液壓位置伺服系統(tǒng)模糊PID控制
模糊控制不需要被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,并且可以引入專家經(jīng)驗(yàn),因此有較好的實(shí)用性。但單獨(dú)使用模糊控制不易消除穩(wěn)態(tài)誤差,而且對(duì)控制器運(yùn)算性能要求較高,而PID算法簡(jiǎn)單又可以較好的消除穩(wěn)態(tài)誤差。采用模糊控制與PID控制結(jié)合,利用模糊控制實(shí)時(shí)修正PID參數(shù),提高了系統(tǒng)的控制精度和魯棒性,有較好的實(shí)用性。
1.液壓位置伺服系統(tǒng)
液壓位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖41所示,該系統(tǒng)由放大器、電液伺服閥、液壓缸、負(fù)載以及位置傳感器等組成。輸入信號(hào)經(jīng)放大后送人電液伺服閥,小功率電信號(hào)經(jīng)由伺服閥轉(zhuǎn)化為閥心位移信號(hào),然后轉(zhuǎn)換成流量和壓力等液壓信號(hào),這些信號(hào)最后驅(qū)動(dòng)液壓缸帶動(dòng)負(fù)載完成指定動(dòng)作。
位置伺服系統(tǒng)采用動(dòng)鐵力矩馬達(dá)噴嘴擋板式兩級(jí)電液伺服閥。
根據(jù)力矩馬達(dá)的電壓、磁路和運(yùn)動(dòng)方程,噴嘴擋板位移與馬達(dá)的偏角關(guān)系以及主閥(對(duì)稱四通滑閥)的運(yùn)動(dòng)方程和流量方程,可以推導(dǎo)出電液伺服閥傳遞函數(shù)為
式中:ωsv為伺服閥固有頻率;ξsv為阻尼比;Kq為伺服閥流量增益,應(yīng)按實(shí)際供油壓力下的實(shí)際空載流量確定,即
式中:qn為伺服閥的額定流量;ps為實(shí)際供油壓力;Psn為伺服閥規(guī)定閥壓降,一般psn=7MPa,In為伺服閥額定電流。
此外,本執(zhí)行器為液壓缸,負(fù)載為純慣量,不考慮機(jī)架剛度等因素,由運(yùn)動(dòng)方程可以推導(dǎo)出閥控缸傳遞函數(shù)為
式中:Q0為伺服閥空載流量,符號(hào)含義與前面相同;Ap為液壓缸活塞有效面積;ωh為液壓固有頻率;ξh為液壓阻尼比。
通過上述推導(dǎo)得到液壓位置伺服控制系統(tǒng)中液壓被控部分的數(shù)學(xué)模型,然后在使用PID控制的基礎(chǔ)上經(jīng)過模糊控制修正PID的比例、積分和微分三個(gè)參數(shù),這樣就可以保證系統(tǒng)在不同狀況下都處于最優(yōu)狀態(tài),從而提高了系統(tǒng)控制精度,有較好的實(shí)時(shí)性與魯棒性。如圖42所示為設(shè)計(jì)的液壓位置伺服模糊PID控制系統(tǒng)方框圖。
2.模糊PID控制
在此使用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線調(diào)整,模糊控制的輸人為誤差e和誤差變化率ec,輸出為PID三個(gè)參數(shù)的調(diào)整量Δkp、Δki和Δkd。根據(jù)液壓位置伺服系統(tǒng)設(shè)定e的基本論域?yàn)閇-0.6,0.6],ec的基本論域?yàn)閇-0.3,0.3],其對(duì)應(yīng)模糊論域均取為{-3,-2,-1,0,1,2,3),故量化因子Ke=5,Kec=10?,F(xiàn)取誤差e和誤差變化率ec的模糊集E,Ec={NB,PM,NS,Z,PB,PM,PB},且其隸屬度函數(shù)均如圖43所示。
模糊控制的輸出Δkp、Δki和kd的模糊論域分別為{3,-2,-1,0,1,2,3}、{-0.06,-0.04,-0.02.0,0.02,0.04,0.06}、{0.3, -0.2, -0.1,0,0.1,0.2,0.3),并且其模糊集均為{NB,NM,NS,Z,PB,PM,PB)。三個(gè)輸出變量的隸屬函數(shù)同輸入誤差e和誤差變化率ec相同,都用三角函數(shù)。
