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    許建（1982-）
男，（山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院   250061）現(xiàn)為山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院在讀研究生，主要研究方向為液壓傳動及現(xiàn)代運動控制。

摘要： 針對液壓位置伺服系統(tǒng)中參數(shù)時變和非線性等特點，本文使用模糊PID控制算法實現(xiàn)對PID參數(shù)的在線自調(diào)整。Matlab仿真表明，與傳統(tǒng)PID控制相比，模糊PID控制具有超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高、魯棒性強(qiáng)等特點。

關(guān)鍵詞：伺服閥； 位置伺服系統(tǒng)； 模糊控制； 模糊PID

Abstract:  The fuzzy PID control algorithm was proposed for modifying the PID parameters online in terms of the time-varying and nonlinear features in hydraulic position servo system. The simulation results based on Matlab shows that fuzzy PID control system has smaller overshoot, higher steady-state precision and stronger robustness than the traditional PID control.

Key words:  Servo Valve; Position Servo System; Fuzzy Control; Fuzzy PID

1    引言

    當(dāng)今，在工業(yè)、國防等自動化領(lǐng)域，液壓伺服系統(tǒng)以其重量輕、體積小、產(chǎn)生力矩大等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。但由于漏油、油液污染等因素影響，液壓伺服系統(tǒng)中普遍存在參數(shù)時變、非線性尤其是閥控動力機(jī)構(gòu)流量非線性等現(xiàn)象。隨著對控制精度要求的提高，對液壓伺服控制技術(shù)也提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)PID控制很難達(dá)到滿意的控制效果，針對這一問題，近年來出現(xiàn)了許多不同的現(xiàn)代控制策略，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、預(yù)測控制等。這些控制方法在理論上取得很大進(jìn)步，但是在液壓伺服控制中還有一些實際問題需要解決[1]。

    模糊控制不需要被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，并且可以引入專家經(jīng)驗，因此有較好的實用性。但單獨使用模糊控制不易消除穩(wěn)態(tài)誤差，且對控制器運算性能要求較高[2]，而PID算法簡單又可以較好的消除穩(wěn)態(tài)誤差。對此，本文采用模糊控制與PID控制結(jié)合，利用模糊控制實時修正PID參數(shù)，提高了系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，有較好的實用性。

2    液壓位置伺服系統(tǒng)

    如圖1所示，該液壓位置伺服系統(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。輸入信號經(jīng)放大后送入電液伺服閥，小功率電信號經(jīng)由伺服閥轉(zhuǎn)化為閥芯位移信號，然后轉(zhuǎn)換成流量和壓力等液壓信號，這些信號最后驅(qū)動液壓缸帶動負(fù)載完成指定動作。

    因電液伺服閥實現(xiàn)了電液信號的轉(zhuǎn)換和液壓功率放大兩個功能，故電液伺服閥在伺服系統(tǒng)中起橋梁的作用，是系統(tǒng)的心臟，本文中位置伺服系統(tǒng)采用動鐵力矩馬達(dá)噴嘴擋板式兩級電液伺服閥。

    根據(jù)力矩馬達(dá)的電壓、磁路和運動方程，噴嘴擋板位移與馬達(dá)的偏角關(guān)系以及主閥 （對稱四通滑閥）的運動方程和流量方程[3]，可以推導(dǎo)出電液伺服閥傳遞函數(shù)如下：

             (1)

    式中：為伺服閥固有頻率，為阻尼比，為伺服閥流量增益，應(yīng)按實際供油壓力下的實際空載流量確定，即，為伺服閥的額定流量，Ps為實際供油壓力，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，本文中執(zhí)行器為液壓缸，且負(fù)載為純慣量，不考慮機(jī)架剛度等因素，由運動方程可以推導(dǎo)出閥控缸傳遞函數(shù)為：

                      (2)

    模糊控制的輸出△Kp、△Ki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)，在此不一一列出。

    在對精確量進(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△Kp、△Ki和△Kd的模糊規(guī)則表，其中很重要的一點是必須根據(jù)理論知識和工程經(jīng)驗考慮PID三個參數(shù)的作用及相互間的關(guān)系。

5    結(jié)論

    仿真結(jié)果顯示，PID設(shè)定參數(shù)相同的情況下，加入模糊控制實時修正PID的參數(shù)，可以更好的控制被控對象。由圖4、圖5可以看到，PID參數(shù)一旦固定，在時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。此外，在調(diào)整模糊控制參數(shù)時，應(yīng)特別重視量化因子與比例因子的作用。

參考文獻(xiàn)：

    [1] 王占林.近代電氣液壓伺服控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

    [2] 張文修，梁廣錫.模糊控制與系統(tǒng)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1998.

    [3] 路甬祥，胡大電液比例控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

    [4] 花克勤.用辨識的方法確定伺服閥模型[J].機(jī)床與液壓，2004(1):87-91.

    [5] 宋俊，于玲.閥控缸建模方法的數(shù)字仿真比較[J].機(jī)床與液壓，2004(3):122-123.

    [6] 嚴(yán)大考，張斌，韓林山.特種重型運輸車輛液壓傳動系統(tǒng)的模糊控制[J].液壓與氣動，2005(11):1-3.

其他作者：

    肖維榮（上海貝加萊工業(yè)自動化有限公司  200235）