电液位置同步伺服系统的模糊控制研究

1、机床与液压20021No1183电液位置同步伺服系统的模糊控制研究管杨新,胡大邦,王奕豫(煤炭科学研究总院上海分院液压研究所,200030)摘要:针对液压伺服系统中的非线性和不确定特性,并为改善常规模糊控制系统中较差的稳态性能,设计了模糊-线性复合控制器,将其应用于电液位置同步伺服系统。分析同步系统中两种常用的控制策略,从而获得最佳控制方式。通过仿真和实验结果显示,本文的控制算法和同步策略可取得良好效果。关键词:液压伺服系统;非线性;模糊控制;同步控制策略中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1001-3881(2002)1-083-30引言非线性环节经常存在于液压伺服系统中,而且包括

2、死区、摩擦和滞环等的非线性环节又是未知和时变的。为解决上述问题,很多研究已被提出,但各有缺陷,例如PID控制器很难获得满意的效果,自适应控制器通常要求较快的CPU执行速度,对于时变性较快的液压控制系统难于达到良好的实时性。自从模糊控制器出现以来,得到了广泛应用,。然而,当系统误差趋向于零时,模糊控制系统可能出现振荡和较大的稳态误差。针对这一缺陷,本文设计了Fuzzy-PID复合控制器,可使系统具有鲁棒性和精确性。为了验证控制性能,本文将这种控制器应用于电液位置同步系统的实时控制。位置同步系统的结构差异会带来不同的控制效果,本文对同步系统中常用的两种控制策略进行了比较和分析。因为它们各自都有局限

3、性,所以综合采用两种策略的同步系统可获得更好的动态和稳态特性。1电液位置同步控制系统的组成步误差,控制器作出决策并将控制信号传送给比例阀放大器4。信号的转换和传送由脉冲计数卡和D/A卡接口完成。另外,比例方向阀自身是个闭环控制系统,通过传感器检测阀芯位移,反馈至比例放大器的输入端,由放大器的PID。这样系统通过。2-D2,它是两输入、单输,e和误差变化ce,定义为e(k)=r(k)-y(k)ce(k)=e(k-1)-e(k)=y(k)-y(k-1)其中,变量r和y分别表示设定值和系统输出,k和k-1分别表示离散时间系统的当前时刻和前一时刻。图2模糊控制系统方框图采用7个语言模糊集来描述所有的输

4、入、输出模糊变量,它们是NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB,各自表示:NB-负大,NM-负中,NS-负小,ZE-零,相对应的P-正。模糊集定义在某个论域中,比例因子ke和kce用来将模糊集影射到各自的论域。E=e3ke,CE=ce3kce图3隶属函数图1电液位置同步控制系统构成图如图1所示,该系统由同一油源供油的两套相同液压回路组成。控制器5(计算机)通过直动式比例方向阀1控制两只油缸2的位移和速度。油缸的位移通过光栅传感器3反馈到控制器,根据位置误差和同模糊控制需用隶属函数描述模糊集,本文采用三角形函数来描述所有输入、输出变量的模糊集,如图3所示。控制规则由条件语句表示,“假如E=A,

5、并且CE=B,那么U=C”,其中A、B、C表示模糊集。所有的规则可组成控制表,本文由27条规则组成了表1。这些规则是由人们的经验、对系统响应的了解和试84凑法相结合而推导出来。表1控制规则表ECENBNMNSZEPSPMPB机床与液压20021No11(c)并、串复合联接图5同步控制策略然后,需要用模糊决策来计算每个控制动作的隶属度。每种可能的输入变量组合经过决策和解模糊化过程计算可得出查询表。查询值乘以比例因子ku就得到控制器的输出,u=U3ku。然而,当系统误差趋于零时,利用查询表不能实现最优化控制,系统会出现振荡和较大稳态误差。为此,本文设计了模糊和PID控制器并联组成的复合系统,如图4

