基于先进PID控制的液压同步系统研究.pdf

液 压 气 鼋 与 密 封 ／2 0 1 6年 第 0 1 期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 0 4 基于先进 P I D控制的液压同步 系统研究 魏跃斌 ， 陈惠贤 ， 张小奇 ， 任亚峰 ， 黄耀峰 1 ． 兰州理工大学 机电工程学院， 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 ；2 ． 兰州科近泰基新技术有限公司 ， 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 摘 要 针对重载四缸同步举升控制系统的高同步精度及稳定性要求， 利片 】 单神经元 自适应P I D控制器对电液比例伺服阀控缸位置进 行同步控制。建立了液压举升系统的动态仿真模型， 利用A ME S i m与 MA T L A B ／ S i m u l i n k 联合仿真的方法， 在搭建的控制算法下对控 制器参数进行优化并进行举升模拟仿真 ， 分析系统在运动过程中及极端工况下的位置同步特性。仿真分析表明 该控制算法能够实 现重载四缸同步举升控制系统的高同步精度及稳定性的要求 ， 并且同步精度达到0 ． 5 ra m。 关键词 同步精度； 电液比例阀； 稳定性； 同步特性 中图分类 号- T H1 3 7 ； T P 2 7 3 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 1 0 0 2 0 0 3 Si mu l a t i o n o f Hyd r a u l i c S y nc h r o n o u s S ys t e m Ba s e d o n Si n g l e Ne ur a l Ne t wo r k s WE I Y u e b i n ， C HE NHu i - x i a n ， Z H A N GX i a o q i 2 ， R E NY a - f e n g ‘ ， HU A N G Y a o -f e n g ‘ 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l ， E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g t ， La n Z h o u Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， Ch i n a ； 2 ． La n Zh o u Ke J i n T a i J i C o r p o r a t i o m， L t d ． ， La n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e r e q u i r e me n t s i n h e a v y - d u t y f o u r - c y l i n d e r s y n c h r o n o u s l i ft i n g h i g h s y n c h r o n i z a t i o n a c c u r a c y a n d s t a b i l i t y o f t h e c o n t r o l s y s t e m ， t h e u s e o f s i n g l e n e u r o n a d a p t i v e P I D c o n t r o l l e r f o r e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e-c o n tr o l l e d c y l i n d e r p o s i t i o n s e r v e s y n c h r o n o u s c o n t r o 1 ． Th e h y d r a u l i c l i fti n g s y s t e m d y n a mi c s i mu l a t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d b a s e d o n ， a n d t h e n u s e o f AMES i m MAT L AB ／ S i mu l i n k C O s i m u l a t i o n me t h o d ， u n d e r t h e c o n t r o l a l g o r i t h m t o o p t i mi z e t h e p a r a me t e r s o f t h e c o n t r o l l e r a n d l i fti n g s i mu l a t i o n ， a n a l y s i s s y s t e m d u r i n g e x e r c i s e a n d e x tre me wo r k u n d e r c o n d i t i o n s o f t h e s y n c h r o n o u s n a t u r e o f the p o s i t i o n． