双缸同步液压系统单神经元PID控制仿真研究_祁帅

中 图 分 类 号 : T H 1 3 7 . 3 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 6 7 2 - 8 9 0 4 ( 2 0 0 8 ) 0 5 - 0 0 0 5 - 0 0 4收 稿 日 期 : 2 0 0 8 - 0 8 - 1 4作 者 简 介 : 祁 帅 , 男 , 汉 族 , 硕 士 , 主 要 从 事 机 电 控 制 和 液 压 系 统 控 制的 研 究 工 作 。第 5 期 ( 总 第 3 0 期 )2 0 0 8 年 9 月N o . 5 ( S e r i a l N o . 3 0 )S e p . 2 0 0 8F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o 驱 动 及 控 制 技 术 在 各 种 金 属 加 工 设 备 、 冶金 机 械 、 工 程 机 械 以 及 航 空 航 天 驱 动 装 置 中 都 有 着日 益 广 泛 的 应 用 , 且 随 着 现 代 工 业 的 发 展 , 对 同 步精 度 的 要 求 也 越 来 越 高 。常 用 的 传 统 控 制 方 式 多 为 “ 主 从 方 式 ” , 即 指 多个 需 同 步 控 制 的 执 行 机 构 以 其 中 一 个 执 行 机 构 的输 出 为 理 想 输 出 , 其 余 执 行 机 构 来 跟 踪 这 一 选 定 的理 想 输 出 而 达 到 同 步 驱 动 1 。 但 是 多 执 行 机 构 驱 动不 均 衡 负 载 , 在 跟 踪 调 整 的 过 程 中 , 各 执 行 机 构 的输 出 不 同 步 , 势 必 存 在 着 相 互 作 用 , 这 种 相 互 作 用会 使 得 整 个 系 统 的 动 态 性 能 恶 化 , 出 现 超 调 量 过大 、 同 步 调 整 时 间 过 长 等 现 象 , 严 重 时 可 以 使 系 统失 稳 , 在 液 压 缸 负 载 差 别 较 大 时 甚 至 会 造 成 活 塞 和活 塞 杆 的 卡 死 2 。对 应 于 传 统 的 “ 主 从 方 式 ” , 一 种 基 于 “ 同 等 方式 ” 概 念 的 同 步 控 制 近 年 来 逐 渐 受 到 重 视 3 4 5 , 这 种方 式 是 指 多 个 需 同 步 的 执 行 机 构 同 时 跟 踪 设 定 的理 想 输 出 , 分 别 受 到 控 制 而 达 到 同 步 驱 动 的 目 的 。这 种 控 制 方 式 能 把 液 压 缸 之 间 的 相 互 作 用 减 到 最小 , 而 且 由 于 是 对 同 一 信 号 的 跟 踪 , 这 种 方 法 的 跟踪 误 差 小 , 因 此 调 整 时 间 短 , 系 统 的 动 态 性 能 更 稳定 , 便 于 获 得 较 高 的 同 步 精 度 。 但 这 种 控 制 方 式 需要 同 时 对 多 个 执 行 机 构 的 液 压 回 路 进 行 流 量 的 调节 , 各 个 回 路 之 间 的 压 力 和 流 量 必 定 会 相 互 影 响 而使 得 无 法 实 现 稳 定 的 控 制 。 由 此 可 见 实 现 这 种 控 制方 式 的 最 大 难 点 在 于 寻 找 合 适 的 控 制 算 法 , 使 其 满足 多 个 执 行 回 路 能 够 同 时 进 行 在 线 快 速 自 调 整 , 以解 除 多 回 路 之 间 的 相 互 影 响 , 实 现 快 速 同 步 的 目标 。单 神 经 元 P I D 控 制 结 构 简 单 , 能 够 在 线 进 行 控制 参 数 的 快 速 调 整 , 并 且 已 经 成 功 地 应 用 于 其 它 工业 场 合 解 决 了 相 似 的 控 制 难 题 6 。 