馬　玉　谷立臣

西安建筑科技大學(xué)，西安，710055

限幅模糊與帶閾值設(shè)置PID補(bǔ)償?shù)淖冝D(zhuǎn)速液壓源流量控制方法研究

馬玉谷立臣

西安建筑科技大學(xué)，西安，710055

針對(duì)目前變轉(zhuǎn)速泵控液壓系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度控制中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、轉(zhuǎn)速波動(dòng)、精度低等問(wèn)題，尤其是載荷快速多變工況下，流量和壓力的強(qiáng)耦合特性，控制流量具有時(shí)變和高度非線性特性，采用傳統(tǒng)PID控制或模糊控制都難以取得滿意的控制效果的現(xiàn)狀，提出采用限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制方法?？刂葡到y(tǒng)先采用具有開(kāi)環(huán)控制快速性的限幅模糊控制，快速接近目標(biāo)流量，然后采用帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，該方法具有響應(yīng)快、無(wú)超調(diào)、精度高的優(yōu)點(diǎn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法能夠?qū)崿F(xiàn)典型工況下變轉(zhuǎn)速液壓動(dòng)力源輸出流量的準(zhǔn)確控制，大幅減小流量斜坡響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差，系統(tǒng)控制性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)簡(jiǎn)單控制方法的控制性能，適合變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速系統(tǒng)在線控制。

變轉(zhuǎn)速液壓源；限幅模糊；PID補(bǔ)償；流量控制

0　引言

傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速方式系統(tǒng)效率低、能耗大，變量泵容積調(diào)速方式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗污染能力差、故障率較高，且調(diào)速范圍和調(diào)速精度有限[1]。變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速系統(tǒng)相比節(jié)流調(diào)速與變量泵容積調(diào)速而言具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、效率高、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此在液壓電梯[2]、注塑機(jī)[3]、盾構(gòu)系統(tǒng)[4]中應(yīng)用廣泛。

對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度控制的本質(zhì)是對(duì)液壓動(dòng)力源輸出流量的控制。國(guó)內(nèi)學(xué)者從調(diào)速系統(tǒng)硬件改進(jìn)和軟件控制算法方面進(jìn)行了大量的研究。胡東明[5]對(duì)液壓電梯變轉(zhuǎn)速閉式電液系統(tǒng)速度控制特性進(jìn)行了研究，針對(duì)大慣量變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速液壓系統(tǒng)存在的共性問(wèn)題和難點(diǎn)，提出了基于比例微分控制的前饋-反饋控制策略，分析了影響啟動(dòng)性能的因素，并提出了基于專家控制器和模型預(yù)測(cè)控制的啟動(dòng)控制方法；沈海闊等[6]針對(duì)電液變轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，提出了基于能量調(diào)節(jié)思想的控制策略，采用在傳統(tǒng)電液變轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中加入能量調(diào)節(jié)裝置的方法，使系統(tǒng)保持低能耗的同時(shí)獲得比節(jié)流調(diào)速更高的響應(yīng)速度；彭天好等[7]分析了變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速降落的原因，對(duì)油液壓縮、系統(tǒng)泄漏及電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性引起的轉(zhuǎn)速降落補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行研究，得出了不同工況下轉(zhuǎn)速降落補(bǔ)償方法。上述研究都取得了非常好的控制效果，從不同角度解決了變轉(zhuǎn)速液壓調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、轉(zhuǎn)速波動(dòng)、精度低等問(wèn)題。

但是，目前大多數(shù)液壓調(diào)速系統(tǒng)仍采用負(fù)載速度大閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在環(huán)節(jié)多、時(shí)滯嚴(yán)重、不易調(diào)節(jié)等問(wèn)題[8]，控制算法局限于常規(guī)簡(jiǎn)單PID控制方法，系統(tǒng)響應(yīng)速度與超調(diào)量之間的矛盾不能得到解決。

為解決上述問(wèn)題，本文采用永磁伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵的變轉(zhuǎn)速液壓動(dòng)力源，及定量泵出口流量負(fù)反饋的閉環(huán)控制方式，這樣可以有效避免多環(huán)節(jié)液壓系統(tǒng)負(fù)載速度大閉環(huán)所帶來(lái)的時(shí)滯問(wèn)題。采用提出的限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制方法，在不同目標(biāo)流量和載荷快速多變工況下，準(zhǔn)確控制液壓動(dòng)力源的輸出流量。該系統(tǒng)具有響應(yīng)快速、無(wú)超調(diào)、精度高的優(yōu)點(diǎn)，仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的可行性。

