多液压缸控制系统的同步设计.pdf

2 0 1 3年 2月 第4 1 卷 第4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS F e b ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 2 8 多液压缸控制系统的同步设计 王桂 荣 ，刘芳璇 ，许宏 ，陈锡爱 中国计量学院机电工程 学院 ，浙江杭 州 3 1 0 0 1 8 摘要为研究液压泵控系统中多组参数不同的液压缸在工况中的同步性能，以液压控制机构原理为基础，分别建立了 泵控、阀控液压缸的数学模型。利用自适应遗传算法的优点 ，提出了在偏差耦合控制方式下采用自适应遗传算法对控制参 数进行优化的三组液压缸同步控制方案，并分析了系统对不同输入信号的响应特点。仿真结果表明，优化控制后的系统稳 定可靠 ，具有较好的鲁棒性和较高的同步控制精度，能够较好地实现模型跟踪控制。 关键词同步控制；偏差耦合控制；自适应遗传算法 中图分类号T H 3 2 2 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 4 0 9 6 4 S y n c hr o no us De s i g n o f M u l t i h y dr a u l i c Cy l i nd e r Co nt r o l Cy s t e m W ANG Gu i r o n g， LI U F a n g x u a n， XU Ho ng， CHEN Xi ’ a i C o l l e g e o f M e c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ，C h i n a J i l i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 1 8 ，C h i n a Abs t r a c t Ba s e d o n t h e p rin c i pl e o f t he hy d r a u l i c c o nt r o l s t r u c t u r e s，t he ma t he ma t i c a l mo d e l s o f p u mp c o n t r o l l e d a nd v a l v e c o n t r o l l e d h y d r a u l i c c y l i n d e r w e r e e s t a b l i s h e d s e p a r a t e l y f o r t h e s t u d y o f t h e s y n c h r o n o u s p e r f o r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r s wi t h mu l t i g r o u p o f p a r a me t e r s i n h y d r a u l i c p u mp c o n t r o l s y s t e m u n d e r d i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n s ． T h e t h r e e h y d r a u l i c c y l i n d e r s s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l s c h e me o f u s i n g s e rf - a d a p t i v e g e n e t i c a l g o r i t h m t o o p t i mi z e t h e c o n t r o l p a r a me t e r s w a s p r o p o s e d i n t h e mo d e o f d e v i a t i o n C O U p l i n g wi t h t h e a d v a n t a g e s o f u s i n g s e l f - a d a p t i v e g e n e t i c a l g o ri t h m ，a n d t h e s y s t e m r e s p o n s i v e c h a r a c t e ri s t i c s f o r d i f f e r e n t i n p u t s i g n a l s w e r e a n a l y z e d ． S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e c o n t r o l s y s t e m i s r e l i a b l e a n d s t a b l e a f t e r t h e o p t i mi z a t i o n ， a n d c a p a b l e o f a c h i e v i n g b e t t e r t r a c k i n g c o n t r o l wi t h g o o d r o b u s t n e s s a n d h i g h s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l l i n g a c c u r a c y ． Ke y wo r d s S y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l ； De v i a t i o n c o u p l i n g c o n t r o l ； A d a p t i v e g e n e t i c alg o r i t h m 在液压缸同步控 制系统设计 中 ，系统输出响应要 求具有较高稳定性和控制精度。