本 文 改 进 了 其 算法 , 并 应 用 于 同 等 方 式 的 同 步 控 制 过 程 中 , 利 用A M E s i m 和 s i m u l i n k 的 联 合 仿 真 对 双 缸 同 步 液 压 系统 进 行 验 证 , 收 到 了 良 好 的 效 果 。1 . 1 单 神 经 元 的 数 学 模 型单 神 经 元 是 一 个 具 有 自 学 习 和 自 适 应 能 力 的多 输 入 单 输 出 的 非 线 性 处 理 单 元 , 其 基 本 结 构 如 图1 所 示 : 经 元 接 收 的 信 息 , 接 权 值 。 利 用 简 单 的 线 性 加 权 求 和 运 算 把 输 入信 号 的 作 用 结 合 起 来 构 成 净 输 入 ,其 中 是 神 经 元 的 阀 值 , k 为 神 经 元 的 比 例 系 数 。 神经 元 的 输 出 y 是 当 前 状 态 的 函 数 , 即 y = f ( i n p u t ) , f ( x )为 S i g m o i d 函 数 , 它 使 得 神 经 元 的 输 出 是 限 制 在 两个 有 限 值 之 间 的 连 续 非 减 函 数 。双 缸 同 步 液 压 系 统 单 神 经 元 P I D 控 制 仿 真 研 究祁 帅 郭 晓 松 于 传 强 冯 永 保( 第 二 炮 兵 工 程 学 院 2 0 2 教 研 室 陕 西 西 安 7 1 0 0 2 5 )摘 要 : 通 过 采 用 新 的 性 能 指 标 和 P S D 算 法 动 态 调 整 增 益 改 进 了 单 神 经 元 P I D 控 制 算 法 , 针 对 传 统 采 用 “ 主 从 方 式 ” 控制 的 多 缸 同 步 液 压 系 统 存 在 的 调 整 时 间 长 、 动 态 性 能 差 等 缺 点 , 利 用 改 进 后 的 神 经 元 P I D 控 制 算 法 实 现 了 一 种 基 于“ 同 等 方 式 ” 控 制 概 念 的 同 步 控 制 , 用 A M E s i m 和 S i m u l i n k 软 件 对 双 缸 同 步 液 压 系 统 进 行 了 联 合 仿 真 , 仿 真 结 果 表 明这 种 控 制 方 式 的 同 步 性 能 好 , 控 制 精 度 高 , 并 且 同 步 调 整 所 需 的 时 间 比 传 统 控 制 方 法 短 , 较 好 地 克 服 了 传 统 控 制 方 式的 不 足 , 满 足 了 现 代 工 业 的 使 用 需 要 。关 键 词 : 液 压 系 统 ; 同 步 控 制 ; 单 神 经 元 P I D ; 联 合 仿 真引 言1 单 神 经 元 P I D 控 制 器 及 改 进 算 法图 1 单 神 经 元 的 数 学 模 进后的单神经元 制器结构改进后的单神经元 制器结构如图 2 所示 :图中转换器的输出 x1(k) 、 x2(k) 、 x3(k) 分别对应制中的比例、积分和微分输入 , 而权系数 w1(k) 、 w2(k) 、 w3(k) 分别对应比例系数、积分系数和微分系数 , 按照某一性能指标通过对权系数的调整即可实现自学习、自适应功能。经过转换器输出的数据为神经元学习控制所需要的状态量 , 其中( 1 )z(k)=x1(k)=yr(k)- y(k)=e(k) 为性能指标 , yr(k) 参考输出 , y(k) 为实际输出值。图中 K 为神经元的比例系数 , K0 。 u(k) 为神经元的输出信号 , 也即为控制信号。( 2 )式中 wi(k) 对应于 xi(k) 的加权系数。进的控制器算法单神经元控制器通过对加权系数 wi(k) 的调整来实现自适应、自学习功能。常用的学习算法多为有监督的 习规则或者是以输出误差二次方为性能指标的学习算法 , 但是在实际应用中会出现控制增量过大的现象。