1　液壓動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其模型

1.1液壓動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

液壓動(dòng)力系統(tǒng)原理如圖1所示。該液壓系統(tǒng)由永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)定量泵(齒輪泵)作為液壓動(dòng)力源，由比例溢流閥模擬實(shí)際的負(fù)載，這樣簡(jiǎn)潔、方便，避免了安裝實(shí)際負(fù)載所帶來(lái)的不便。系統(tǒng)流量由流量傳感器直接檢測(cè)泵出口流量，并送到控制器與永磁伺服電機(jī)速度閉環(huán)組成雙閉環(huán)控制；系統(tǒng)壓力由壓力傳感器檢測(cè)，并送到控制器與比例溢流閥模擬加載系統(tǒng)一起組成閉環(huán)控制。該系統(tǒng)可以根據(jù)模擬負(fù)載所需的壓力和流量，由變轉(zhuǎn)速液壓源提供完全匹配的壓力和流量，避免了傳統(tǒng)閥控液壓回路節(jié)流及溢流所帶來(lái)的能量損失。系統(tǒng)采用高響應(yīng)速度的伺服電機(jī)，相比普通異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)，在控制精度和響應(yīng)速度上得到了較大提高。

圖1　液壓動(dòng)力系統(tǒng)原理圖

1.2液壓動(dòng)力源模型

永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜，通常我們?yōu)榱朔治龇奖愠＿x用基于Park變換的d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量控制數(shù)學(xué)模型[9]。可表示為

ud=rsid+sψd-ωrψq

(1)

uq=rsiq+s ψq-ωrψd

(2)

ψd=Ldid+ψf

(3)

ψq=Lqiq

(4)

Te=1.5s(ψdiq-ψqid)

(5)

式中，ud、uq為d、q 軸定子電壓分量；id、iq為 d、q 軸定子電流分量；s為極對(duì)數(shù)；ωr為轉(zhuǎn)子角速度；rs為定子繞組電阻；Ld、Lq為定子軸、交軸電感；ψf為轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈；ψd、ψq為d、q 軸定子磁鏈；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

齒輪泵的流量方程為[10]

(6)

式中，qp為泵輸出的流量；ω為泵(電機(jī))的角速度；dp為泵的排量；pp為泵的出口壓力；Cp為泄漏系數(shù)；μ為液壓油的動(dòng)力黏度；βe為油液彈性模量。

泵的驅(qū)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為

(7)

2　限幅模糊與帶閾值設(shè)置PID補(bǔ)償控制

2.1限幅模糊控制工作原理與設(shè)計(jì)

變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速液壓系統(tǒng)具有高度非線性、強(qiáng)耦合性、時(shí)變性等特性。由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，如液壓油黏度系數(shù)隨溫度變化而變化，體積彈性模量隨油壓變化而變化，系統(tǒng)流量開(kāi)環(huán)控制容易受不確定因素和負(fù)載的干擾，不穩(wěn)定，所以本文采用流量閉環(huán)負(fù)反饋控制，流量閉環(huán)負(fù)反饋控制根據(jù)系統(tǒng)流量偏差的大小及變化率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定泵的輸出流量，使之不受油液溫度、負(fù)載擾動(dòng)、參數(shù)變化等因素的影響。

限幅模糊控制是在普通模糊控制器的基礎(chǔ)上對(duì)模糊控制器的輸出值進(jìn)行限制，本文提出的限幅指的是模糊控制器的輸出會(huì)自動(dòng)跟隨不同目標(biāo)流量自動(dòng)進(jìn)行限幅，在控制系統(tǒng)流量時(shí)響應(yīng)速度可以通過(guò)調(diào)整模糊控制器的參數(shù)達(dá)到開(kāi)環(huán)響應(yīng)的速度，系統(tǒng)流量快速接近目標(biāo)流量，并且沒(méi)有超調(diào)量，解決了普通模糊控制響應(yīng)速度與超調(diào)量之間的矛盾。

限幅模糊控制器的組成主要包括：①輸入模糊化；②模糊規(guī)則庫(kù)的建立；③模糊推理；④輸出解模糊；⑤輸出限幅。其中輸出限幅是整個(gè)模糊控制器的核心，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　限幅模糊控制結(jié)構(gòu)圖

