基于模糊控制的液压伺服控制系统研究.pdf

第 4期 总第 1 8 5期 2 0 1 4年 0 8月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHAN1 CAL ENGI NEE R1 NG AUT0MAT1 0N NO ．4 Aug ． 文 章编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 4 0 1 5 8 0 2 基于模糊控制 的液压伺服控制系统研究 高明玉 1 ．太原理工大学 信 息工 程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 ；2 ． 山西大 同煤矿集 团 宏泰矿 山工程建设有限责任 公 司 ， 山西 大 同0 3 7 0 0 3 摘要 针对非线性的液压伺服控制系统，设计 了一种常规 P I D控制 器和一种模 糊 P I D控制器 ，并分析 了它 们 的优点和缺点。通过 MA TL AB仿真表 明，该模糊控制器既具有常规 P I D控制器高精度的优点 ，又具有模 糊控制器快速 、适应性强、可靠性高的特 点，为液压 系统控 制提供 了可行 的方案。 关键词 液压伺服控制系统 ；模 糊控制器 ；P I D控 制器 中 图 分 类 号 TM9 2 1 ． 5 4 1TP 2 7 3 ． 4 文 献标 识 码 A 0 引言 作为液压控制技术 的一个重要研究分支 ， 液压伺 服控制系统是 自动控制领域 的重要研 究对象之一 ， 近 些年来 ， 取得 了很 多研究成果 ] 。液压伺服控制系 统的控制任务是使控制系统的被控制量不受干扰的影 响 ， 使系统的输出能够快速地跟踪系统的输入。随着 生产力的高速发展 ， 要求液压伺服控制系统的反应速 度越来越快 ， 超调量越来越小 。 由于液压伺服控制系统具有参数时变性 、 外 负载 干扰和非线性 ， 采用传统 的 P I D控制 ， 控制效果不是 特别理想， 而模糊控制 的优点是不要求被控对 象有精 确的数学模型 ， 并且对 于非线性和不确定性的被控对 象可以实现实 时控制 。本 文分别 运用 P I D控制 和模 糊控 制 对 液 压 伺 服 控 制 系 统 进 行 控 制， 并 通 过 MA T L A B仿真分析说明了模糊控制具有较好的动态和 稳 态性能 。 1 液 压伺 服控 制 系统 模型 设计 先 建 立 液 压 伺 服 控 制 系 统 的模 型 ， 如 图 1所 示 。 它 由控制器 、 放大器、 伺服阀、 液压缸和负载 、 位置传感 器 5大部分 组成 ， 其结 构如 图 2所示 。 对于非线性的液压伺服系统进行线性化之后 ， 其 传递函数为 G㈤一 1 ． 2 5 1 06 s 1 2 P I D控制 器的设 计 节和一个微分环节， 它的输人输出形式可表示为 “ 一K P K J P t d t K ． J U 其 中 P 为 P I D控制器 的输 入量 ； “ ￡ 为 P I D控 制器 的输出量 ； K ， K ， K 分别为 P I D控制器的比例系数、 积分系数和微分系数 。传统 P I D控制器是 比较古老 和经典的控制器 ， 具有控制精度高 、 抗干扰能力强等优 点， 但是它仅对于线性控制系统适用 ， 对于非线性控制 系统不适用 ， 如果不知道被控对象精确的数学模型， 传 统 的 P I D控制 也是 不可用 的。 图 1 液压伺服控制系统的模 型 3 模 糊控 制器 的设 计 定义误差 E、 误差变化率 E 和控制量 己 ，的模糊 子集 均为 传统 P I D控制器包含一个 比例环节 、 一个积分环 { NB， NM， NS ， Z ， P S ， P M， P B } ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 1 8 ；修 回日期 2 0 1 4 0 4 1 5 作者简介 高明玉 1 9 6 9 一 ，男 ，山西天镇人 ，高级工程师 ，在职工程硕 士。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 4期 高明玉 基 于模糊控 制的液压伺服控制 系统研 究 1 5 9 NB， NM，NS ， Z， P S ， P M， P B分别 表示 负大 、 负 中、 负小 、 零 、 正小 、 正 中、 正大。选取 E和 E c以及 己 ， 的论 域均 为 { 一6 ， 一5 ， 一4 ， 一 3 ， 一 2 ， 一 1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 且 假设 E 和 E c以及 U 都 服从 三 角 形 隶 属 函数 曲线分布 ， 如图 3所示 。 被控 对象 图 2液压伺服控制 系统 结构 图 图 3 E， E c ， K ， K 。 K 的隶属 函数 曲线 为使 U 可 以根据 E 和 Ec的变 化 自我 整 定 ， 首 先 需 找 出 U 和 E 以及 Ec的 对 应关 系 ， 根 据 以往 的专 家 经验， 可得参数 U 的模糊控制规则表 ， 如表 1 所示。 表 1 U的模糊控 制规 则表 E Ec NB NM NS Z P S PM PB NB PB PB PM PS P S Z Z NM PB PB PM PS P S Z NS NS PM PM PM PS Z NS NS Z PM PM P S Z NS NM NM PS PS PS Z NS NS NM NM PM PS Z NS NM NM NM NB PB Z Z N M NM NM NB NB 据模 糊 控 制规 则 表 1可 以得 到参 数 E 和 E c以及 调整规则的条件语句如下 I f E i s M a nd EC i s N ， Th e n U i sU 其 中 M ， N ， U 是模 糊 集合 ， i 一1 ， 2 ， ⋯ ， m。 最后运用 Ma md a n i 模糊推理算法和极大极小合 成模糊规则来进行模糊 推理运算 。