例阀控缸系统在实际应用 中也越来越广泛。 2 2 四缸同步电液伺服系统的工作原理和组成 2 2 1 四缸同步系统的工作原理 图2 1 为四缸液压同步控制系统结构框图。系统采用闭环控制，提高了系统的同步 精度和自动化程度。系统工作时，位移传感器实时采集液压缸位移的数值，经a d 转换 传送到计算机后，通过控制器相应的控制算法计算，由计算机把计算结果发出，经d a 卡及比例放大器输入到比例阀的电器机械转换元件，驱动阀芯运动，控制比例阀的丌口 流量，进而控制液压缸的运动速度和位移，消除位移误差，达到阴缸同步运动。 图2 i 四缸同步液压系统结构框图 f i g2 1b l o c kd i a g r a mo ff o u r - c y l i n d e rs y n c h r o n o u sh y d r a u l i cs y s t e m 2 2 2 四缸同步系统的组成 对四缸同步伺服系统，升降液压缸一般采用周边四点式结构。4 个支点安装4 个升 降缸，确定系统的承载能力、最大加载以及加载行程，选择合适的液压缸，从而设计出 合理的同步控制系统。具有大型负载的升降系统的特点是：升降液压缸承受的负载变化 很大；每个液压缸承受的负载随时变化，每个缸同时承受的负载相差也很大；要求整个 系统在上升、下降的全过程中速度平稳，负载平衡，否则会出现卡死现象。 四缸同步系统的组成如图2 2 所示，电液伺服同步系统采用i q 个比例换向阀控制伺 9 电液位置伺服系统的多缸同步控制方法研究 服缸，液压缸装有编码器( 模拟量输出) 用于实时监测液压缸的位移，然后反馈到多功 能采集卡端子排，送入多功能采集卡。采集到信号经采集卡的滤波、信号转换等处理送 入工业控制计算机。控制器( 工业计算机) 根据要求的运动命令信号和反馈信号，分析 计算后求得系统的控制信号分别送给比例阀，根据电信号的强弱来控制比例阀的丌口流 量，从而控制四个液压缸的位移变化，这就是一个控制运动周期，经过多个控制周期后 系统完成指定的同步运动功能。 图2 2 电液位置同步系统的组成 f i g2 2c o m p o s i t i o no f e l e c t r o h y d r a u l i cp o s i t i o ns y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m 2 3 多缸同步系统单通道数学模型 现在工业领域的许多场合都用到了非对称阀控非对称缸机构，非对称阀控非对称缸 机构因其具有消除或缓解液压缸换向时的压力空变、提高系统承载能力等特点而得到了 越来越广泛的应用【3 3 1 。阀芯位移较大、阀口非对称、液压缸非对称以及变负载是非对称 阀控非对称缸机构的特点【3 4 1 ，用经典的阀芯位移线性化数学模型来分析非对称阀控非对 称缸机构不能满足实际要求。因此研究建立非对称电液比例阀控非对称缸机构的数学模 型是十分必要的。 1 0 第二章多缸同步电液f = - - n 系统的数学模型 2 3 1 电液i ；t 1 ：i i 阀主阀芯位移的数学模型 电液比例阀是一种按输入的电信号连续地、按比例地对液压油的压力、流量或方向 进行远距离控制的阀。电液比例阀结构简单、成本低，所以它被广泛应用于对液口i 参数 进行连续控制。从理论上分析，电液比例阀从控制信号输入到阀芯位移输出是一个较复 杂的非线性系统，具有如文献 3 5 所述的死区、饱和、滞后等非线性特性。本文考虑到 电液比例阀的响应频率与电液伺服系统的响应频率相差较大，因此在系统建模中可以将 电液比例阀的模型近似为一比例环节，传递函数为 k = 垒( 2 1 ) 式中x ，一电液比例阀阀芯位移m m “一电液比例阀的输入电压v k ，一电液比例阀位移增益m n 州 2 3 2 非对称阀阀芯位移一负载流量的数学模型 定义液压缸的负载压力为p l 和负载流量为q l ，则3 6 1 既= 届一手仍= 局一印2 t 一7 2 ) 既2 届一于仍2 局一印2 z j 1 q = ( 2 3 ) 式中p ，一为无杆腔的油液压力p a 么一为有杆腔截面面积m m 2 岛一为有杆腔的油液压力p a 1 1 一无杆腔和有杆腔截面面积之比( 无量纲) q ( j 。一无杆腔的油液流量m m 3 i s q f 2 一有杆腔的油液流量m m 3 i s 非对称阀控非对称缸机构的负载流量方程为【3 7 】 q = q ( o i 舅， 式中式爿v 一南乱其中是阀芯的流 位移死区m m q 一阀口的面积梯度m m 2 m m 亏一阀口1 、2 与阀口3 、4 的面积梯度之比 ll ( 2 4 ) 电液位置t - - n l i 系统的多缸同步控制方法研究 以油源供油压力p a p 一油液密度g c m 3 q 一非对称因子，当仅耳 o 时，a = 1 ，当a 0 时，0 【，= ” 2 3 3 阀控非对称缸机构的非线性数学模型 通对非对称阀控非对称缸机构的流量分析【3 8 1 ，可以得到如下液压缸负载流量连续性 方程 q 2 q p t + 兹”铂 ( 2 5 g = 警 。( 2 6 ) 圪= 毪攀高争 亿7 ， 。 ( q 3 + 毛2 ) ( 1 + q 2 ) 、7 式中e 一液压缸总泄漏系数m 5 ( u s ) 巳一液压缸内泄漏系数m 5 ( n s ) 。c 乙一液压缸外泄漏系数m s ( n s ) 圪一液压缸等效容积m m 3 p 。一油液容积模数m p a 昂一液压缸活塞位移m i i l k 一液压缸的行程n 2 1 t 1 此处有，l ：亏：i 1 ，则上式可以简化为 e = 乒 ( 2 8 )e = ( 2 8 ) 屹= 掣 ( 2 9 ) 对液压缸活塞进行受力分析，可以得到液压缸的负载动平衡方程 a i p l = m 瑟p + b t j p + f | 。 = 心毫 ，= i，= i，；i 礤1 七 。s i n o ) , , = 3 x ，- l 4 融j 七 n s i n o y ) l y , = ) ， ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 由于在负载的运动过程中以和吼很小，所以s i n o ，和s i n g 近似等于零。可将式 ( 2 1 1 ) 、( 2 1