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s l i fti n g c o n tro l s y s t e m h a s t h e h i g h e r s y n c h r o n o u s c o n t r o l p r e c i s i o n a n d t h e s t a b i l i ty, t h e n t h e s y n c h r o n i z a t i o n p r e c i s i o n i s r ai s e d up t o 0． 5 mm． Ke y wo r d s s y n c h r o n o u s p r e c i s i o n； e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l v a l v e ； s t a b i l i ty； s y n c h r o n i z a t i 0 n f e a t u r e s O 引言 随着工程技术和设备大型化的发展 ， 大型部件的 运用越来越多 ， 而驱动大 型部件 的执行器数量也 随之 增多 ， 由于在大 负载 以及偏载情 况下 ， 液压系统 的泄 漏、 执行元件问负载的不均衡和系统各组成部分的制 造及安装误差等因素的影响， 要实现多缸高精密、 快响 应同步控制具有较大难度 ， 因此解决执行器的同步精 度控制问题成为液压行业的一个重要课题I ” 。 为了更好的提高同步控制精度 ， 研究者对其做 了 大量研究。针对多缸 同步提升电液系统 问题 ， 倪敬[2 1 等 在分析 系统 运动 的数学模 型和液 压缸 的冗余性 问题 后， 提出一种具有二级的非线性系统控制器 ； 针对 四缸 同步驱动过程 中一路分多路供油会引起性能降低 的问 题 ， 吴俊辰[3 1 等建立了四缸电液伺服驱动系统 的非线性 模型， 并结合 P I D控制 、 模糊控制和粗糙集数据分析理 论 ， 提 出了一种 R S D A P I D同步策略 ； 针对双缸 电液位 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 2 7 作者简介 魏跃斌 1 9 9 1 一 ， 男， 陕西汉中人， 在读硕士研究生， 研究方向 为成套装备及 自动化 。 2 0 置伺服 同步控制系统 的智能控制 ， 邓飙[ 4 1等采用 比例积 分微分型迭代学 习控制算法 ， 设计实现 了电液位置同 步控制系统 ； R a h b a r i T 等以电液伺服举升系统为研究对 象提出了解决举升系统同步性的非线性算法控制策 略 ， 基于“ 同等方式 ” 的液压双缸 同步双反馈 同步控制 机理 ， 有效提高 了同步精度 。 本文针对重离子治疗专用装置的主磁铁在举 升过 程 中的同步 问题进行研究 ， 举升过程 中系统必须具备 同步精度高 、 定位保持性好的功能 ， 以保证在不同位置 时可以任意调整高度。本文通过机电液一体化仿真途 径 ， 建立机械系统 、 液压系统及控制系统的联合仿真模 型， 分析主磁铁运动规律及液压缸的运动特性。 1 机械结构与参数 液压举 升动力装 置 由两组 液压缸组成 ， 每组两个 对称安装在主磁铁外 围。其 中一组为 内置位 移 、 压力 传感器的主液压举升液压缸， 传感器测得液压缸活塞 杆 的实际位移后 ， 与输入的控制信号比较 ， 经控制器处 理后 ， 传送到伺服阀 ， 控制 阀 口的方 向和开度 ， 使 活塞 杆伸 出或收缩 ， 从而驱动主磁铁 的往复运动 ； 另一组为 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 1 ． 2 O1 6 随动液压缸 ， 举升过程 中与主举升液压缸同步运动 ， 在 举 升过程 中防止 主磁铁侧 翻。被举 升物体净重 约为 3 2 t ， 直径为 3 0 0 0 ra m各液压缸之 间的位移误差需控制 在0 ． 5 m m之 内。其安装示意图如图 1 所示 。 2 仿真模型的建立 2 ． 1机械运动仿真 系统的建立 A d a ms 软件 的仿真 可用于预测机械 系统的性能 、 运动范围、 峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等 ， 因此可以运用该软件对液压举升运动过程进行仿真分 析。首先运用 S o i l d w o r k s 建立机械系统三维实体模型 ， 将 建立的三维模型文件保存为 P a r a s o l i d 格式导人 Ad a ms 。然后在 A d a ms 软件 中根据安装 、 运动等要求设置 仿真参数 ， 对模型的每个零部件进行编辑 ， 定义其质 量 、 材料 、 转动惯量、 驱动力以及运动约束等相关属性， 从而可以使得模型与实际物理样机具有相同或相近的 物理特性 。 根据 A d a ms 运动仿真可以得 出， 在举升过程 中， 会 因为各液压缸安装误差 、 偏载等一系列问题导致液 压 缸在运行过程 中出现位移不 同步 ， 从 图 2 中可 以看 出， 当两主液压缸运行位移差为 3 5 mm时主磁铁被卡死 ， 整 个运动仿真被迫停止， 系统达到极限状态。 ■ 35 3 美 5 图 1 机械结构 图 图 2 两液压缸位移误 差 2 ． 2 液压 系统建模 根 据 同步举升原 理 图 ， 在 A ME S i m环境 中建立液 压系统模型。如图3 所示。由被举升部件质量、 速度、 加速度及其他运动特性可计算出各液压元件参数 ， 并 在 A ME S i m环境中对其设置 ， 参数如表 1 所示 。 