针对这一不足 , 对算法进行了改进 , 采用以 k+d)+Q u2(k) 为性能指标的学习算法 , 取性能指标为 :( 3 )式中 :y(k+d) k+d 时刻过程的输出 ;yr(k+d) k+d 时刻过程的参考输出 ;d 过程总滞后 ;P 、 Q 输出误差和控制增量的加权系数 ;使加权系数的修正沿着 J 的减小方向 , 即对 wi(k) 的负梯度方向搜索调整 , 则 wi(k) 的调整量为( 4 )式中 ,i( i=1,2,3 ) 学习速率 ;零初态时过程输入端加单位阶跃时输出响应的第一个值。对上述算法进行规范化处理 , 可得到控制算法如式 ( 5 )( 6 )( 7 ) 所示 , 式中 ( i=1,2,3 ):( 5 )(6)( 7 )神经元 制器增益 ( 即神经元的比例系数 ) 的取值对神经元 制系统的性能有很大的影响 , 尤其是对于开环增益不确定的对象。如果取值能够随着对开环增益的变化而自动调整 , 将大大改善系统的动态性能。为此 , 采用了自适应 法来解决增益的自动调整问题。其算法如式 (8) 所示。(8)式中 ,于神经元 制器的同步控制策略图 3 为同步控制的原理图 , 采用两个单神经元制器 , 同时跟踪相同的参考输出量 ( r1= 并根据两个执行机构的实际输出值进行在线的自适应调整控制参数 , 两回路的被控量都能够按照其给定值变化 , 进行在线的调整 , 从而消除了不同回路之间的相互影响 , 在短时间内实现同步输出。图 2 改进后的单神经元 制器结构图图 3 同步控制原理图2 双缸同步运动液压系统仿真分析6 2008 年第 5 期2 . 1 同 步 液 压 系 统 A M E s i m 仿 真 模 型A M E s i m 是 新 型 的 基 于 图 形 化 的 工 程 仿 真 软件 , 其 中 的 液 压 仿 真 软 件 包 包 含 了 大 量 常 用 的 液 压元 件 , 液 压 源 和 液 压 管 路 , 建 模 过 程 简 单 。 强 大 的 后处 理 功 能 为 液 压 系 统 的 动 态 分 析 提 供 了 支 持 , 并 且带 有 和 控 制 仿 真 软 件 s i m u l i n k 的 接 口 , 便 于 和 控 制软 件 实 现 联 合 仿 真 。由 同 步 控 制 原 理 图 , 利 用 A M E s i m 软 件 建 立 同步 液 压 系 统 简 化 的 仿 真 原 理 模 型 如 图 4 所 示 : 液 压源 1 取 恒 压 输 入 模 型 P S 0 0 - 1 , 作 为 执 行 机 构 的 液 压缸 3 选 用 系 统 模 型 H J 0 1 0 。 为 了 便 于 对 系 统 进 行 分析 , 对 液 压 缸 的 负 载 环 节 进 行 简 化 , 外 加 负 载 由 一个 线 性 信 号 源 6 和 一 个 信 号 - 力 的 转 换 器 5 组 成 ,分 别 采 用 模 型 U D 0 0 和 模 型 F O R C , 并 通 过 调 整U D 0 0 的 参 数 大 小 来 调 整 外 加 负 载 的 大 小 。 由 于A M E s i m 软 件 没 有 提 供 比 例 调 速 阀 2 的 模 型 , 故 利用 H C D ( 液 压 组 件 设 计 模 块 ) 建 立 组 建 其 模 型 , 如 图4 右 侧 所 示 。图 4 同 步 液 压 系 统 A M E s i m 仿 真 模 型系 统 工 作 时 , 液 压 油 经 过 两 个 比 例 调 速 阀 进 入两 条 并 联 的 液 压 回 路 中 , 液 压 缸 的 顶 端 装 有 速 度 传感 器 4 , 实 际 速 度 信 号 和 预 设 的 参 考 速 度 信 号 作 比较 后 将 误 差 值 输 入 控 制 模 块 7 , 经 单 神 经 元 P I D 控制 模 块 处 理 后 输 出 控 制 信 号 控 制 比 例 调 速 阀 , 从 而实 现 对 液 压 缸 的 运 动 控 制 , 实 现 同 步 要 求 。2 . 