为了提升系统的动态 性能指标 ，常采用 P I D闭环控制 。而传统 的 P I D控制 虽然算法简单 ，鲁棒性好 ，可靠性高，但对于非线 性、变负载、时变的复杂系统存在不能在线调整的缺 陷 ，因此 ，多采用算 法优 化 P I D参数 ，如 采用 B P 神经网络优化 P I D参数 ，或采用模糊控制及 自适应 控制等抑制非线性时变干扰 。 目前 常用 的同步控 制策略有交叉耦合、电子虚拟主轴等，交叉耦合不适 用 于两个 以上对象 的控制 ，电子虚拟主轴在 系统启停 时同步控制精度较差 。 作 者介绍 了一种 串级液压缸控制系统的设计 与实 现 ，采用速度 一电压 、位移 一摆角 、位移 一电压三 闭 环控制 ，对液压控制系统中的泵控缸位移开环控制环 节予 以改进 ，以提高控制稳定性和精度 。在研究多个 不同参数的液压缸控制系统的同步性能时，采用偏差 耦合控制策略，并对每个阀控缸、泵控缸的控制参数 采用 自适应遗传算法进行优化 。由仿真结 果可知 ，优 化控制后的液压缸 系统具有 良好 的抗干扰性和 同步控 制精度，对阶跃信号响应快速，无超调，并能够对斜 坡信号、正弦信号无偏跟踪。 1 泵控液压缸的数学模型 下面分别 以阀控缸 、泵控缸为例 ，建立并分析液 压泵控系统的数学模型 ，假定 1 液压系统在正常状态下工作 ，液压泵的角 速度是恒定的 。 2 管道 中液流为层流 ，有沿程阻力损失 。 3 液压泵 和液 压马 达没有 流 量脉 动 ，可 忽略 补油压力 。 1 ． 1 泵控缸 的传 递 函数 p 一 筹 去s 收稿 日期 2 0 1 11 21 8 基金项目浙江省自然科学基金资助项目 Y 1 1 1 0 8 1 3 1 作者简介王桂荣 1 9 7 5 一 ，女 ，博士，副教授，研究方向为磁悬浮技术、交流电机驱动控制。Em a i l l i l y g r w a n g c j l u ． e d u ． c n 。 A _一 一 一 ， H ＼ 厂 厂 A ， H ＼ 3 第 4期 王桂荣 等多液压缸控制系统的同步设计 9 7 式 中 为变量 泵流量 增益 ，K K ， 为变 量泵叶片转速；0 为变量泵摆角； 为泵控缸等效总 体积；A 。 为活塞面积 ； 。 为活塞位移 ；M。 为活塞及 由负载折算至活塞上的总质量；B 。 为活塞及负载等 运动件 的黏 性摩擦 系数 ； 为油 液及 管 道体 积 的 弹 性模量； 为负载运动时的弹性负载刚度 ；F ． 为外界 干扰力矩；K 为总泄漏系数。 1 ． 2 阀控 缸 的传 递 函数 K 一 Ki [ V t s 1 器s3 I[ K toM p B pV I ＼ k v , B pK t 卜 2 式中K 。 为比例阀的流量增益； 为比例 阀方 向阀 阀芯位移 ；K i 为 阀控 液压 缸 的 内泄漏 系数 ；K 。 为 阀 控液压缸的总泄漏系数 ；A 。 为缸活塞作用面积； 为进、回油腔总体积 ；M 为变量缸活塞及 1 ／ 3两只 对中弹簧质量和；B 为变量缸活塞和负载的黏性阻 尼系数； 油液及管道体积弹性模量 ；k为变量缸对 中弹簧和负载刚度；F 为外界干扰力矩。 考虑 到负载 黏滞 摩擦 系数 B 。较小 ，设 k ， 4 fl e A ， ，J j} ， 是 把封闭油液看成弹簧时 的液压弹簧刚度。一般情况下， k 1 ， 寺 1 ， 故可略去 k ， 专 项 。 则 式 1 、 2 可 近 似 等 价 为 如下的三阶积分加振荡环节 ，即； 3 一 僭 筹 K k 丢 去 F I 』 1 s s 2 2 o s ．～ 1 4 一 0 去。 文中在假设阀控缸无扰动的前提下，采用对单组 液压缸 的速 度 一电压 、位 移 一 摆 角 、位 移 一电压三闭 环 P I D控制方案。其控制系统结构如图 1 所示 。 图 1 单对象控制 系统结构 图 图中， 为输入的参考电压 ，k 为电流 比例阀 化。在优化算法中加入了滤波小组 ，以减少初始参 位移增益 ，k 为 比例 阀增益 ，k 为电流对电压的增 数选择的盲 目性 ，降低了初始局部收敛的概率 ；采 益 ，k 为速度对 电压 的反馈 ，k 为位置对变量泵斜 用半扫描筛选方式筛选初始种群 ，以防止加大 比例 盘角的反馈 ，k 为位置对电压的反馈。 为电流阀 系数引起超调量 的增 加；采用联赛法进 行选择操 位移 ，△ 为电流增量 ，存在关系为‰|i} A i 。 作 ，最优基因不通过选择 ，直接参加下一次进化 ， 2 自适应遗传算法的实现 并替换种群中最差个体的方式以减小在挑选个体时 遗传算法 G e n e t i c A l g o r i t h m ，G A 是建立在 自 的随机性。构造动态 自适应交叉概率 p 与变异概率 然选择和自然遗传学机制基础上的迭代式全局优化概P ，并辅以精英策略和保优运算 ，自适应地调整种 率搜索算法 ] 。 群的 P 。 和 P 。为获取满意 的过渡过程动态特性 ， 文中采用 自适应 的遗传算法对速度 一电压、位 采用误差绝对值时间积分性能指标 I T A E作为 移 一摆角、位移 一电压三闭环 的控制参数进行 优 参数选择最小 目标函数。