液壓系統(tǒng)的控制策略

1、液壓系統(tǒng)的控制策略簡(jiǎn)介液壓伺服控制系統(tǒng)作為一門新興起的學(xué)科，不僅是液壓技術(shù)的一個(gè)重要分支，也是控制領(lǐng)域研究的主要對(duì)象之一。目前已經(jīng)大體上解決了液壓伺服控制機(jī)構(gòu)本身的理論， 近些年來的研究?jī)A向是利用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)（如多變數(shù)液壓系統(tǒng)），對(duì)復(fù)雜因素（非線性及時(shí)變等）進(jìn)行仿真分析的研究，其中大量的研究是圍繞動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行的。 隨著系統(tǒng)應(yīng)用的目的多樣化， 控制對(duì)象也愈來愈復(fù)雜， 大慣量、變參數(shù)、非線性及外干擾是經(jīng)常遇到的。要使這些系統(tǒng)具有滿意的性能，必須研究系統(tǒng)的性能補(bǔ)償問題與近代控制策略。 本文結(jié)合課堂所學(xué)， 簡(jiǎn)單介紹一下現(xiàn)代液壓伺服系統(tǒng)的常用控制理論。電液伺服系統(tǒng)融合了微電子、信息技術(shù)、液壓伺服技術(shù)

2、的優(yōu)點(diǎn)。 在重載高響應(yīng)工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。一個(gè)典型的電液伺服系統(tǒng)組成如圖1 所示：U rU e調(diào)理放大U被控對(duì)象+控制器（伺服放大器）U f傳感器及信號(hào)調(diào)理圖 1.典型的電液伺服系統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)對(duì)控制策略的要求為： 快速無超調(diào)； 具有較強(qiáng)的魯棒性、 智能性；算法簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)高效；控制器與動(dòng)力機(jī)構(gòu)向匹配?；谏鲜鲂枨螅壳半娨核欧到y(tǒng)的控制策略主要有以下幾個(gè)方面。1.PID 控制傳統(tǒng)的 PID 控制是工業(yè)控制中使用最廣泛的一種控制方法， 具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字 PID 控制位置液壓伺服機(jī)構(gòu)的組成如圖 2 所示：圖 2.PID 位置控制其中 Kp 為比例增益系數(shù)， Ki 為積分增益

3、系數(shù)， Kd 為微分增益系數(shù)， PID 傳遞函數(shù)課表示為H(S)=Kp+Ki/S+Kd*S。 PID 控制的主要形式為滯后 -超前網(wǎng)絡(luò)， PID 控制（ P-現(xiàn)實(shí)因素影響， I-過去因素影響， D-未來因素影響），采用線性組合確定控制量，難于協(xié)調(diào)快速性和穩(wěn)定性之間矛盾；由于調(diào)節(jié)參數(shù)固定， 所以魯棒性不好。數(shù)字 PID 位置控制的模型如圖3 所示：圖 3.數(shù)字 PID 控制原理一般來說，在應(yīng)用PID 技術(shù)控制伺服系統(tǒng)時(shí)，參數(shù)的選取有些獨(dú)到之處。在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)Kd 和 Kp 兩個(gè)參數(shù)即可使位置液壓伺服機(jī)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)控制特性的狀態(tài)，積分增益系數(shù)Ki 對(duì)液壓伺服機(jī)構(gòu)的影響不大，可以不予考慮。由于PID

4、控制固有的缺點(diǎn)， 有時(shí)候不能達(dá)到理想的控制效果， 可以將模糊控制與 PID 控制結(jié)合形成模糊 PID 控制，智能控制與 PID 控制結(jié)合形成智能 PID 控制，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 PID 控制等，這種復(fù)合 PID控制能很好的達(dá)到控制要求。2.自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制 (AC-Adaptive Cotrol)是上世紀(jì) 50 年代初由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Whitaker 教授提出的，主要是基于飛行控制的需要。自適應(yīng)控制系統(tǒng)提出以后，引起了廣泛的重視和關(guān)注，在上世紀(jì) 70 年代得到較大發(fā)展， 80 年代初開始應(yīng)用于電液伺服控制領(lǐng)域。如果在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，不完全知道系統(tǒng)的參數(shù)或結(jié)構(gòu)時(shí)，要求一邊估計(jì)未知參數(shù)，一邊

5、修正控制作用，這就是自適應(yīng)控制問題(AC問題 )。AC問題可分為兩大類，一類是以 自校正控制 （ STC）為代表，另一類以模型參考自適應(yīng) 控制MRAC）為代表。 STC依據(jù)某一性能指標(biāo)的最優(yōu)化決定自適應(yīng)率，如最小方差、系統(tǒng)極點(diǎn)配置等； MRAC從保證系統(tǒng)穩(wěn)定的角度設(shè)計(jì)自適應(yīng)率。 不過其本質(zhì)相同，自適應(yīng)控制有三個(gè)功能：1）對(duì)象信息的在線積累，即辨識(shí)。不斷測(cè)取系統(tǒng)的信號(hào)和參數(shù)，并加以處理了解系統(tǒng)狀態(tài)。2）綜合有效控制量的可調(diào)控制器。根據(jù)辨識(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)和事先給定的準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，不斷修正調(diào)節(jié)器。3）對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)不斷趨向最優(yōu)或要求的狀態(tài)。兩類不同的自適應(yīng)控制原理圖如圖4 所示：r (t)