表 1液压元件参数 系统参数 数值 电动机功率 k w 1 1 电动机转速 mL ／ r 1 4 5 O 工作压力 MP a 1 8 额定流量 L ／ rn i n 3 7 电磁阀控制 电压 V 2 4 液压缸外径 m m 8 5 液压缸 内经 ram 7 5 比例阀阻尼 比 O ． 6 ④ 图 3 液压 系统仿真模型 2 ． 3 单神经元网络的 F I D控制器及算法 单神经元 自适应控制器是通过对加权 系数的调整 来实现 自适应 、 自组织功能 的， 全系数 的调整是按有监 督的 H e b b 学习规则 A w ． tr7 d 一 o o o ； 后 式中 i 神经元 和神经元 ．， 的连接值； 卵学习效率 ； d ； 希望输出量 ； o 神经元 ． 的激活值； ， _ ～ 神经元 i 的激活值。 控制算法及学习算法 u 一 1 ∑ ； ‘ I u k u 一 1 ∑ 砒 ‘ 1 ． |j} 。 一 1 叩 。 z k u k x 。 后 后 一 1 r ／ p z k u k x 式中 。 |i} e ．j} ； e k 一 e k 一 1 ； ， A e k e 后 一 2 e k 一 1 e 七 十 2 ； e ； 叼 ． ， ， 。 分别为积分 、 比例 、 微分 的学 习速率 ， k 为神经元的比例系数 k 0。 单神经元 自适应 P I D控制结构如 图4 所示 。对积 分 ，、 比例 P和微 分 D分别 采用 了不 同的学 习速率 叩 ， ，叼 。 ， 以便对不同的权系数分别进行调整。k 越 大 ， 则快速性越好， 但超调量大 ， 甚至可能使系统不稳 定 ； 当被控对象时延增大时 ， k 值必须减少 ， 以保证系 统稳定 ； k 值选择过小， 会使系统的快速性变差。 2 1 液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 6年 第 0 1 期 图4 单神经元 自适应 P I D控制结构 3 联合仿真与分析 A ME S i m与 S i mu l i n k的联合仿真既可以将 A ME S i m 模 型 导 S i m u l i n k中 进 行 也 以 将 S i m u l i n k模 型 导 人 AME S i m中进行仿真 ， 通过设置各 自的输入输 出量 ， 将 A M E S i m子模型编译为S i m u l i n k 模型支持的S 函数以供 S i m u l i n k 任意调用 ， 实现两者 的数据交换 。本文是 以 S i mu l i n k 为主仿真环境 ， 首先利用 AME S i m的I n t e r f a c e 模 块 将 液 压伺 服 系统 以非 线性 被 控 制对 象 输 入 到 S i m u l i n k 中。再将 S i mu l i n k中的单神经元 自适应 P I D控 制算法模型连接到A M E S i m中的c o n t r o l l e r 内， 修改文 件名和设 置系统 参数实现 A ME S i m和 S i mu l i n k的无缝 连接仿真。M A T L A B中的单神经元 自适应P I D控制与 液压仿真模型如图 5 所示 。 图 5 单神经元 自适应 P I D控 制与液压仿真模型 图6与图7 是在有偏载 、 无控制器情况下两举升液 压缸运行状态 ， 从图7 可以看 出两缸还没有运行 到指定 的位置便 已到达 了卡死的状态 3 4 mm ， 最大位移误差 达到 5 7 ． 8 7 m m， 并且图 6 显示其中一主液压缸具有 明显 的速度波动； 图8 与图9 为在单神经元 自适应P I D控制 器控制下 ， 系统形 成位移 、 速度与压力 的闭环系统 ， 可 以有效地控制两液压缸的位置同步误差 ， 并且在偏载 工况下也可满足系统所规定的0 ． 5 mm同步误差 。 4 结论 1 通过AD A MS 软件对液压举升系统过程动态分 析 ， 可 以有效得到各液压缸在运行过中的运动规律 ， 为 后续实验提供临界条件及其他数据； A M E S i m ／ S i m u l i n k O 竺0 0 憾一 0 一0 时间／ s 图 6 有偏载 、 无 P I D控制器状态下速度 曲线 2 2 联合仿真具有建模速度快， 仿真准确 ， 易于计算等特 点 ， 适合复杂机 电液系统仿真分析给予化设计 。 呈 鎏 时IR l ／ s 图7 有偏载 、 无 P I D控 制器状态下位移 曲线 o o g o 、o 。 艘。 图 8 有偏载 、 P I D控制器状态下速度 曲线 1 薹 0 时 间 ／ S 图9 有偏载 、 P I D控 制器状态 下位 移 曲线 2 基 于单 神经元 自适应 网络 P I D控制 器具有超 调量小、 响应速度快、 鲁棒性好等特点， 应用于本液压 系统可以有效减小两液压缸运行过程中位置不同步问 题， 实现对输出误差的约束控制。通过仿真研究 ， 两液 压缸 运行稳定 且始终 满足 同步位移误 差在 0 ． 5 mm范 围内。 参考文献 [ 1 】 曹阳， 李巧梅， 吴国庆， 邱锴文， 于荣川． 液压同步系统的研究 进展[ J 】 ． 现代制造工程， 2 0 1 4 ， 1 1 1 3 6 - 1 4 0 ． [ 2 】 倪敬， 彭丽辉． 四缸驱动起模机非线性P I D同步控制研究【 J ] ． 中国机械工程， 2 0 1 l ， 1 4 1 6 4 5 1 6 5 1 ． 【 3 】 吴俊辰． 四缸同步举升电液伺服驱动系统研制【 D ] ． 杭州 杭 州电子科技大学， 2 0 1 3 ． [ 4 】 邓飙， 苏文斌， 郭秦阳， 林滔， 张安． 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