6、所示。通常,位置同步系统的首要控制要求是稳态同步误差。另一方面,假设稳态同步误差已能满足工程上的要求,但由于同步系统结构型式的不同,以及组成同步系统的各自控制系统特性的差异等,系统仍将会产生较大的动态同步误差,而当这种动态同步误差超过一定值时在工程上也是不允许的,还必须。,所以“并联结构”难以得到良好的控制性能。对于“串联结构”,因为从动系统的输出变量y2跟踪主动系统的输出y1具有延时性,所以系统在响应过程中会出现较大的动态同步误差。针对这两种结构的缺陷,本文提出并、串复合联接的控制策略,见图5(c)。图中控制环节Gc1和Gc2分别控制两只油缸的位移y1和y2跟随设定值,同时环节Gc3调节两个

7、位移间的同步误差。在此,Gc1和Gc2采用图4Fuzzy-PID复合控制系统方框图模糊控制器和PID控制器的输出同时作用于控制对象,使得系统响应时间缩短。当误差趋于零时,模糊控制器的输出uf=0,只有PID控制器作用于控制对象,能够明显地消除稳态误差。3同步控制策略的分析和选择同步系统中通常采用“并联结构”和“串联结构”两种控制策略,如图5(a)和(b)所示,本文忽略执行元件1和2之间的耦合环节。“并联结构”是指两个需同步控制的执行元件跟踪设定的理想输出而都分别受到控制并达到同步驱动。“串联结构”是指两个需同步控制的执行元件以其中一个的输出为理想输出,而另一个执行元件受到控制来跟踪这一选定的理

8、想输出并达到同步驱动。Fuzzy-PID复合控制器,Gc3采用常规PD控制器。4仿真与实验结果(1)被控对象的数学模型被控对象的数学模型为Gn(s)=()=2Un(s)Tns+1s2+s+1nn式中,Tn-比例方向阀等效时间常数;Kn-被控对象的增益系数;n-被控对象的固有频率;n-被控对象的阻尼比;n=1是被控对象a(见图1);n=2是被控对象b(见图1);(2)仿真结果本文的仿真研究均由SIMULINK实现。被控对象(a)并联结构参数的取值如表2所示,仿真结果见图6,其中y1和y2分别是子系统1和2的输出,e=y1-y2是同步误差。表2仿真对象参数同步并、串0103700125010240

9、012(b)串联结构机床与液压20021No1185014。实验结果(见图7到图9)显示并、串复合联接的控制方式具有优良的效果。以该方式在前述的负载条件下进行多次实验,结果列于表3。(a)并联结构仿真曲线(b)串联结构仿真曲线图7并联结构实验曲线(c)并、串复合联接仿真曲线图6仿真结果由图6可看出:在(a)中特征参数不同,和动态同步误差,要保证在复杂工况下,两个子系统特征参数随时匹配就很困难,所以这种控制方式效果不佳。在(b)中,尽管两个子系统的特征参数相同,但由于y2跟踪y1的延时性,产生了很大的动态同步误差。在(c)中,尽管两个子系统的特征参数不同,但系统在“并联结构”的基础上,增加了同步

10、误差调节器,使y2可迅速跟踪设定值和y1的变化,获得满意的稳态和动态控制效果。(3)实验结果图7并、串复合联接实验曲线图7串联结构实验曲线5结论(1)因为模糊控制算法不要求系统的精确数学模为验证复合控制器和同步控制策略的效果,进行了位置同步控制实验。实验均在相同的负载情况下进行,即系统油源压力ps=8MPa,两缸的偏载程度达到15%,油缸活塞杆的位移设定值S=70mm,采样时间T=4ms。表3并、串联复合联接系统的实验结果y1y2定位误差e1(mm)定位误差e2(mm)稳态同步(mm)(mm)误差e(mm)误差(mm)型,能克服系统中的非线性因素,并对时变系统能进行实时控制,因此是一种很有价值

11、的控制方案。(2)设计的Fuzzy-PID复合控制器能明显改善常规模糊控制系统较差的稳态性能,可达到很小的稳态误差,且调整时间短。(3)在同步系统中,采用并、串复合联接的控制策略可同时实现良好的动态和稳态控制性能。参考文献【1】刘长年液压伺服系统优化设计理论1冶金工业出版社,1989【2】Jong-HwanKim,Seon-WooLee,Kwang-ChoonKim1FuzzyPrecompensationofPIDController1ProceedingofSecondIEEEConferenceonControlApplication,1993【3】Chih-HsunChou,Hung-ChingLu1Designofareal-timefuzzycontrollerforhydraulicservosystems1ComputersinIndustry,22,1993