6、m (t )參考模型+e(t)-(t )K c被控對(duì)象自適應(yīng)控制律圖 4(a).MRAC 自適應(yīng)控制原理Rw-+控制器被控對(duì)象在線辨識(shí)期望性能決策機(jī)構(gòu)修正機(jī)構(gòu)圖 4(b).STC自適應(yīng)控制原理從圖 4 可以看出，模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)由參考模型、被控對(duì)象、常規(guī)反饋控制、自適應(yīng)控制律組成，其中為系統(tǒng)希望的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為被控對(duì)象的輸出， e(t)為誤差。自校正控制由被控對(duì)象、辨識(shí)器、控制器組成。且STC由于在線辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)需要實(shí)時(shí)計(jì)算，時(shí)間長(zhǎng)，一般用于具有慢時(shí)變的對(duì)象調(diào)節(jié)。而對(duì)于具有參數(shù)時(shí)變、突加外負(fù)載干擾的電液伺服系統(tǒng)往往不能滿足要求。3.魯棒控制實(shí)際問題中，系統(tǒng)的模型可能包含不確定因素，這時(shí)希望控制

7、系統(tǒng)仍有良好性能，這就是魯棒控制問題。 近年來出現(xiàn)了 H 設(shè)計(jì)方法， 要求頻率響應(yīng)函數(shù)的H模的上確界極小。 魯棒控制的研究最早出現(xiàn)于1927 年，Black 針對(duì)具有攝動(dòng)的精確系統(tǒng)的大增益反饋設(shè)計(jì)思想。60 年初，Perkins和 Cruiz 將單輸入單輸出系統(tǒng)的靈敏度分析方法推廣值多輸入多輸出系統(tǒng)，引入了靈敏度比較矩陣進(jìn)行系統(tǒng)性能分析。 70 年出現(xiàn)了多變量頻率域魯棒性分析方法，80 年代，加拿大學(xué)者Zames提出 H控制理論，就是現(xiàn)在常用的魯棒控制。4.模糊控制模糊控制是把控制對(duì)象作為“黑箱” ，先把人對(duì)“黑箱”的操作經(jīng)驗(yàn)用語言表達(dá)成“模糊規(guī)則”，讓機(jī)器根據(jù)這些規(guī)則模仿人進(jìn)行操作來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)

8、控制，因此模糊控制是智能控制中的一種。模擬集合和模糊控制的概念是在1965 年由美國(guó)教授提出。Zadeh 教授提出模糊集 (Fuzzy Sets)的概念，他把模糊集合的特征函數(shù)稱為 “隸屬函數(shù)”，它的取值是在 0,1閉區(qū)間內(nèi)。這樣某個(gè)元素 x 隸屬于某一模糊集合 的程度可用它的隸屬函數(shù)來表示。的大小反映了 x 對(duì)于的從屬程度。為 0 或 1 時(shí)，便為普通集合?？梢娔：鲜瞧胀系耐茝V，普通集合是模糊集合的特例。常用的隸屬函數(shù)如圖5 所示：圖 5(a).三角型隸屬函數(shù)圖 5(b).高斯隸屬函數(shù)上圖 (a)中，三角型的公式為：，三角型隸屬函數(shù)是控制系統(tǒng)中最常用的一種。圖(b)中，高斯型的公式為

9、：0。模糊控制系統(tǒng)如圖6 所示：圖 6.一般的模糊控制原理圖這樣通過不斷測(cè)量得到的系統(tǒng)輸出的精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，經(jīng)過模糊推理及運(yùn)算，再把推理得到的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，完成控制。 不過這種控制控制精度較差，設(shè)計(jì)結(jié)果的好壞依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，易出現(xiàn)極限環(huán)振蕩。其他的智能控制還有專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制學(xué)習(xí)速度慢，計(jì)算操作也較復(fù)雜， 將其與模糊控制結(jié)合起來可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，即現(xiàn)在常用的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。5總結(jié)除了上述幾種控制外， 隨著微處理器的廣泛應(yīng)用， 非連續(xù)控制系統(tǒng)顯示出越來越強(qiáng)大的生命力。 通過簡(jiǎn)單的開關(guān)控制元件組成簡(jiǎn)單的機(jī)械執(zhí)行部分，利用計(jì)算機(jī)的“思維”能力，可以使要求的系統(tǒng)的輸出量

10、滿足線性指標(biāo)。常用的非連續(xù)控制有 Bang-Bang 控制、液壓變結(jié)構(gòu)控制、 上面介紹的模糊控制、脈沖寬度調(diào)節(jié)控制 (PWM) 等。上述控制各有突出特點(diǎn)且各有不足之處，所以未來的非連續(xù)控制的發(fā)展將是結(jié)合各個(gè)不同控制策略的優(yōu)點(diǎn)組合成復(fù)合控制，這樣才能適應(yīng)液壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠(chéng)危急存亡之秋也。然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以

11、昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰愚以為營(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所?！澳?”，是以眾議舉寵為督：親賢臣， 遠(yuǎn)小人， 此先漢所以興隆也； 親小人， 遠(yuǎn)賢臣， 此后漢所以傾頹也。 先帝在時(shí)，每與臣論此事， 未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。 侍中、尚書、 長(zhǎng)史、 參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也。臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于敗軍之際，奉命于危難之間，爾來二十有一年矣。先帝知臣謹(jǐn)慎，故臨崩寄臣以大事也。受命以來，夙夜憂嘆，恐托付不效，以傷先帝之明；故五月渡瀘，深入不毛。今南