专家PID控制器在电液伺服系统中的应用研究

1、专家PID控制器在电液伺服系统中的应用研究工业控制与应用ndustryControlandApplications自动化技术与应用2008年第27卷第11期专家PID控制器在电液伺服系统中的应用研究潘洪亮1,姚建均(1.黑龙江科技学院电气与信息工程学院,黑龙江哈尔滨150027;2.哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:本文以液压伺服控制系统为研究对象,分析常规PID控制器缺陷的基础上,根据常规PID控制器的设计方法,结合专家经验设计出了专家PID控制器,它根据控制偏差的绝对值大小及其变化趋势来决定控制器的控制律,从而使控制偏差迅速减小.通过仿真试验分析,该PID控制器与

2、常规PID控制器相比较,提高了控制系统的跟踪精度,改善了系统的静,动态性能.关键词:专家系统;PID控制器;伺服系统中图分类号:TP271.3文献标识码:B文章编号:10037241(2008)I1002904AnExpert?-PIDControlleroftheElectro-HydraulicServoSystemPANHongliang,YAOJian-junf1.HeilongjiangInstituteofscienceandTechnology,Harbin150027China;2.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,Harbi

3、nengineeringuniversityy,Harbin150001China)Abstract:Thisworkisfocusedontheelectrohydraulicservosystem.ThedefectsoftraditionalPIDcontrollerareanalyzed.AnexpertPIDcontrollerisdesignedbyusingtheexpertknowledge.Thecontrollawisdeterminedbytheabsolutevalueofthecontrolerroranditstrendsuchthatthecontrolerror

4、canbereducedrapidly.Simulationresultsarealsogiven.Keywords:expertsystem;PIDcontroller;servosystem1引言常规PID控制器是应用最基本最广泛的一种控制器,它具有算法简单,稳定性好,可靠性较高等优点.常规PID控制器的调节规律对相当多的控制对象,特别是对于线性定常系统是非常有效的,其调节过程的品质取决于PID控制器各个参数的整定.然而,传统的PID控制算法是在某一特定条件下整定完成的,而实际控制系统中往往具有非线性,时变不确定性,难以建立精确的数学模型.因此当工况发生变化时,一组PID参数很难适应不同的

5、工作条件,因此常规PID控制器往往不能达到理想的设计性能.为了克服常规PID控制器的缺点,控制界已经提出了大量的PID控制器改进的方案,例如自校正PID控制?基金项目:黑龙江科技学院引进人才基金资助项目(编号:071o)收稿日期:2oo80725器,广义预测PID控制器,模糊PID控制器,专家PID控制器和智能PID控制器等.虽然各种方案的理论依据不同,采用手段也不同,但它们的共同点都是针对如何选取和整定PID参数,都是在保持常规PID控制器结构的基础上,采用新的方法在线或离线的方式来确定PID控制的三个参到1.液压控制技术已经在许多部门得到了广泛应用,诸如冶金,机械等工业部门,飞机,船舶交通

6、部门,航空航天技术,海洋技术,近代科学实验装置及武器控制等.比较其他驱动方式,它有许多明显优点,例如相对小的体积同时又有较大的转矩,响应快,刚度高,高功率一重量比,高精度等.但在液压系统中同样有其缺点,诸如摩擦,死区,间隙等非线性因素;另外由于电液伺服系统的管路,伺服阀及液压缸在运行过程中存在着动态特性,这些动态特性直接影响系统的状态参数,使系统在运行的不同时刻特性是完全不同的.随着温度,压力自动化技术与应用2008年第27卷第11期工业控制与应用ndustControlandApplications及工作状态的不同,系统的一些参数也会随之变化.液压系统的各机械,电气及液压部件随着使用时间的增

