多液压缸控制系统的同步设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Synchronous Design of M ulti-hydraulic Cylinder Control CystemWANG Guirong，LIU Fangxuan，XU Hong，CHEN Xiai(Colege of Mechatronics Engineering，China Jiliang University，Hangzhou Zhejiang 310018，China)Abstract：Based on the principle of the hydraulic control structures，the mathematical models of pump-controlled and valve-con-troled hydraulic cylinder were established separately for the study of the synchronous performance of the hydraulic cylinders with multi-group of parameters in hydraulic pump control system under diferent working conditions. The three hydraulic cylinders synchronizationcontrol scheme of using serf-adaptive genetic algorithm to optimize the control parameters was proposed in the mode of deviation COU-pling with the advantages of using self-adaptive genetic algorithm，and the system responsive characteristics for diferent input signalswere analyzed. Simulation results show that the control system is reliable and stable after the optimization，and capable of achievingbetter tracking control with good robustness and high synchronization controling accuracy。

Keywords：Synchronization control；Deviation coupling control；Adaptive genetic algorithm在液压缸同步控制系统设计中，系统输出响应要求具有较高稳定性和控制精度。为了提升系统的动态性能指标，常采用 PID闭环控制。而传统的PID控制虽然算法简单，鲁棒性好，可靠性高，但对于非线性、变负载、时变的复杂系统存在不能在线调整的缺陷 ，因此，多采用算法优化 PID参数 ，如采用 BP神经网络优化PID参数 ，或采用模糊控制及自适应控制等抑制非线性时变干扰 。目前常用的同步控制策略有交叉耦合、电子虚拟主轴等，交叉耦合不适用于两个以上对象的控制，电子虚拟主轴在系统启停时同步控制精度较差。

作者介绍了-种串级液压缸控制系统的设计与实现，采用速度 -电压、位移 -摆角、位移 -电压三闭环控制，对液压控制系统中的泵控缸位移开环控制环节予以改进，以提高控制稳定性和精度。在研究多个不同参数的液压缸控制系统的同步性能时，采用偏差耦合控制策略，并对每个阀控缸、泵控缸的控制参数采用 自适应遗传算法进行优化。由仿真结果可知 ，优化控制后的液压缸系统具有 良好的抗干扰性和同步控制精度，对阶跃信号响应快速，无超调，并能够对斜坡信号、正弦信号无偏跟踪。

1 泵控液压缸的数学模型下面分别以阀控缸 、泵控缸为例 ，建立并分析液压泵控系统的数学模型，假定 ：(1)液压系统在正常状态下工作，液压泵的角速度是恒定的。

1.1 泵控缸的传递函数p -筹(去s收稿 日期：2011-12-18基金项目：浙江省自然科学基金资助项目 (Y11108131)作者简介：王桂荣 (1975-)，女 ，博士，副教授，研究方向为磁悬讣术、交流电机驱动控制。E-mail：lilygrwang###cjlu.edu.cn。

-A---， H 厂 厂 -A， H 3 第4期 王桂荣 等：多液压缸控制系统的同步设计 ·97·式中： 为变量泵流量增益 ，K K ， 为变量泵叶片转速；0为变量泵摆角； 为泵控缸等效总体积；A。为活塞面积； 。为活塞位移；M。为活塞及由负载折算至活塞上的总质量；B。为活塞及负载等运动件的黏性摩擦 系数； 为油液及管道体积的弹性模量； 为负载运动时的弹性负载刚度；F .为外界干扰力矩；K 为总泄漏系数。

1.2 阀控缸的传递函数K- Ki[ V ts1)器s3I[ KtoMp BpVI kv， BpKt (2)式中：K。为比例阀的流量增益； 为比例阀方向阀阀芯位移 ；Ki 为阀控液压缸的内泄漏系数 ；K。 为阀控液压缸的总泄漏系数；A 。为缸活塞作用面积；为进、回油腔总体积；M 为变量缸活塞及 1/3两只对中弹簧质量和；B 为变量缸活塞和负载的黏性阻尼系数； 油液及管道体积弹性模量；k为变量缸对中弹簧和负载刚度；F 为外界干扰力矩。

考虑到负载黏滞摩擦系数 B∠小，设 k ， ：4 fleA， ， Jj， 是把封闭油液看成弹簧时的液压弹簧刚度。-般情况下， k 1，寺 1，故可略去 k，专项。则式(1)、(2)可近似等价为如下的三阶积分加振荡环节，即；(3)- 僭 筹 K k 丢(去 )F I1 s)(s 22(os. ～ 1) (4)- 0 去。

