液压挖掘机系统控制参数的免疫优化整定方法.pdf

Hy d r o me c h a t r o n i e s Eng i n e e r i n g 机床 与液 压 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ．i s s n ．1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 6 ． 0 1 4 I mmu n e b a s e d Op t i mi z a t i o n Tu n i ng M o de l o f Co n t r o l l e r Pa r a m e t e r i n Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r S y s t e m HU A N G L i c h a o ， C HE N G S e n l i n ，Q I N R e n c h a o 1 ． S c h o o l o f Ma c h i n e r y E n g i n e e ri n g ， C h o n g q i n g I n d u s t ry P o l y t e c h n i c C o l l e g e ， C h o n g q i n g 4 0 1 1 2 0 ， C h i n a ； 2． Co l l e g e o f Aut o ma t i o n，Ch o ng qi ng Uni v e r s i t y，Cho n g q i n g 4 0 00 4 4，Ch i n a； 3 ．C o l l e g e o f C o m p u t e r S c i e n c e ， S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ， Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c p r e s s u r e t r a n s mi s s i o n i s a n e r v o u s s y s t e m o f e n g i n e e ri n g ma c h i n e r y，a n d a v a r i a b l e p u mp i s t h e c e n t r a l ne r v o us s y s t e m o f h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m ， t h e r e f o r e t h e pe r f o r ma n c e o f t he p ump wi l l di r e c t l y d e t e rm i ne t he p e rf o r m a n c e a n d e ffic i e n c y o f e n gi n e e ri n g m a c h i n e ry．S i n c e t h e s w i t c h i n g m e c h a n i s m o f c o n t r o l m a c h i n e ry i n s t e p p e r mo t o r c o u l d b e t t e r s a t i s f y t h e ma t c h t o r e a l i z e t h e C VT t r a n s mi s s i o n a mo n g t h e v a ri a b l e fl o w h y d r a u l i c p u mp，h y d r a u l i c v alv e a n d h y d r a u l i c a c t u a t i n g c y l i n d e r ，a n d i t c o u l d n o t r e a l i z e t h e o p t i mal p o w e r p e rf o rm a n c e a n d t h e o p t i ma l e c o n o my c o n t r o l o f c u r r e n t f u e l ，a s o r t o f i mmu n e b a s e d o p t i mi z a t i o n t u n i n g me t h o d f o r c o n t r o l l e r p a r a me t e r i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r ．T h i s me t h o d t o o k t h e o b j e c t i v e f u n c t i o n o f e n e r gy c o n s e rv a t i o n a s t h e c o n s t r a i n t s ，a n d t h e o b j e c t i v e c o n s t r a i n t s w i l l b e d i r e c t l y i n t r o d u c e d i n t o t h e o p t i mi z a t i o n p r o c e s s o f c o n t r o l l e r p a r a me t e r ，b y me a n s o f i mmu n e b a s e d o p t i mi z a t i o n a l g o ri t h m ，t h e s e l e c t e d c o n t r o l l e r p ara me t e r c o u l d n o t o n l y e n s u r e t h e c o n t r o l q u a l i t y o f t h e s y s t e m i n d y n a mi c a l a n d s t a t i c p e rf o rm a n c e ，b u t als o g i v e a t t e n t i o n t o t wo o r mo r e t h i n g s o f o p t i ma l i t y i n e n e r gy c o n s e r v a t i o n ．I n t h i s p a p e r ，t h e c o mp a r i s o n s b e t we e n d i f f e r e n t c o n t r o l a l g o rit h m h a s b e e n ma d e a n d t h e r e s p o n s e c u r v e s o f s y s t e m s h o w t h a t t h e p r o p o s e d me t h o d h a s b e t t e r c o n t r o l e f f e c t for t h e t u n i n g p ara me t e r s ．Th e r e f o r e ，t h i s me t h o d i s r e a s o n a b l e a n d f e a s i b l e i n t h e c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c e x c a v a t o r ，p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n，i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r ，i mmu n e t h e o ry ，c l o n e s e l e c t i o n， mu t a t i o n，para me t e r t u ni n g 1 I n t r o du c t i o n Th e ma t c h i n g a n d c o n t r o l o f r e a s o n a b l e p a r a me t e r i s a k e y t h a t t h e f u l l h y d r a u l i c e x c a v a t o r pu t s i n t o f u l l p l a y o f flu i d d r i v e a d v a n t a g e s ． Due t o t h e b a d wo r k e n v i r o n me n t a n d s e v e r e l o a d c ha n g e a b i l i t y i n Re c e i v e d 2 01 2 - 0 1 1 6 HUANG L i c h a o ．