在對(duì)精確量進(jìn)行模糊化后,根據(jù)各量的模糊集和隸屬函數(shù),采用MAX_MIN模糊推理可以分別推導(dǎo)出模糊輸出變量Δkp、Δki和Δkd的模糊規(guī)則表,其中很重要的一點(diǎn)是必須根據(jù)理論知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn)考慮PID三個(gè)參數(shù)的作用及相互間的關(guān)系。
根據(jù)表3~表5的模糊規(guī)則推理出的模糊輸出量,通過反模糊化即可得到PID三參數(shù)的實(shí)際精確量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PID的在線調(diào)整。為實(shí)現(xiàn)更好的模糊控制效果,使用取中位數(shù)的反模糊化方法。
ΔKp的模糊規(guī)則表
e
Δkp
ec |
NB |
NM |
NS |
Z |
PS |
PM |
PB |
NB |
PB |
PB |
PM |
PM |
PS |
Z |
Z |
NM |
PB |
PB |
PM |
PS |
PS |
Z |
NS |
NS |
PM |
PM |
PM |
PS |
Z |
NS |
NS |
Z |
PM |
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PS |
Z |
NS |
NM |
NM |
PS |
PS |
PS |
Z |
NS |
NS |
NM |
NM |
PM |
PS |
Z |
NS |
NM |
NM |
NM |
NB |
PB |
Z |
Z |
NM |
NM |
NM |
NB |
NM |
ΔK1的模糊規(guī)則表
e
Δkp
ec |
NB |
NM |
NS |
Z |
PS |
PM |
PB |
NB |
NB |
NB |
NM |
NM |
NS |
Z |
Z |
NM |
NB |
NB |
NM |
NS |
NS |
Z |
Z |
NS |
NB |
NM |
NS |
NS |
Z |
PS |
PS |
Z |
NM |
NM |
NS |
Z |
PS |
PM |
PM |
PS |
NM |
NS |
Z |
PS |
PS |
PM |
PB |
PM |
Z |
Z |
PS |
PS |
PM |
PB |
PB |
PB |
Z |
Z |
PS |
PM |
PM |
PB |
PB |
ΔKd的模糊規(guī)則表
e
Δkp
ec |
NB |
NM |
NS |
Z |
PS |
PM |
PB |
NB |
PS |
NS |
NB |
NB |
NB |
NM |
PS |
NM |
PS |
NS |
NB |
NM |
NM |
NS |
Z |
NS |
Z |
NS |
NM |
NM |
NS |
NS |
Z |
Z |
Z |
NS |
NS |
NS |
NS |
NS |
Z |
PS |
Z |
Z |
Z |
Z |
Z |
Z |
Z |
PM |
NB |
NS |
PS |
PS |
PS |
PS |
PB |
PB |
PB |
PM |
PM |
PM |
PS |
PS |
PB |
3.MATLAB仿真結(jié)果
選取DYC1-40L型電液伺服閥,其參數(shù)為:qn=40L/min,實(shí)際供油壓力ps=4.5MPa,psn=7MPa,In=30mA,ωsv=160rad/s,ξsv=0.7。液壓缸參數(shù)為:Ap=1.5×10-2m,F(xiàn)L=4×10N,ωh=85rad/s,ξh=0.2。在Matlab中利用Simulink建立PID控制與模糊PID控制的階越響應(yīng)仿真模型,并加入幅值為1的白噪聲干擾來仿真模型的時(shí)變。
仿真波形分別如圖44和圖45所示。
由圖44、圖45可以看到,PID參數(shù)一旦固定,在時(shí)變狀況下的適用性受到很大制約,而模糊PID通過在線自調(diào)整參數(shù),使控制性能一直保持在最優(yōu)狀態(tài)下,有更好的控制精度和魯棒性。在調(diào)整模糊控制參數(shù)時(shí),應(yīng)特別重視量化因子與比例因子的作用。