文中在假设阀控缸无扰动的前提下，采用对单组液压缸的速度 -电压、位移 -摆角、位移 -电压三闭环 PID控制方案。其控制系统结构如图 1所示。

图 1 单对象控制 系统结构 图图中， 为输入的参考电压，k 为电流比例阀 化。在优化算法中加入了滤波小组，以减少初始参位移增益，k 为比例阀增益，k 为电流对电压的增 数选择的盲目性，降低了初始局部收敛的概率；采益，k 为速度对电压的反馈，k 为位置对变量泵斜 用半扫描筛选方式筛选初始种群，以防止加大比例盘角的反馈，k 为位置对电压的反溃 为电流阀 系数引起超调量的增加；采用联赛法进行选择操位移，△ 为电流增量，存在关系为：‰i Ai。 作，最优基因不通过选择，直接参加下-次进化，2 自适应遗传算法的实现 并替换种群中最差个体的方式以减小在挑选个体时遗传算法 (Genetic Algorithm，GA)是建立在自 的随机性。构造动态自适应交叉概率p 与变异概率然选择和自然遗传学机制基础上的迭代式全局优化概 P ，并辅以精英策略和保优运算，自适应地调整种率搜索算法 ]。 群的P。和P 。为获取满意的过渡过程动态特性，文中采用自适应的遗传算法对速度 -电压、位 采用误差绝对值时间积分性能指标 (ITAE)作为移 -摆角、位移 -电压三闭环的控制参数进行优 参数选择最小目标函数。在目标函数中加入控制输-- 盘-～· 98· 机床与液压 第 41卷入的平方项，并引入惩罚机制。选用式 (5)作为参数选择的最优指标 ：/-∞ .，f( 1 I e(t)IW2 (t)w4 I e(t)I)dtJUW3t (5)式中：e(t)为系统误差；(t)为控制器输出；t 为上升时间；埘 ，W ，W，， 为加权值。

3 三液压缸同步控制模型文中采用偏差耦合控制策略对多泵系统的同步性能进行研究。偏差耦合的主要思想是将某-台液压缸的活塞位移反馈同其他液压缸的活塞位移反馈分别作差，然后将位移差值作为相邻两个液压缸的补偿信号。由于偏差耦合同步控制策略把所有回路之间的差值均作为彼此的补偿信号，因此，任何-个回路出现位移波动或负载变化，其他回路输出都能保证对输入信号很好地跟随，故偏差耦合控制能够实现很好的同步性能。

选取三组参数互不相同的液压缸，依据偏差耦合控制策略，采用PID控制器对活塞位移反馈量的差值进行调节，对三闭环系统进行扰动补偿。其控制系统结构如图2所示，虚线部分的结构如图 1所示。

图2 偏差耦合同步控制系统结构图4 仿真分析为验证同步控制模型的控制效果，针对液压缸电液伺服系统进行了仿真研究。选取泵控缸、阀控缸的控制参数如表 1、2所示。

表 1 泵控缸参数表2 阀控缸参数参数 阀控缸1 阀控缸2 阀控缸3Be/Pa 0.65×10 0.68×10 0.74 X 10Vi/m 8×10～ 8.24 X 10～ 8.43 X 10-曰p/(N m ) 1 036 1 087 1 032A /m 3.21×10。。 3. 76×10- 3.45×10-k 3.35×10 4.67×10 4.18×10。

K/(m ·s～·N )2.75 X 10 2.94×10 。2.82 X 101.12 1.23 1.41Mr，/kg 932 1 024 989取第-组液压缸参数进行仿真，对阀控缸位移 -参考电压、泵控缸位移 -摆角、泵控缸位移-参考电压三闭环系统分别采用临界比例度法和自适应遗传算法对其PID控制参数进行整定优化，其结果见表3。在单位阶跃信号作用下，系统阶跃响应曲线如图3所示。

第 4期 王桂荣 等 ：多液压缸控制系统的同步设计 ·99·表 3 两种参数优化方法的结果比较趔蛏图 3 阶跃信号响应仿真曲线对三组液压缸的每个闭环HD控制器均采用自适应遗传算法优化，并在 15 s时引入幅值为 15的阶跃扰动，取适当的位置反馈 PID控制参数对系统进行扰动补偿，在偏差耦合同步控制策略下得系统对单位阶跃、单位斜坡以及幅值为 1，频率为0.5的正弦输入信号的跟踪响应曲线如图4所示。

l-液压缸1 2-液压缸2 液压缸3[∑ 二 0 5 l0 15 20 25 30时间，s1-液压缸1 2-.iI2 液压缸3型 0 f l、 ) / 馨 L. . 。

0 5 10 15 20 25 30时 间，sl-液压缸l乏-液压缸2 3-液压缸3墨0 5 tO l5 20 25 3O时 间/s图4 3种输入信号下系统的跟踪响应曲线由图4可知，系统在单位阶跃信号作用下，系统能够迅速达到稳态 (0.95 S)，且无超调量，抗扰动性能较好 (1.3 S恢复稳态)。在单位斜坡信号和正弦输入信号作用下，系统能够对输入信号实现无偏跟踪，响应较快 ，鲁棒性好。

5 结束语在液压泵控缸系统的设计中，考虑到液压缸组的参数互不相同，提出在偏差耦合控制方式下采用自适应遗传算法对输出反馈量进行调节的同步控制方案。

经过对仿真曲线的分析比较，得知采用基于遗传算法的偏差耦合控制策略时，系统阶跃响应无超调，响应迅速，稳态精度高，上升和调整时间短，抗扰动能力强；对斜坡信号、正弦信号能够实现无偏跟踪。