吳明華

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230001）

電液位置伺服系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中由于液壓系統(tǒng)本身參數(shù)變化(如系統(tǒng)中的溫度、粘度、閥口位置等變化)以及作動(dòng)筒受氣動(dòng)載荷變化等因素都會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。PID控制由于算法簡單，穩(wěn)定性能好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)應(yīng)用中十分廣泛。PID控制器的控制效果好壞取決于PID參數(shù)的整定。這里存在著兩個(gè)問題：第一：系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有差距；第二：Ziegler-Nichols設(shè)計(jì)法是半經(jīng)驗(yàn)式的，往往不能滿足不同系統(tǒng)的不同要求，很難適應(yīng)電液位置伺服系統(tǒng)的多變性、不確定性和強(qiáng)負(fù)載干擾。傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器和單神經(jīng)元結(jié)合，能夠在一定程度上解決傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器很難在線實(shí)時(shí)整定參數(shù)、不易對(duì)大多復(fù)雜過程和參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)做出形而有效的控制的不足的缺點(diǎn)。以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)出了單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器，為解決電液伺服位置系統(tǒng)控制提供了一種可行的方法。

1 電液位置伺服系統(tǒng)的建模

如圖1示：主要由位置傳感器、伺服放大器、液壓缸和伺服閥以及控制器構(gòu)成電液位置伺服系統(tǒng)。R是給定值，Y是液壓缸輸出位移，Y通過位置傳感變送器和R作比較，得出誤差信號(hào)[1]。

技術(shù)要求：工作臺(tái)重量m= 1 000kg；最大行程S= 5 0cm；最高速度v= 8cm/s；總負(fù)載力F= 3 500N；頻帶寬度f-3dB= 1 5Hz；供油壓力Ps= 6 .3MPa。

在只考慮負(fù)載慣量和油液彈性的情況下, 采用的系統(tǒng)頻寬相對(duì)較窄、電液伺服閥的固有頻率相對(duì)較高的時(shí)候，電液伺服閥能夠近似為比例環(huán)節(jié)[2]，電液位置伺服系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖1 電液位置伺服系統(tǒng)

（1）液壓缸面積At：負(fù)載壓力PL取供油壓力的2 3則：

液壓缸兩腔總?cè)莘e[3]：

取油液彈性模量βe= 7 000kgf/cm2，伺服閥流量壓力系數(shù)Kc=0.278cm5/(s·N)則：

（2）電液伺服閥的流量增益Kq：選擇QDY2—C10A型號(hào)的電液伺服閥，由手冊(cè)得額定流量Qn= 1 0L/min，額定電流In= 1 0mA，頻寬＞160Hz，則：

（3）位移傳感器增益Kf：設(shè)指令電平為Vn=±1 0V，對(duì)應(yīng)的行程為：

4) 電子伺服放大器增益Ka：由勞斯穩(wěn)定判

（4）、（7）代人（2）得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

2 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制原理

單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)

圖里轉(zhuǎn)換器的輸入設(shè)定值r(k)與輸出y(k)的差，轉(zhuǎn)換器的輸出是神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需要的狀態(tài)量x1、x2、x3。

z(k) =x1(k) =r(k) -y(k) =e(k)是性能指標(biāo)與遞進(jìn)信號(hào)，因性能指標(biāo)函數(shù)里有輸出誤差平方項(xiàng)，所以很容易出現(xiàn)為了滿足性能指標(biāo)函數(shù)所造成控制增量過大的情況，這種情況在實(shí)際控制中大多是不允許出現(xiàn)的。所以運(yùn)用二次型性能指標(biāo)[5]去計(jì)算控制率能夠獲得所期望的優(yōu)化效果，采用最優(yōu)控制中二次型性能指標(biāo)的思維，在加權(quán)系數(shù)調(diào)整過程中采用二次型性能指標(biāo)，間接完成對(duì)輸出誤差和控制增量加權(quán)的約束控制[4]。

性能指標(biāo)假設(shè)是：

Q，P，依次為控制增量的加權(quán)系數(shù)與輸出誤差，y(k)，r(k)是k時(shí)刻的參考輸出與輸入。

神經(jīng)元輸出是：

K是神經(jīng)元比例系數(shù)，K＞ 0 。對(duì)比例P、微分D以及積分I依次采用不同的學(xué)習(xí)速率ηP、ηD、ηI，由算法可見，單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器的本質(zhì)是 PID算法，但三個(gè)系數(shù)w1(k)、w2(k)、w3(k)在線調(diào)整，同時(shí)還加有適應(yīng)機(jī)構(gòu)K在線調(diào)整控制量，因此具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，可以適應(yīng)環(huán)境的變化或模型的不確定性，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性[6]。

3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真

結(jié)合式(8)表達(dá)的電液位置伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，仿真的時(shí)候取K=0.02，P=2，Q=1，微分、積分、比例三部分加權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)速率依次取ηD=30，ηP=20，ηI=5，w1(0)、w2(0)、w3(0)取隨機(jī)數(shù)。分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了位置跟蹤和余弦跟蹤，如圖（3）和圖（4）所示，在位置跟蹤中外加了負(fù)載干擾。結(jié)果表明, 采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)誤差小，PID參數(shù)可以在線調(diào)整，具有良好的控制性和抗干擾性。

圖3 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID位置跟蹤

圖4 單神經(jīng)元自適應(yīng)PID余弦跟蹤

4 結(jié)論

因?yàn)殡娨何恢盟欧到y(tǒng)具有比較嚴(yán)重的參數(shù)時(shí)變性、非線性以及外負(fù)載干擾，因此開發(fā)與研究先進(jìn)的控制策略對(duì)近代電液伺服控制的發(fā)展具有非常重要的作用。簡單實(shí)用的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器算法能夠滿足適應(yīng)電液位置伺服系統(tǒng)的多變性、不確定性和強(qiáng)負(fù)載干擾，是一種可行的控制策略。

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[3]李宏偉, 宋曉燕.電液位置閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)的建模與仿真[J].工礦自動(dòng)化, 2009(11)：56-58.

[4]趙勇.單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]，西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào), Vol.14 No.3：52-54.

[5]王銳, 趙昊陽.船用舵機(jī)電液伺服單元單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制的研究[J], 齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),Vol.25, No.5：2-4.

[6]劉學(xué)軍.單神經(jīng)元PID控制的防擺定位系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007 (12)：65-66.