雙液壓缸同步精確控制技術(shù)研究

1、雙液壓缸同步精確控制技術(shù)研究Research on Synchronous Control Technology of Dual Hydraulic Cylinders宋云艷Song Yunyan(長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程技術(shù)分院， 長(zhǎng)春 130000)摘要：針對(duì)液壓同步控制普通存在的問(wèn)題，對(duì)雙缸液壓驅(qū)動(dòng)提升系統(tǒng)展開(kāi)研究，在交叉耦合控制方法的基礎(chǔ)上提出一種單神經(jīng)元PID控制策略，克服了傳統(tǒng)PID控制策略不能在線(xiàn)整定的缺點(diǎn)；同時(shí)通過(guò)有監(jiān)督Delta學(xué)習(xí)規(guī)則對(duì)神經(jīng)元連接權(quán)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高了同步控制精度。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所采用的方法能有效地提高雙液壓同步控制精度，可將誤差控制在允許范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞

2、：同步控制； 單神經(jīng)元； PID控制；仿真引言大型機(jī)械設(shè)備因布局、結(jié)構(gòu)等原因，常需要采用兩個(gè)液壓缸共同帶動(dòng)負(fù)載進(jìn)行工作，因此要求兩個(gè)液壓缸速度保持一致，即需對(duì)其進(jìn)行同步控制。圖1為雙缸液壓提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于元件結(jié)構(gòu)誤差、壓力波動(dòng)、外部干擾，流固耦合等因素的影響，常常出現(xiàn)同步誤差，使系統(tǒng)工作性能大大下降，甚至發(fā)生事故。為此，采用何種控制方式及控制策略，提高同步控制精度，是目前最受關(guān)注的問(wèn)題。圖1 雙缸液壓提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用于液壓同步上的控制方法很多，大部分都采用主從控制方式1，即以一個(gè)執(zhí)行元件的輸出信號(hào)為目標(biāo)，對(duì)其它執(zhí)行元件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)同步的目的，這種方法可以取得較好的控制效果，但不適合負(fù)載

3、變化很大的場(chǎng)合。在控制策略上，應(yīng)用最多的是PID控制2，該方法簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，但因不能實(shí)時(shí)在線(xiàn)調(diào)整參數(shù)，在應(yīng)用上受到很大的局限。本文以雙缸液壓提升系統(tǒng)為對(duì)象，對(duì)其同步控制方法進(jìn)行了深入研究，針對(duì)液壓傳動(dòng)非線(xiàn)性、時(shí)變性的特點(diǎn)，提出采用交叉耦合控制方式，并把傳統(tǒng)PID與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，即單神經(jīng)元PID控制策略。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所采用的方法可以獲得較好的同步精度，取得了預(yù)期的效果，有一定應(yīng)用價(jià)值。雙缸液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型雙液壓缸提升系統(tǒng)是由兩個(gè)電液比例伺服閥控制完全相同的兩個(gè)液壓缸，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的提升，活塞與負(fù)載之間采用鋼索連接。為保證負(fù)載平穩(wěn)上升和下降，要求兩個(gè)液壓缸提升速度完全一致。為降低同步誤

4、差，提高同步控制精度，首先對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。對(duì)圖1中系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行了受力分析,建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型34。負(fù)載受力方程 (1)式中：，液壓缸的提升力；負(fù)載質(zhì)心位移；負(fù)載質(zhì)量；，分別是兩液壓缸提升力對(duì)負(fù)載質(zhì)心的力臂；為負(fù)載繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)角。液壓缸的流量連續(xù)性方程: (2) (3)式中：V1,V2液壓缸有桿腔、無(wú)桿腔容積；Cig,Ceg缸體內(nèi)、外泄漏系數(shù)；e流體彈性模量；Q1,Q2進(jìn)、出液壓缸流體流量。雙缸同步控制策略研究控制方式的選取針對(duì)液壓系統(tǒng)非線(xiàn)性，時(shí)變性特點(diǎn)，采用交叉耦合控制方式，即兩個(gè)液壓缸都以一個(gè)理想的輸入為目標(biāo)，進(jìn)行跟蹤控制56；再把兩個(gè)輸出結(jié)果的差也作為一個(gè)附加的信號(hào)反饋到輸入端，

5、從而實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)和偏差信號(hào)的耦合，如圖2所示。圖2 采用交叉耦合方式的雙缸同步控制系統(tǒng)方框圖控制策略2.2.1神經(jīng)元控制人工神經(jīng)元基于人腦神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)與特征，可以看用是一種多輸入到單輸出的映射關(guān)系7，若定義：為神經(jīng)元的輸入，為神經(jīng)元的闕值，為連接權(quán)強(qiáng)度，則總的輸出為： (4)式中：控制器的比例系數(shù)對(duì)應(yīng)于的連接權(quán)系統(tǒng)2.2.2 神經(jīng)元PID控制PID控制是目前應(yīng)用較多的一種控制策略，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但其本身不具備在線(xiàn)調(diào)整參數(shù)的功能，所以單純采用PID控制難以保證其控制精度。針對(duì)這一問(wèn)題，采用神經(jīng)元控制與PID控制相結(jié)合的控制策略，圖3為交叉耦合控制方法的單神經(jīng)元PID控制器結(jié)構(gòu)8。