E ma i l 8 841 55 5 4 qq ． c o n t h e o p e r a t i o n p r o c e s s，i t i s d i f f i c u l t f o r t h e t u n i n g o f c o n t r o l l e r p a r a me t e r t o g i v e a t t e n t i o n t o t wo o r mo r e t h i n g s s u c h a s e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n d c o n t r o l q u a l i t y o f s y s t e m r e s p o n s e ．Al t h o u g h l o t s o f a d v a n c e d c o n t r o l a l g o r i t h ms h a v e b e e n c o n t i n ua l l y p r o p o s e d for t h e p a s t s e v e r a l de c a d e s，b ut u p t o n o w，t h e t r a d i t i o n a l c o n t r o l a l g o r i t h m o f P I D i s s t i l l w i d e l y a d o p t e d i n t h e HUANG L i c ha o， e t a l I mmu n e b a s e d Op t i mi z a t i o n T u n i n g Mo d e l o f Co n t r o l l e r Pa r a me t e r i n Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r S y s t e m p r o c e s s o f i n d u s t ria l c o n t r o l fie l d a n d i s a d o mi n a n t a l g o rit h m i n t h e p r a c t i c al e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o n s ．I n t h e i n d us t r i a l c o n t r o l fie l d o f p r a c t i c a l e n g i n e e rin g，i t i s v e r y d i ffi c u l t t o t u n e t h e pa r a me t e r s o f P I D c o n t r o l l e r a n d t h e n t h e c o n t r o l q u a l i t y c a n n o t b e i mp r o v e d a s g o o d a s p o s s i b l e ． Th e r e f o r e， i t i s s i g n i fic a n t t o s t u d y t h e t u n i n g me t h o d o f PI D c o n t r o l l e r f o r t h e i n 一 1 T h e a c t i o n o f p r o p o r t i o n a l n o d e i s t o r e d u c e t h e d e v i a t i o n． I f t he p r o po r t i o n a l c o e ffi c i e n t KP i s i n - c r e a s e d，t h e r e s p o n s e s pe e d wi l l be e x p e d i t e d，t he s t e a d y e r r o r wi l l b e r e d u c e d a n d t h e c o n t r o l a c c u r a c y o f t h e wh o l e s y s t e m i s e x p e c t e d t o b e e n h a n c e d Ho we v e r ，o n t h e o n e h a nd，t h e t o o bi g v a l u e o f KP a l wa y s r e s u l t s i n o v e r s ho o t a n d l e a d s t o t he s y s t e m d us t r i a l a p p l i c a t i o n s o f P I D． Ac c o r d i n g t o t h e p a rti un d e r a n u n s t a b l e c o n d i t i o n． On t h e o t h e r h a n d， i f t i o n o f d e v e l o p me n t s t a g e，i t c a n b e d i v i d e d a s t h e r o ut i n e a n d i n t e l l i g e n t t u ni n g me t h o d o f PI D p a r a me t er s[ ．W i t h t he r a p i d d e v e l o pme n t o f i n t e l l i g e n t t h e KP i s t o o s ma l l t he n t h e o v e r s h o o t o f t h e wh o l e s y s t e m wo u l d b e r e d u c e d，t h e s t e a d y s t a t e a b un d a n t e x t e n t wi l l b e e n l a r g e d a n d t h e s y s t e m a c c u r a c y wi l l c o n t r o l t e c h n o l o g y，i n o r d e r t o i mp r o v e t h e p e r f o r m- b e r e d u c e d． Th e r e f o r e， t h e t i me d e l a y o f t r a n s i t i o n a n c e o f PI D c o n t r o l l e r ，i t h a s be e n p r o p o s e d a l o t o f i n t e l l i g e n t PI D c o n t r o l l e r s ． Th o s e c o n t r o l l e r s C O B- b i n e d t h e mu l t i a s p e c t t e c h n o l o g i e s s u c h a s f u z z y c o n t r o l [ ， NN[ ， a n t alg o rit hm[ a n d g e n e t i c a r i t h me t i c[ ．Th e r e f o r e． t h e PI D c o n t r o l l e r s ha v e a c ha r a c t e ris t i c o f s e l f - l e a r n i n g a b i l i t y a n d t h e a p p l i c a t i o n s c o p e o f PI D h a s b e e n e x t e nd e d． Ba s e d o n t h e e nl i g h t e n i n g o f b i o l o gy i mmu ni t y s y s t e m ， t hi s p a p e r p r o p o s e d a s o rt o f pa r a me t e r t u ni n g mo d e l o f c o n t r o l - l e r for t h e c o n t r o l s y s t e m o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r ． 