2 同 步 液 压 系 统 S i m u l i n k 控 制 模 型在 S i m u l i n k 中 构 建 单 神 经 元 P I D 控 制 模 块 7 ,然 后 利 用 A M E s i m 与 S i m u l i n k 的 软 件 接 口 , 实 现 控制 模 型 与 A M E s i m 液 压 系 统 模 型 的 联 合 仿 真 , 得 到系 统 的 总 体 模 型 如 图 5 所 示 。取 液 压 缸 的 缸 径 != 4 0 m m , 活 塞 杆 的 直 径 D =2 2 m m , 活 塞 杆 的 最 大 行 程 为 1 m , 恒 压 泵 压 力 p =6 0 b a r 。 仿 真 时 选 取 两 个 液 压 缸 的 负 载 相 差 5 0 0 N , 参考 输 入 信 号 都 为 单 位 阶 跃 信 号 , 由 于 负 载 不 同 所 产生 的 两 个 不 同 的 速 度 信 号 分 别 和 参 考 输 入 信 号 作比 较 , 再 经 过 单 神 经 元 P I D 控 制 模 块 运 算 产 生 控 制信 号 , 减 小 两 个 液 压 缸 的 速 度 与 参 考 速 度 信 号 之差 , 直 至 达 到 稳 定 的 同 步 速 度 。2 . 3 仿 真 结 果图 6 ( a ) ( b ) 是 仿 真 的 结 果 , ( a ) 为 两 个 负 载 相 差5 0 0 N 时 , 未 采 用 神 经 元 P I D 控 制 方 法 时 , 两 个 液 压缸 的 速 度 曲 线 图 , 图 中 可 以 看 出 , 两 个 液 压 缸 的 速度 之 差 为 1 . 2 左 右 。 ( b ) 为 两 个 液 压 缸 在 负 载 相 差5 0 0 N 时 , 采 用 了 神 经 元 P I D 控 制 方 法 时 的 速 度 曲 线图 。 由 图 中 可 以 看 出 , 两 个 液 压 缸 只 需 要 大 约 0 . 2 5 整 时 间 就 能 达 到 稳 定 状 态 , 两 个 液 压 缸 稳 定 运行 后 , 速 度 之 差 仅 约 为 0 . 2 0 2 m m / s , 大 大 提 高 了 系 统的 精 度 , 满 足 了 系 统 设 计 的 要 求 。图 5 同 步 液 压 系 统 联 合 仿 真 模 型图 6 ( b ) 仿 真 结 果图 6 ( a ) 仿 真 结 果2 0 0 8 年 9 月 7祁 帅 等 : 双 缸 同 步 液 压 系 统 单 神 经 元 P I D 控 制 仿 真 研 究v(m/s)v(m/s)通 过 对 采 用 I M F 控 制 器 和 P I D 控 制 器 所 做 速度 同 步 控 制 的 仿 真 结 果 所 做 的 对 比 分 析 可 以 得 出以 下 结 论 :& 同 P I D 控 制 器 相 比 , 采 用 I M F 控 制 器 的 可 以迅 速 对 外 负 载 干 扰 做 出 响 应 , 更 加 有 效 地 抑 制 负 载干 扰 对 同 步 速 度 的 影 响 , 提 高 同 步 控 制 系 统 得 速 度刚 度 。& 同 P I D 控 制 器 相 比 , 采 用 I M F 控 制 器 的 可 以更 加 快 速 的 消 除 负 载 干 扰 的 影 响 , 迅 速 恢 复 速 度 同步 状 态 。本 文 提 出 了 流 量 均 衡 与 功 率 匹 配 相 结 合 的 方案 解 决 单 泵 双 马 达 速 度 同 步 控 制 问 题 。 通 过 仿 真 验证 , 该 方 案 可 实 现 不 同 负 载 条 件 下 的 速 度 同 步 控 制目 标 。 针 对 马 达 速 度 刚 度 低 , 同 步 速 度 易 受 外 负 载影 响 的 问 题 , 根 据 人 工 免 疫 理 论 设 计 的 I M F 控 制器 , 可 以 有 效 地 抑 制 负 载 变 化 对 速 度 的 干 扰 , 保 证了 良 好 的 同 步 性 能 。