在 目标函数 中加入控制输 一 一 盘 一 ～ 9 8 机床与液压 第 4 1 卷 入的平方项 ，并引入惩罚机制。选用式 5 作为 参 数选择 的最优指标 ／ -∞ ．， f 1 I e t I W 2 “ t w 4 I e t I d t J U W 3 t 5 式中 e t 为系统误差 ； “ t 为控制器输出； t 为上 升时间； 埘 ， W ， W ，， 为加权值。 3 三液压缸同步控制模型 文中采用偏差耦合控制策略对多泵系统的同步性 能进行研究。偏差耦合的主要思想是将某一台液压缸 的活塞位移反馈同其他液压缸的活塞位移反馈分别作 差，然后将位移差值作为相邻两个液压缸的补偿信 号 。由于偏差耦合 同步控制策略把所有 回路之间的差 值均作为彼此的补偿信号 ，因此 ，任何一个回路出现 位移波动或负载变化 ，其他回路输出都能保证对输入 信号很好地跟随，故偏差耦合控制能够实现很好的同 步性能。 选取三组参数互不相同的液压缸 ，依据偏差耦合 控制策略，采用 P I D控制器对活塞位移反馈量的差值 进行调节，对三闭环系统进行扰动补偿。其控制系统 结构如 图 2所示 ，虚线部分 的结构如 图 1 所示 。 图2 偏差耦合同步控制系统结构图 4 仿真分析 为验证 同步控制模型 的控制效果 ，针对液压缸电 液伺 服系统进行 了仿真研究 。选取泵控缸 、阀控缸的 控制参数如表 1 、2所示。 表 1 泵控缸参数 表2 阀控缸参数 参数 阀控缸 1 阀控缸2 阀控缸3 B e ／ P a 0 ． 6 51 0 0 ． 6 81 0 0 ． 7 4 X 1 0 V i ／ m 8 1 0 ～8 ． 2 4 X 1 0 ～ 8 ． 4 3 X 1 0 一 曰 p ／ N m 1 0 3 6 1 0 8 7 1 0 3 2 A ／m 3 ． 2 11 0。 。 3 ．7 61 0一 3 ．4 51 0一 k 3 ． 3 51 0 4 ． 6 71 0 4 ． 1 81 0 。 K／ m s ～ N 2 ． 7 5 X 1 0 2 ． 9 41 0 。2 ． 8 2 X 1 0 1 ．1 2 1 ． 2 3 1 ． 41 Mr, ／ k g 9 3 2 1 0 2 4 9 8 9 取第一组液压缸参数进行仿真，对阀控缸位移 一 参考电压、泵控缸位移 一 摆角、泵控缸位移 一参考电 压三闭环系统分别采用临界比例度法和 自适应遗传算 法对其 P I D控制参数进行整定优化，其结果见表3 。在 单位阶跃信号作用下，系统阶跃响应曲线如图3所示。 第 4期 王桂荣 等 多液压缸控制系统的同步设计 9 9 表 3 两种参数优化方法的结果比较 趔 蛏 图 3 阶跃信号响应仿真曲线 对三组液压缸的每个闭环 HD控制器均采用自适 应遗传算法优化 ，并在 1 5 s 时引入幅值为 1 5的阶跃 扰动 ，取适当的位置反馈 P I D控制参数对系统进行扰 动补偿 ，在偏差耦合同步控制策略下得系统对单位阶 跃、单位斜坡以及幅值为 1 ，频率为 0 ． 5的正弦输入 信号的跟踪响应曲线如图4所示。 l 一 液压 缸1 2 一 液压 缸2 卜 液 压缸3 [∑ 二 0 5 l 0 1 5 2 0 2 5 3 0 时 间， s 1 一液压缸1 2 -- ． iI 2 卜液压 缸3 型 0 f l、 ／ 馨 L ．．． 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 时 间， s l 一液压缸l 乏 一液压缸2 3 一液压缸3 墨 0 5 t O l 5 2 0 2 5 3 O 时 间 ／ s 图4 3 种输入信号下系统的跟踪响应曲线 由图4可知，系统在单位阶跃信号作用下，系统 能够迅速达到稳态 0 ． 9 5 S ，且无超调量，抗扰动 性能较好 1 ． 3 S 恢复稳态 。在单位斜坡信号和正 弦输入信号作用下，系统能够对输入信号实现无偏跟 踪 ，响应较快 ，鲁棒性 好。 5结束语 在 液压泵控缸系统 的设计 中，考虑到液压缸组 的 参数互不相同，提出在偏差耦合控制方式下采用 自适 应遗传算法对输出反馈量进行调节的同步控制方案。 经过对仿真曲线的分析比较，得知采用基于遗传算法 的偏差耦合控制策略时，系统阶跃响应无超调，响应 迅速 ，稳态精度高，上升和调整时间短，抗扰动能力 强；对斜坡信号、正弦信号能够实现无偏跟踪。 参考文献 【 1 】肖理庆， 邵晓根， 张亮 ， 等． 利用改进遗传算法优化 P I D 参数 [ J ] ． 计算机工程与应用， 2 0 1 0 ， 4 6 1 2 0 0 2 0 2 ． 【 2 】高强， 金勇 ， 王力， 等． 泵控缸电液位置伺服系统建模研 究[ J ] ． 兵工学报， 2 0 1 1 8 9 5 0 9 5 6 ． 【 3 】 刘礼华， 戴长秋 ， 黄元峰． 基于变频技术的泵控缸液压调 速系统的模糊 P I D控制的仿真研究 [ J ] ． 机械与电子 ， 2 0 1 1 9 6 9 7 2 ． 【 4 】张红娟， 权龙 ， 程衍． 永磁同步电动机驱动泵控缸系统抗 扰研究[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 1 0 1 1 8 4 8 9 ． 【 5 】高强， 侯远龙 ， 钱林芳． 泵控缸电液位置伺服系统的自 适 应模糊滑模控制[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 1 2 9 4 9 6 ． 【 6 】王洪斌， 张永顺 ， 冯少婵， 等． 直驱泵控缸系统建模及 自 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