2 Rul e o f c o n t r o l l e r pa r a me t e r t un i ng p r o c e s s wi l l o c c u r e 2 The f u n c t i o n o f i n t e g r a l n o d e i s t o e l i mi n a t e s t e a d y s t a t e e r r o r a n d r e d u c e t h e s y s t e m e r r o r ．Bu t i t wo ul d ma k e t h a t t h e s y s t e m r e s p o n s e s pe e d b e c o me s s l o w，t h e s y s t e m o v e r s h o o t g e t s l a r g e a nd t h e s y s t e m wo ul d b e r e s u he d i n b rin g i ng o s c i l l a t i o n． Bu t i t i s v e ry p r o p i t i o u s t o r e d uc e s y s t e m e rro r for i n c r e a s i n g i n t e g r a l c o e f fic i e nt K， ，h o we v e r t h e t o o s t r o n g i n t e g r a l a c t i o n i s a b l e t o ma k e t h e s y s t e m b e i n g o v e r s h o o t s o a s t o b r i n g o s c i l l a t i o n．Al t h o u g h r e d u c i n g i n t e gra l c o e ffi c i e n t KI ma k e s t h e s y s t e m i mp r o v i n g s t a b i l i t y，a nd a v o i d s t h e s y s t e m b rin g i n g o s c i l l a t i o n，a n d r e d u c e s t h e s y s t e m o v e r s h o o t ， b u t i t i s a d v e r s e t o S i n c e t h e c l a s s i c a l c o n t r o l a l g o r i t h m o f PI D i s a e l i mi na t e t h e ． t r a d i t i o n a l t u n i n g ma n n e r ，i n o r d e r t o i m p r o v e t h e 3 T h e f u n c t i o n o f d i f f e r e n t i al e l e m e n t c a n r e s y s t e m p e r f o r ma n c e，i t i s n e c e s s a ry t o s t ud y t h e e f f e c t fle c t t he c h a ng e t r e nd o f de v i a t i o n s i g na 1 ．I t i s a b l e t o o f e a c h p a r a me t e r i n t h e c o n t r o l a l g o rit h m o f PI D o n t h e c h a r a c t e ris t i c s o f c o n t r o l s y s t e m． Th e f o l l o wi n g wi l l e x p l a i n t h e e f f e c t o f e a c h n o d e p a r a me t e r o f P I D o n t he d y n a mi c a n d s t e a d y pe rfo r ma n c e o f t he 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 ． i n t r o d u c e a n e a r l y mo d i fie d s i g n a l t h a t r e d o u n ds t o r e d uc e s y s t e m o v e r s h o o t b e f o r e d e v i a t i o n s i g n al v a l u e g o e s i n t o t o o l a r g e ．I t r e d o u n d s t o r e d u c e t h e s y s t e m e r r o r，t o o v e r c o me t h e o s c i l l a t i o n，t o ma k e t h e s y s t e n q u i c k l y t r e n d t o s t a b i l i z a t i o n，t o e n h a nc e t he s y s - t e rn r e s p o n s e s p e e d ，a n d t o r e d u c e t h e a d j u s t i n g 1 20 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i ne e r i n g 机 床 与液压 t i me，t h e r e f o r e t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c o f s y s t e m i s i m p r o v e d ．T h e d i s a d v a n t a g e s a r e p o o r i n a n t i - j a m mi n g p e rfo r ma n c e，a nd g r e a t i n i n f l u e nc e o n p r o c e s s r e s p o ns e ． I f t he di f f e r e n t i a l c o e f fic i e n t KD g e t s l a r g e t o s e l e c t t h e r e a s o na b l e c o n t r o l pa r a me t e r o f c o n t r o l l e r u n d e r t h e c o n d i t i o n o f e n e r g y c o n s u mp t i o n a s f e w a s p o s s i b l e， a n d a t t h e s a me t i me i t p r o p o s e s a n i m mun e b a s e d o p t i mi z a t i o n t u n i n g mo d e l o f c o n t r o l l e r t h e n i t i s v e r y p r o p i t i o u s t o e x p e d i t e t h e s y s t e m r e p a r a me t e r ，a n d v a l i d a t e s t h e i t s c o r r e c t n e s s b y me a n s s p o n s e，t o r e d u c e t h e s y s t e m o v e r s h o o t ，a nd t o i n o f s i mu l a t i o n． c r e a s e t h e s y s t e m s t a b i l i t y ． Bu t i t wo u l d r e s u l t i n d i s t u r b a n c e s e n s i t i v i t y a n d we a k e n t h e r e s t I a i ni n g d i s 一 3 t u r b a n c e a b i l i t y，a n d i f t h e KD g e t s t o o l a r g e t h e n i t wo u l d r e s u l t i n r e s p o ns e p r o c e s s a d v a n c i n g t o a p p l y M a t h e ma t i c a l de s c r i pt i o n o f o p t i mi z a - t i o n pa r a me t e r t u ni ng As s h o wn i n F i g ． 