6、圖3 采用交叉耦合形式的單神經(jīng)元PID控制器結(jié)構(gòu)在這個(gè)系統(tǒng)中，把兩個(gè)液壓缸活塞的位移偏差、速度偏差和無(wú)桿腔壓力差三個(gè)反饋信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為單神經(jīng)元PID控制器的輸入，連接權(quán)系數(shù)通過(guò)有監(jiān)督Delta學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行調(diào)整910，其規(guī)則表達(dá)式為： (5)則可以得到單神經(jīng)元PID控制器的表達(dá)式為： (6)仿真與實(shí)驗(yàn)仿真分析為了驗(yàn)證控制策略的的合理性，把單神經(jīng)元與PID相結(jié)合的控制策略應(yīng)用于雙液壓缸同步控制系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)PID控制相對(duì)比，進(jìn)行MATLAB仿真。假設(shè)兩組提升系統(tǒng)中元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同，選取液壓泵排量為135mL/r，液壓缸直徑100mm，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速1000r/min，負(fù)載500Kg，采用

7、不同的控制策略和研究目標(biāo)進(jìn)行仿真。1、以?xún)蓚€(gè)液壓缸活塞的位移差作為控制變量控制器利用兩個(gè)活塞的位移差分別去控制兩個(gè)比例閥的開(kāi)口，改變進(jìn)入液壓缸流量，使活塞位移向理想目標(biāo)調(diào)整，位移差逐漸為零，實(shí)現(xiàn)同步控制。分別采用傳統(tǒng)PID和單神經(jīng)元PID策略進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。圖4以活塞位移差作為控制變量的仿真結(jié)果 由于液壓油存在一定的慣性，所以在開(kāi)始階段位移差會(huì)先增大，然后才慢慢減少，直至為零。從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，采用單神經(jīng)元PID控制策略能使系統(tǒng)更快地達(dá)到同步控制。2、以系統(tǒng)壓力差作為控制變量假設(shè)初始兩個(gè)液壓缸內(nèi)壓力相同，由于某種原因產(chǎn)生同步誤差時(shí)，將引起負(fù)載傾斜，從而使載荷不能平均分

8、配到兩液壓系統(tǒng)中，最終導(dǎo)致兩個(gè)液壓缸內(nèi)壓力不一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖5 以系統(tǒng)壓力差作為控制變量的仿真結(jié)果仿真結(jié)果表明，通過(guò)交叉耦合控制方式對(duì)活塞位移差，有桿腔壓力差進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可以有效消除偏差，實(shí)現(xiàn)同步控制的目的。兩種方法都能獲得很好的同步控制效果，但與傳統(tǒng)PID控制相比，單神經(jīng)元PID控制收斂速度更快，精度更高。實(shí)驗(yàn)研究為驗(yàn)證所采用控制方法及仿真分析的正確性，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，選用參數(shù)和步驟與仿真一致，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。 圖6 兩液壓缸壓力實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)不采用同步控制時(shí)，液壓系統(tǒng)中存在明顯的壓力差，說(shuō)明有同步誤差存在。當(dāng)采用同步控制時(shí)，兩液壓缸中的壓力在同步控

9、制器的作用下逐漸減小，同步誤差得到有效控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符，從而驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。結(jié)論通過(guò)對(duì)雙液壓缸同步系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，找出影響系統(tǒng)出現(xiàn)誤差的影響因素，為控制變量的選取提供依據(jù)。1、采用交叉耦合控制方法把輸入信號(hào)和偏差信號(hào)進(jìn)行耦合，然后作為控制器的輸入，同時(shí)提出一種單神經(jīng)元PID控制策略應(yīng)用于雙缸液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)PID控制策略不能在線(xiàn)整定的缺點(diǎn)。2、利用兩個(gè)液壓缸活塞的位移偏差、速度偏差和無(wú)桿腔壓力差三個(gè)反饋信號(hào)作為神經(jīng)元連接權(quán)系數(shù)，同時(shí)通過(guò)有監(jiān)督Delta學(xué)習(xí)規(guī)則對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線(xiàn)調(diào)整，可以獲得很快的響應(yīng)速度。3、在仿真及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中把單神經(jīng)元PID控制策略與

10、傳統(tǒng)PID控制策略進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，單神經(jīng)元PID控制策略可以獲得更高的同步控制精度，同步誤差控制在要求范圍之內(nèi)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具有一定借鑒價(jià)值。參考文獻(xiàn)丁意,趙克定,于金盈.雙缸同步控制系統(tǒng)的研究J.流體傳動(dòng)與控制,2007,(2):24-26劉春芳,周璐,吳盛林.基于解耦控制的雙電液伺服系統(tǒng)同步技術(shù)研究J.機(jī)床與液壓,2007(2):181-183.蘇東海,孫占文,單光坤. 液壓機(jī)雙缸同步系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的研究. 流體傳動(dòng)與控制.2008.3, 7(2): 41-44李軍偉,趙克定,吳盛林.雙電液伺服以達(dá)同步模糊控制系統(tǒng)的研究.機(jī)床與液壓.2005,(1):115-117劉曉峰,劉昕暉,王龍

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