多液压缸控制系统的同步设计

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 1 3 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 1 1 2 1 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 E m 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 5 1 0 0 6 8 1 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 1 1 0 3 7 6 1 0一 3 4 5 1 0一 k 3 3 5 1 0 4 6 7 1 0 4 1 8 1 0 K m s N 2 7 5 X 1 0 2 9 4 1 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 适应反推滑模控 制 J 电机与控制学报 2 0 1 1 9 9 2 98 7 WA N G Y P WA T S O N N R C H O N G H H M o d i f i e d G e n e t i c Al g o ri t h m A p p r o a c h t o De s i g n o f a n O p t i ma l P I D C o n t r o l l e r f o r A C D C T r a n s mi s s i o n S y s t e m s J E l e c t ri c a l P o w e r a n d E n e r g y S y s t e ms 2 0 0 2 2 4 5 9 6 9 8 S Z E T O K Y Z H A O S Y A d a p t i v e S p m i al A l l o c a t i o n o f 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