1，a c l o s e d - l o o p n e g a t i v e f e e d 一 h e b r a k e ,a n d d e l a y h e a d j u s t i n g t i m e ． A n d r e b a c k c 0 nt r 0 l s y s t e m。 f f u l l h y d r a u l i c e x c a v a t 。 r i s v e r s e l y， i f t h e di f f e r e n t i a l c o e f fic i e n t Ko g e t s t o o s m a l l t h e n t h e s p e e d d o w n o f s y s t e m a d j u s t i n g p r o c e s s wo u l d b e de l a y e d，a n d t he o v e r s h o o t o f s y s t e m wo u l d b e i n c r e a s e d． I t ma k e s s y s t e m r e s p o ns e s p e e d s l o w- d o wn，a n d fin a l l y i t r e s u l t s i n s y s t e m s t a b i l i t y t o be c o me p o o r T he a b o v e a n a l y s i s s h o ws t ha t t he t u n i n g o f P I D p r e s e n t e d．I n t h i s F i g u r e，G p s i s a c o n t r o l l e d o b ‘ j e c t mo d e l ， G s i s a c o n t r o l l e r ， r i s a i n p u t o f s e t - r i n g v a l u e，e i s a n e r r o r s i g n a l o f t h e s y s t e m ，u i s a c o n t r o l l e r o u t p u t a n d Y i s a n o u t p u t o f t h e s y s t e m pa r a me t e r i s V e r y c 。 I n p l i c a t e d a n d i ti s t ml y d 豳 c u 儿 F i g ． 1 c 。 n t r 。 l s y s t e m w i t h c 1 。 s e d _ l o 。 p n e g a c i v e e d h a c k t o a d j u s t a n d c o n t r o l t h e s e p a r a m e t e r s i n a c o m p l i c a t e d s y s t e m． S i nc e i t i s d i f f i c u l t t o c o rre c t l y s e l e c t t h e s e t h r e e p a r a m e t e r s i ． e ． ， K P ， K x a n d K o ， i t i s s i g n i f i c a n t t o s t ud y a n e w p a r a me t e r t u n i n g me t h o d t o o b t a i n t h e s a t i s f a c t o ry c o n t r o l q u a l i t y o f t h e wh o l e s y s t e m Th e ma t c h i n g a n d c o n t r o l o f r e a s o n a b l e p a r a me t e r s i s t he ke y t h a t t he hy d r a u l i c e x c a v a t o r c o u l d be ma d e t o g i v e f u l l p l a y t o i t s s u p e rio r i t y o f h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n，t h e r e f o r e，o i l t h e b a s i s o f c o mp l e t e a n d r a t i o n a l ma c h i n e d e s i g n，t o ma k e be t t e r c o n t r o l s y s t e rn d e s i g n O Wn S v e ry i mp o r t a n t me a n i n g f o r t h e g u a r Th e pa r a me t e r t un i n g o f c o n t r o l l e r i s t o s e l e c t a s e t o f c o rre s p o nd i ng p a r a me t e r s o f t he c o n t r o l l e r f o r a g i v e n c o n t r o l l e d o b j e c t b y me a n s o f a c e r t a i n s o r t o f t u n i n g me t h o d ． F o r t h e g i v e n i n p u t ，t he t un i n g r e s u l t o f t h e s y s t e m c o n s t i t u t e d b y c o n t r o l l e d o b j e c t a n d c o n t r o l l e r i s t o ma k e t h e p e r f o r ma n c e i n d e x e s o f s y s t e m r e a c h t o o p t i mi z a t i o n u n de r t h e c o n di t i o n o f e e r t a i n c r i t e ria ． T he r e f o r e，t h e r e a r e t wo ma i n pr o b l e ms n e e d e d t o s o l v e i n t h e o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f t he C O I l t r o l l e r ，t h e y a r e t h e s e l e c t i o n o f p e rfo r ma nc e i n d e x e s a n d t h e c ho i c e o f t u n i n g me t h o d t o s e e k t h e o p t i mi z a a n t e e i n d y n a mi c p r o p e rty，e c o n o my a n d s t e e r i n g s t a t i o n p a r a me t e r s b i l i t y a s we l l a s o p e r a t i o n e ffi c i e n c y o f f u l l h y d r a u l i c Th e r e a r e t h r e e a s p e c