圖3　E、EC隸屬函數(shù)

限幅模糊控制器具體參數(shù)如下：采用二維模糊控制器，輸入、輸出變量的語(yǔ)言變量均采用{NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}7個(gè)語(yǔ)言變量。輸入變量E和EC的模糊論域根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求均設(shè)為[-6,6]，輸出變量U的模糊論域設(shè)置為[-3,3]。輸入變量和輸出變量的隸屬函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)，如圖3、圖4 所示?；诮?jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜业囊庖?jiàn)，建立模糊決策表，如表1所示，模糊推理采用Mamdani的max-min合成法，解模糊采用重心法,即加權(quán)平均法。模糊控制器的輸出根據(jù)目標(biāo)流量的不同自動(dòng)調(diào)整輸出進(jìn)行限幅，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制系統(tǒng)流量。

圖4　U的隸屬函數(shù)

UECNBNMNSZOPSPMPBENBPBPBPMPMPSPSNMNMPBPMPSPSPSZONMNSPBPMPSPSZONSNBZOPBPSPSZONSNSNBPSPBPSZONSNSNMNBPMPMZONSNSNSNMNBPBPMNSNSNMNMNBNB

2.2帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制原理

限幅模糊控制可以通過(guò)調(diào)整控制器參數(shù)來(lái)調(diào)整流量的響應(yīng)速度，由于模糊控制屬于基于偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，對(duì)液壓系統(tǒng)參數(shù)，如油液黏度、齒輪泵油液泄漏量等隨溫度變化而變化的參數(shù)及影響系統(tǒng)特性的非線性因素不敏感，所以控制精度高、穩(wěn)定性好。

帶閾值設(shè)置的PID控制是在限幅模糊控制的基礎(chǔ)上給系統(tǒng)流量設(shè)置的一種補(bǔ)償控制，用于消除限幅控制所產(chǎn)生的系統(tǒng)流量穩(wěn)態(tài)誤差。閾值設(shè)置為目標(biāo)流量的3%(可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整)，當(dāng)目標(biāo)流量與實(shí)際流量的偏差小于閾值時(shí)，啟動(dòng)PID補(bǔ)償控制；反之，當(dāng)目標(biāo)流量與實(shí)際流量的偏差大于閾值時(shí)，PID補(bǔ)償控制無(wú)效，僅由限幅模糊控制調(diào)整系統(tǒng)流量。具體結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖5。

圖5　限幅模糊與帶閾值設(shè)置PID補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖

3　仿真和實(shí)驗(yàn)

以永磁伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的變轉(zhuǎn)速液壓源為研究對(duì)象，對(duì)液壓源流量進(jìn)行控制。采用11 kW永磁同步電機(jī)和排量為11 mL/r齒輪泵作為液壓動(dòng)力源，利用比例溢流閥模擬負(fù)載給液壓系統(tǒng)加載，系統(tǒng)壓力取決于負(fù)載的大小，系統(tǒng)流量主要取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)采用流量負(fù)反饋壓力自適應(yīng)的閉環(huán)控制方式，流量負(fù)反饋具有穩(wěn)定系統(tǒng)流量的作用，壓力自適應(yīng)模式即泵的工作壓力自動(dòng)地與負(fù)載壓力相適應(yīng)。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)壓力變大，泵的內(nèi)泄增大使輸出流量變小，伺服控制器根據(jù)實(shí)測(cè)流量值與目標(biāo)流量值進(jìn)行對(duì)比，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)流量達(dá)到設(shè)定值，以適應(yīng)負(fù)載壓力的要求；當(dāng)負(fù)載減小時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)壓力變小，泵的內(nèi)泄減少，使得輸出流量變大，伺服控制器根據(jù)實(shí)測(cè)流量值與目標(biāo)流量值進(jìn)行對(duì)比，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，使系統(tǒng)流量達(dá)到設(shè)定值，適應(yīng)負(fù)載壓力的要求。

3.1典型工況仿真結(jié)果對(duì)比

根據(jù)式(1)～式(7)數(shù)學(xué)模型運(yùn)用MATLAB和Simulink建立永磁同步電機(jī)空間矢量PWM模型及整個(gè)控制系統(tǒng)模型，結(jié)合典型工況分別運(yùn)用傳統(tǒng)PID控制、模糊控制及本文提出的限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制對(duì)變轉(zhuǎn)速液壓源流量進(jìn)行控制仿真，結(jié)果如圖6所示。