7、长,其特性也会有很大变化.所以说液压系统的特性具有时变性.由于电液伺服系统存在的这些缺点,因此常规的控制策略,例如常规PID控制,存在一定的局限性,目前的许多研究工作集中在非线性控制策略上,其目的是当系统工作环境发生变化时控制器的参数能自适应地相应调整,从而使系统具有克服自身不确定性的能力【引.本文结合专家知识,利用控制误差及其变化趋势设计了专家PID控制器.它根据控制误差绝对值的大小和控制误差绝对值的变化方向来决定控制器的控制作用,从而使控制误差迅速减小.提高了电液伺服控制系统的动态性能.2系统描述图1所示为电液伺服系统的简图,由对称缸,对称阀和负载组成.假设供油压力P为常数,无泄漏.从液压

8、伺服系统的流量方程,连续性方程和力平衡方程中可得出它的数学表达式.在稳态工作点附近对伺服阀流量方程线性化,可得:qw=一Kpp(1)式中:为流量增益系数,为流量一压力系数.定义负载压力为:EPLPiPo(2)式中,A为活塞有效面积.图1电液伺服系统简图负载流量为:=液压缸的流量连续性方程为:(Po:I,g【.一)(5)式中:K为液体等效体积弹性模量,夕为活塞速度.由式(2),(3),(4)和(5),可得液压缸流量连续方程为:缈+ct(6)式中:=+vo,为液压缸两腔的总容积.液压缸和负载的力平衡方程为:ApL=my+缈十(7)式中:m为活塞和负载的总质量,B为活塞和负载的粘性阻尼系数,为活塞加

9、速度.由式(1),(6),(7)并Laplace变换可得系统的传递函数为:y:gg:gp:s:F:,(+)(8式中:=(8a)鲁+(8b)m:4KKp(8c)VFL为作用在活塞上的外负载力.3常规PID控制器图2PID控制器原理图PID控制器的原理图如图2所示它是一种线性控制器,根据给定值,.和系统输出值Y构成控制误差(f)=r(f)一),(f)(9)PID控制器将误差信号的比例(P),积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制.其控制律为)=)+de(t)I(10)写成传递函数形式为)=去)式中:Kp,分别为比例系数,积分时间常数工业控制与应用ndustryContro

10、landApplications自动化技术与应用2008年箢27卷第l1期和微分时间常数.计算机控制是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量.因此连续PID控制算法不能在计算机控制中直接使用,需要采用离散化方法.利用差分方程对式(10)离散化,得(忌)=()+圭P(f)+e(k)-e(k-1)i=1(忌)=()+争P(f)+I,J=Ke(k)+Kie(i)+Kade(k)(12)式中:=KpTITz,积分系数.=K/T,微分系数.丁为采样周期,de(k)为误差率.对式(11)进行Z变换有)=KvE(z)+)(13)由式(13)可得到数字PID控制器的传递函数为)=+Ko(1-Z-1

11、)(14)4专家PlD控制器设计专家系统作为一种人工智能,它是由许多收集的规则组成,清楚地表达知识和结果.规则的最简单形式是IF(前提或现象)THEN(结论或结果)的产生式结构.专家控制是将专家的设计规范和运行机制与传统控制理论和技术相结合而成的控制系统设计,实现方法,其实质是基于受控对象和控制规律的各种知识,并以智能的方式利用这些知识来设计控制器【引.利用专家经验来设计PID参数便构成了专家PID控制器.本文利用偏差和偏差变化率的大小来整定K,K,K,这在一定程度上可以弥补传统控制算法的局限性,从而得到较好的控制效果.专家PID控制器原理图如图3所示.图3专家PID控制器原理图样时刻的误差值

12、,则有Ae(k)_1)=e:(k)-e一(ae(ke(ke(k.2)l1)=一1)一一2)根据误差及其变化趋势,可设计专家PID控制器【,其控制律按以下情况进行:当()>M,时,说明误差的绝对值已经很大.不论误差变化趋势如何,都应该考虑控制器的输出按最大输出,以达到迅速调整误差,使误差绝对值以最大速度减小.此时系统相当于实施开环控制.当e(k)Ae(k)>0时,说明误差在朝误差绝对值增大方向变化,或误差为某一常值,未发生变化.此时,如果(七)>M,说明误差也较大,可考虑由控制器实施较强的控制作用,以达到扭转误差朝绝对值减小方向变化,并迅速减小误差的绝对值,控制器输出可为()=