例如 e P， e 一q ， 通过 表 1 可 得 到 U 的模 糊 推理 结论 是_ 5 ] 49 u Zp 一 V u Zp ． 其 中 6 0 一 q ， M ， p 表示在集合 中 对 P P求 8的隶属度 ， N ． q 表示在集合 N 中对P 一 q求 e 的隶属度 ； z p 表示在集合 u 中对 UZ 求 U的隶属度 ； ． Z p 表示 在集合 U 中对 UZ p求 “ 的隶属 度 ； sU M i A q 表 示 与 N q 进 行 极 小运 算 ， 然后 u ． Z p 与 M N q 进行极小 运算 ， 最后 i 从 1取到 4 9 ， 对上述值进行极大运算 。 4 MA T L AB仿真 研 究 对图 1所 示 的液 压 控 制 系 统 进 行 编 辑 ， 并 按 MATL AB仿真的正确步骤进行仿真。图 4给出 P I D 控制和模糊控制的响应 曲线。由图 4可以看 出， 模糊 控制 较 P I D控制 具有 良好 的动 态和稳 态性 能 。 目 ＼ 趟 0 ．4 0 ．2 ， 、 ， P I [ 控 翻 ／ V L 模糊 控银 1 J 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 t ／ s 图 4 P I D控 制和模糊控制 的响应 曲线 S 结论 针对具有复杂性和非线性 的液压伺 服控制系统， 利用 P I D控制器和模糊控制器 的优缺点 ， 分别对液压 系统进行 了控制 ； 通过 MA TL AB仿 真的比较分析表 明， 该模糊控制器是一种简单而又实用的智能控制器 ， 具有稳定性好 、 快速性好 、 适应性强等优点。 参 考 文 献 E l i 刘 勇 ， 王新 阁 ， 孟 庆迪． 基 于 MA TL AB ／ S i mu l i n k的 电液 位 置伺 服系统 可视化 仿真 [ J ] ． 装 备制造 技术 ， 2 0 0 7 6 64 65 ． [ 2 3 翟爱 清 ， 李琳． MAT L AB在 电液伺 服模糊 控制 系统仿 真 中的应用 [ J ] ． 西安科技 学院学报 ， 2 0 0 3 ， 2 3 3 2 8 7 2 9 0 ． [ 3 3 绍俊鹏 ， 徐星 辉 ， 马坤． 液压 伺服 系统 MR F AC理论及 其 MATL AB仿真研究 E J ] ． 液 压气 动与 密封 ， 2 0 0 2 ， 3 6 3 4 - 5 ． [ 4 ] 闻新， 周露， 李东江． MAT L AB模糊逻辑工具箱的分析与 应用 [ M] ． 北京 科 学出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 5 ] 汤兵 勇， 路林吉 ， 王 文杰． 模糊控 制理论与应 用技术 [ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． Hy d r a u l i c S e r v o Co nt r o l S y s t e m Ba s e d 0 n Fu z z y Co n t r o l GAO M i ng - y u ’ 1 ．Col l e ge o f I n f o r ma t i o n Eng i n e e r i n g，Ta i y u a n Uni v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a；2 ．Fe r gu s M i ne En g i n e e r i n g Co ．，Lt d ．，Da t o n g Co a l M i ne Gr o u p，Da t o ng 03 7 0 0 3，Chi n a Ab s t r a c t A c o n v e n t i o n a l PI D c o n t r o l l e r a n d a f u z z y c o n t r o l l e r a r e u s e d i n a n o n l i n e a r h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l s y s t e m r e s p e c t i v e l y，t h e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e m a r e a n a l y z e d ．Th e s i mu l a t i o n b y MATLAB s h o ws t h a t t h e f u z z y c o n t r o l l e r h a s b o t h t h e a d v a n t a g e s o f h i g h - p r e c i s i o n o f c o n v e n t i o n a l P I D c o n t r o l l e r a n d t h e a d v a n t a g e s o f f a s t r e s p o n s e a n d h i g h r e l i a b i l i t y o f f u z z y c o n t r o l l e r ，wh i c h p r o v i e d s f e a s i b l e s o l u t i o n f o r t h e h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d shy dr au l i c s e r v o c o nt r o l s ys t e m ；f u z z y c ont r ol l e r ；PI D c on t r o l l e r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m