圖6　仿真結(jié)果對(duì)比

永磁電機(jī)主要參數(shù)如下： GK6交流永磁同步伺服電機(jī)，其型號(hào)為GK6087；其額定轉(zhuǎn)速nN=2000r/min；額定功率PN=11kW；電機(jī)極對(duì)數(shù)s=3；直流電壓300V；額定電流IN=9A；額定轉(zhuǎn)矩TN=11N·m；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JD=62.4×10-4kg·m2。

齒輪泵主要參數(shù)為：額定壓力pN=20MPa；額定轉(zhuǎn)速nN=3000r/min；理論排量dp=11×10-6m3/r；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jp=8.2×10-5kg·m2。

由圖6的仿真結(jié)果可以看出，對(duì)不同目標(biāo)流量0.5～1.0～0.6 m3/h的階躍響應(yīng)，模糊控制通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)響應(yīng)速度雖然快，但是流量出現(xiàn)了局部振蕩與超調(diào)；PID控制雖然沒(méi)有出現(xiàn)超調(diào)，但流量響應(yīng)速度慢；限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID串聯(lián)復(fù)合控制，通過(guò)設(shè)置合適的閾值，將限幅模糊控制的快速性與PID補(bǔ)償控制的精確性有機(jī)結(jié)合起來(lái)，流量響應(yīng)快速且無(wú)超調(diào)。在0.1 s時(shí)，比例溢流閥模擬負(fù)載給系統(tǒng)加階躍向下載荷，流量減小，通過(guò)短暫調(diào)整流量恢復(fù)目標(biāo)值。通過(guò)流量階躍響應(yīng)與加載工況可以看出限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制性能優(yōu)于參數(shù)固定的傳統(tǒng)PID控制與模糊控制。

3.2實(shí)驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)采用11 kW永磁同步電機(jī)和排量為11 mL/r的齒輪泵作為變轉(zhuǎn)速液壓動(dòng)力源，采用電磁比例溢流閥來(lái)模擬壓力負(fù)載。測(cè)控平臺(tái)為研華工控機(jī)、PCI-1711多功能數(shù)據(jù)采集卡和PCLD-8710接線端子板，通過(guò)LWZY智能渦輪流量傳感器和壓力傳感器將系統(tǒng)流量和壓力信號(hào)傳送給PCI-1711多功能采集卡的模擬輸入端口，通過(guò)LabView8.6.0軟件平臺(tái)編寫的控制程序計(jì)算誤差，并得出最終輸出的控制量，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制系統(tǒng)流量，實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖7所示。

1.散熱器　2.比例溢流閥　3.油馬達(dá)　4.電磁換向閥　5.電磁溢流閥　6.組合傳感器　7.壓力表　8.A/D轉(zhuǎn)換器　9.上位計(jì)算機(jī)　10.伺服控制器　11.永磁電機(jī)　12.齒輪泵　13.過(guò)濾器　14.霍爾電壓、電流傳感器　15.D/A轉(zhuǎn)換器圖7　實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

為了證明本文提出的限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制方法的優(yōu)越性，與傳統(tǒng)模糊控制和PID控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，結(jié)果如圖8～圖13所示。

圖8　PID控制流量階躍響應(yīng)

圖9　模糊控制流量階躍響應(yīng)

圖10　限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制流量階躍響應(yīng)

圖11　限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制流量斜坡響應(yīng)(空載)

圖12　模糊控制流量斜坡響應(yīng)

圖13　限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制流量斜坡響應(yīng)(系統(tǒng)壓力為5.8 MPa)