13、u(k-1)+()+P()+)一(七一1)】)毛放大系数,毛>1.此时如果e(k)<M,说明尽管误差朝绝对值增大方向变化,但误差绝对值本身并不很大,可考虑控制器实施一般的控制作用,只要扭转误差的变化趋势,使其朝绝对值减小方向变化,控制器输出可为It(D:El(一1)+e(忌)+玉;e()+【e(宓)一ae(k一1)J(17)当e(k)Ae(k)<0,e(k)Ae(k一1)>0或e(k)=0时,说明误差的绝对值朝减小的方向变化,或者已经达到平衡状态.此时,可考虑采取保持控制器输出不变.当e(k)Ae(k)<0且e(k)Ae(k1)<0时,说明误差处于极值状态.

14、如果此时误差绝对值较大,即P(七)M,可考虑采取较强的控制作用(|i;=)=u(k一1)+Kvera(k)(18)式中,(七)误差e的第k个极值kl放大系数,疋>1.如果此时误差的绝对值较小,即(七)<M,可考虑实施较弱的控制作用()=u(k一1)+k2Kvera(k)(19)式中,抑制系数,0<k2<1.当已()时,说明误差的绝对值很小,此时加入积分,减小稳态误差.为一很小的正实数.】和2为设定的误差界限,且M】>M2.誉散个采5e(ke(k仿真分析值,一1),一2)分别标示前一个和前两个采/J自动化技术与应用2008年第27卷第11期工业控制与应用ndustr

15、yControlandApplications对于式(8),可视为外界干扰,使其为0,则式(8)可进一步简写为:G(为显示所设计的专家PID控制器的效果,以一6DOF振动台的阀控缸系统为仿真例子,其传递函数可描述为:=5焉23500在计算机仿真过程中,取采样时间为1ins,=0.001.相应的控制律为与规则一对应的控制律为IFIP()J>0.8,THEN()=0.45;IFI(忌)I>0.4,THENu(k)=0.4;IFP()>0.2,THEN()=0.12;IF()>0.01,THEN()=0.1;与规则二对应的控制律为IFe(k)Ae(k)>0ORAe(k)

16、=0IF(忌)0.05,THENu(k)=u(k一1)+2K()ELSE(七)=u(k一1)+0.4Ke(k)与规则三对应的控制律为IF(e(k)Ze(k)<OANDAe(k)Ae(k一1)>0)OR(七)=0THEN(足)=()与规则四对应的控制律为IFe(k)Ae(k1<0ORAe(k)Ae(k一1)<0IFP()0.05THENu(k)=u(k1)+2Kpera(k)ELSE(七)=u(k一1)+0.6Kpem(k).二-I/.如图4系统阶跃响应当误差的绝对值很小时,加入积分作用图4所示为系统阶跃响应曲线,使用常规PID控制器的三个参数为IK=0.5=0.o01.

17、【KD=0.001从图3中可以看出专家PID控制器比常规PID控制器效果好很多.图5所示为使用专家PID控制器的误差曲线图,从图中可以看出,控制偏差很快降为零.图5误差曲线6结束语本文应用专家系统概念和技术,模拟人类专家的控制知识与经验,结合电液伺服系统知识,设计了智能化的专家PID控制器.它根据控制误差绝对值的大小和控制误差绝对值的变化方向来决定控制器的控制作用,从而使控制误差迅速减小.从计算机仿真结果上看,它比常规PID控制器有更高跟踪精度,能够提高电液伺服控制系统的品质及系统的动态性能.参考文献:【l】吴振顺,姚建均,岳东海.模糊自整定PID控制器的设计及其应用J】.哈尔滨工业大学学报,2004,36(11):1578-1580【2】舒怀林.PID神经元网络及其控制系统【M】.北京:国防工业出版社,2O06:15【3】姚建均,丛大成,姜洪洲,吴振