本 文 所 述 I M F 控 制 器 的 同 步 控 制 策 略 的 优 点是 结 构 简 单 , 控 制 效 果 良 好 , 算 法 易 于 实 现 , 仅 需 要一 些 基 本 的 反 馈 信 号 就 能 使 马 达 按 照 设 定 的 速 度同 步 。 还 避 免 了 构 造 复 杂 的 控 制 器 解 决 耦 合 、 非 线性 等 问 题 , 为 工 程 实 际 的 应 用 提 供 了 有 益 的 借 鉴 和帮 助 。 该 方 法 适 用 于 工 程 车 辆 系 统 得 实 际 应 用 。参 考 文 献 1 莫 宏 伟 . 人 工 免 疫 系 统 原 理 与 应 用 M . 哈 尔 滨 工 业 大 学 出版 社 , 2 0 0 3 . 65 结 论R e s e a r c h o n S p e e d S y n c h r o n i z a t i o n C o n t r o l o f D o u b l e H y d r a u l i c M o t e r sB a s e d o n I m m u n e S y s t e B a o - l i n Q I X i a o - y e T A N G Z h i - y o n g M A J u n - g o n gS i m u l a t i v e R e s e a r c h o f S y n c h r o n i z a t i o n C o n t r o l o f T w o H y d r a u l i c C y l i n d e rS y s t e m B a s e d o n S i n g l e P I D N e u r S h u a i G U O X i a o - s o n g Y U C h u a n - q i a n g F E N G Y o n g - b a 同 等 方 式 的 概 念 , 对 双 缸 同 步 液 压 进 行 了控 制 和 仿 真 研 究 。 采 用 了 新 型 性 能 指 标 函 数 , 并 利用 P S D 算 法 对 增 益 进 行 自 动 调 整 , 改 进 了 神 经 元 学习 算 法 。 利 用 单 神 经 元 P I D 结 构 简 单 、 能 够 进 行 在线 快 速 调 整 的 特 性 , 实 现 了 双 缸 同 步 回 路 的 同 等 方式 控 制 , 避 免 了 主 从 控 制 方 式 在 调 整 过 程 中 出 现 的液 压 缸 之 间 相 互 作 用 和 影 响 的 问 题 。 通 过 A M E s i m和 s i m u l i n k 的 联 合 仿 真 对 控 制 效 果 进 行 了 验 证 , 仿真 结 果 表 明 运 用 这 种 控 制 方 式 进 行 同 步 控 制 , 同 步性 能 好 , 控 制 精 度 高 , 并 且 调 整 所 需 要 的 时 间 很 短 ,满 足 了 实 际 的 工 程 需 要 。参 考 文 献 1 苏 东 海 , 韩 国 惠 , 于 江 华 , 史 洪 林 . 液 压 同 步 控 制 系 统 及 其 应用 J . 沈 阳 工 业 大 学 学 报 , 2 0 0 5 , 2 7 ( 4 ) : 3 6 4 - 3 6 7 . 2 张 志 伟 , 张 福 波 , 王 国 栋 . 一 种 双 液 压 缸 同 步 控 制 方 法 及 其仿 真 研 究 J . 机 床 与 液 压 , 2 0 0 3 : 2 3 2 - 2 3 9 . 3 P . H o g o n a n d C . R . B u r r o w a . S y n c h r o n i z i n g u n e v e n l y - l o a d e dh y d r a u l i c c y l i n d e r s A S M E F l u i d a n d S y s t