圖8所示為傳統(tǒng)PID控制流量階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線，由圖8可以看出，PID控制的階躍響應(yīng)上升時(shí)間約為10 s，系統(tǒng)流量無(wú)超調(diào)，流量穩(wěn)定后用比例溢流閥加階躍上升、階躍下降載荷，系統(tǒng)壓力上升為7.4 MPa，溫度為20 ℃。由圖7可以看出，系統(tǒng)壓力階躍上升時(shí)，由于泵的泄漏量增加，所以流量會(huì)減小，但由于系統(tǒng)采用的是流量閉環(huán)控制，所以可以通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加來(lái)補(bǔ)償泵泄漏的增加，系統(tǒng)流量經(jīng)過(guò)7 s調(diào)整恢復(fù)穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)流量。同理，當(dāng)系統(tǒng)壓力階躍下降時(shí)，流量會(huì)上升，通過(guò)閉環(huán)控制調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)流量達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值。圖9為模糊控制流量階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線，由圖9可以看出，模糊控制的階躍響應(yīng)上升時(shí)間約為11.5 s。圖8和圖9兩種控制結(jié)果說(shuō)明，在響應(yīng)的快速性上，傳統(tǒng)PID控制和模糊控制幾乎是一樣的，對(duì)相同的控制對(duì)象，通過(guò)調(diào)整控制器的參數(shù)兩種控制方法響應(yīng)速度都可以改變，有一個(gè)共同點(diǎn)就是響應(yīng)速度快，必然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)。

圖10為本文提出的限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID 串聯(lián)復(fù)合控制階躍流量階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線，由圖10可以看出，流量的階躍響應(yīng)時(shí)間為4.5 s，控制系統(tǒng)先采用限幅模糊控制讓系統(tǒng)流量快速接近目標(biāo)流量，然后再用帶閾值設(shè)置的PID消除穩(wěn)態(tài)誤差，閾值設(shè)置為目標(biāo)流量的5%。系統(tǒng)加載壓力上升到6 MPa，流量在載荷突變的情況下出現(xiàn)波動(dòng)，經(jīng)過(guò)調(diào)整后仍可恢復(fù)穩(wěn)定，說(shuō)明復(fù)合控制同樣適合于液壓系統(tǒng)加載工況的控制，響應(yīng)快速、無(wú)超調(diào)、控制精度高，動(dòng)靜態(tài)性能良好，控制性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID和模糊控制。

圖11為空載情況下限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制跟蹤斜坡信號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線。從圖11可以看出，跟蹤斜坡上升和斜坡下降信號(hào)都存在穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)測(cè)流量滯后于目標(biāo)流量2.5 s,系統(tǒng)無(wú)超調(diào)量，且控制精度高。圖12為相同條件下的模糊控制斜坡跟蹤響應(yīng)曲線，實(shí)測(cè)流量滯后目標(biāo)流量5 s，明顯滯后于本文提出的控制方法。圖13為系統(tǒng)壓力為5.8 MPa時(shí)本文控制方法跟蹤斜坡信號(hào)的響應(yīng)結(jié)果曲線，與空載情況相比控制效果基本未受影響。

以上實(shí)驗(yàn)分析說(shuō)明，限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制不僅能夠補(bǔ)償液壓系統(tǒng)本身所具有的多種非線性因素對(duì)控制系統(tǒng)的影響，如：負(fù)載擾動(dòng)引起的泄漏量、溫度變化引起油液黏度及體積壓縮量的變化等非線性因素都能給予補(bǔ)償，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)達(dá)到開(kāi)環(huán)控制響應(yīng)的速度，系統(tǒng)響應(yīng)快速、無(wú)超調(diào)、精度高，控制性能明顯優(yōu)于單一傳統(tǒng)控制方法，適合變轉(zhuǎn)速容積調(diào)速系統(tǒng)在線控制。

4　結(jié)論

(1)限幅模糊控制屬于閉環(huán)控制，但克服了所有閉環(huán)控制“邊調(diào)邊算”響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，通過(guò)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)使系統(tǒng)具有開(kāi)環(huán)控制響應(yīng)快速的特性，并且控制系統(tǒng)無(wú)超調(diào)。限幅模糊控制流量階躍響應(yīng)時(shí)間為4.5 s，與模糊控制或PID控制的流量階躍響應(yīng)時(shí)間10 s比較，縮短5.5 s。

(2)限幅模糊控制能夠補(bǔ)償液壓系統(tǒng)負(fù)載擾動(dòng)引起的油液泄漏量損失和體積壓縮量損失對(duì)流量控制的影響。

(3)帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制可以消除限幅模糊控制所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。

(4)限幅模糊與帶閾值設(shè)置的PID補(bǔ)償控制解決了單一控制方法響應(yīng)快速與超調(diào)量之間的矛盾，性能(快、準(zhǔn)、穩(wěn))明顯優(yōu)于單一控制方法。

[1]賈永峰，谷立臣.模型與條件PID補(bǔ)償?shù)挠来潘欧妱?dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓源流量控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014，50(8)：197-204.

Jia Yongfeng, Gu Lichen. Model and Conditional PID Compensation Control on Flow of Hydraulic Source Driven by Permanent Magnet Servo Motor[J].Journal of Mechanical Engineering, 2014，50(8)：197-204.

[2]胡東明，徐兵，楊華勇. 變頻驅(qū)動(dòng)的閉式回路節(jié)能型液壓升降系統(tǒng)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42(2)：209-214.

Hu Dongming，Xu Bing, Yang Huayong. VVVF Controlled Closed-circuit Energy-saving Hydraulic Lift System[J]. Journal of Zhejiang University, 2008，42(2)：209-214.

[3]彭勇剛，韋巍. 伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)定量泵液壓系統(tǒng)在精密注塑機(jī)中的應(yīng)用及其控制策略[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(2)：173-179.

Peng Yonggang，Wei Wei. Application and Control Strategy of Servo Motor Driven Constant Pump Hydraulic System in Precision Injection Molding[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011，47(2)：173-179.

[4]楊華勇,邢 彤,龔國(guó)芳. 變轉(zhuǎn)速泵控模擬盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,44(2):373-378.

Yang Huayong, Xing Tong, Gong Guofang. Variable Speed Pump Control System for Driving Cutter Head of Test Shield Tunneling Machine[J]. Journal of Zhejiang University, 2010,44(2):373-378.

[5]胡東明.液壓電梯變轉(zhuǎn)速閉式電液系統(tǒng)速度控制特性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

[6]沈海闊，金波，陳鷹.基于能量調(diào)節(jié)的電液變轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009,45(5)：209-213.

Shen Haikuo,Jin Bo, Chen Ying. Variable Speed Hydraulic Control System Based on Energy Regulation Strategy[J]. Journal of Mechanical Engineering，2009,45(5)：209-213.

[7]彭天好，樂(lè)南更.變轉(zhuǎn)速泵控馬達(dá)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落補(bǔ)償試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012,48(4)：175-181.

Peng Tiaohao,Yue Nangeng. Speed Loss Compensation Experiment Study in Variable-speed Pump-control-motor System[J]. Journal of Mechanical Engineering，2012,48(4)：175-181.

[8]彭天好，孫繼亮，汲方林. 變轉(zhuǎn)速液壓容積調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)[J]. 機(jī)床與液壓，2005(6)：119-120.

Peng Tianhao,Sun Jiliang,Ji Fanglin.Control Structure of Variable Rotational Speed Hydraulic System[J].Machine Tool & Hydraulics，2005(6)：119-120.

[9]楊耕.電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[10]馬玉，谷立臣. 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)優(yōu)化控制[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2014,25(9):1239-1243.

Ma Yu,Gu Lichen. Neural Network Adaptive Optimal Control Strategy of Servo Motor Driven Hydraulic System[J]. China Mechanical Engineering, 2014,25(9):1239-1243.

(編輯王艷麗)

Research on Limiting Fuzzy and PID Compensation with Threshold Settings Control for Flow of Variable Speed Hydraulic Source

Ma YuGu Lichen

Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an，710055

In view of the existing defects in speed control of variable speed pump controlled hydraulic systems，such as slow response, speed fluctuation and low control accuracy, especially in the fast-changing load conditions, due to the strong coupling characteristics of flow and pressure, flow control became uncertain, variable and highly nonlinear, conventional PID control or fuzzy control were difficult to obtain satisfactory control results. A limiting fuzzy and PID compensation with threshold settings control strategy was presented herein.The control system firstly used limiting fuzzy control, which had fast response of open-loop control to approach target flow, then adopted PID compensation with threshold settings control to eliminate the system steady-state errors，and had a fast response, no overshoot, high precision advantages. The simulation and experimental results show: this method can realize the precise control of flow of variable hydraulic power source on typical conditions. Significantly reducing the steady-state errors of slope response, system control performance is much better than that of simple traditional control methods, and is suitable for the on line control of volume speed modulation of variable speed system.

variable speed hydraulic source; limiting fuzzy; PID compensation; flow control

2015-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275375)

TP273DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.012

馬玉，女，1978年生。西安建筑科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院講師、博士。研究方向?yàn)橹悄芸刂啤C(jī)電液一體化技術(shù)。谷立臣，男，1956年生。西安建筑科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。