王 玄, 陶建峰, 張峰榕, 吳亞瑾, 劉成良

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

?

泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)高精度位置控制方法

王 玄, 陶建峰, 張峰榕, 吳亞瑾, 劉成良

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

針對(duì)已開(kāi)發(fā)的單向比例泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),為了實(shí)現(xiàn)該類系統(tǒng)的無(wú)超調(diào)位置控制,通過(guò)分析系統(tǒng)的工作原理及特性,基于系統(tǒng)的流量連續(xù)性方程和力平衡方程,提出采用帶約束的三階狀態(tài)空間模型來(lái)描述單向比例泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)的方法.基于模型預(yù)測(cè)控制理論和QPhild二次優(yōu)化算法,設(shè)計(jì)適用于該模型的模型預(yù)測(cè)控制器來(lái)保證系統(tǒng)的無(wú)超調(diào)位置輸出.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,運(yùn)用模型預(yù)測(cè)方法能夠避免換向閥切換引入的系統(tǒng)非線性,有效地解決泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)的超調(diào)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)多約束條件下的高精度位置控制.

泵控非對(duì)稱液壓缸；無(wú)超調(diào)；模型預(yù)測(cè)控制；位置精度控制；多約束

精密和節(jié)能是液壓機(jī)產(chǎn)業(yè)的兩大發(fā)展趨勢(shì).隨著節(jié)能環(huán)保概念的日益普及以及下游產(chǎn)業(yè)對(duì)制品精度要求的不斷提升,精密成形液壓機(jī)正向高精度、低能耗方向發(fā)展.與閉式雙向比例泵控系統(tǒng)相比,單向比例泵控非對(duì)稱液壓缸位置控制系統(tǒng)具有回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)非對(duì)稱缸流量平衡問(wèn)題和不存在電機(jī)換向沖擊等優(yōu)點(diǎn),在精密成形液壓機(jī)上得到越來(lái)越多研究者的關(guān)注[1-7].

關(guān)于泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)的液壓回路和控制算法已經(jīng)有了一定的研究[8-10],但其中關(guān)于單向變轉(zhuǎn)速比例泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)位置控制的相關(guān)理論及其在液壓機(jī)上應(yīng)用的文獻(xiàn)非常少.目前,相對(duì)有參考價(jià)值的是關(guān)于雙向比例泵控非對(duì)稱液壓缸的研究以及單向比例泵控非對(duì)稱液壓缸在注塑機(jī)上的相關(guān)應(yīng)用.Perron等[11]采用滑模控制器對(duì)雙向齒輪泵驅(qū)動(dòng)的油缸進(jìn)行位置控制,并與PI控制器的控制效果進(jìn)行對(duì)比,位置控制精度不高,超調(diào)情況較嚴(yán)重.Zheng等[12]研究自整定模糊PID控制器在開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)上的應(yīng)用,通過(guò)仿真和試驗(yàn)分析PID參數(shù)對(duì)控制效果的影響.彭永剛等[13]研究單向比例泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)在精密注塑中的應(yīng)用,采用模糊滑?？刂茖?duì)系統(tǒng)的壓力和速度進(jìn)行控制.Peng等[14]在文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上,提出基于神經(jīng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的模型預(yù)測(cè)控制器,對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)行速度控制,控制方法較新穎,但未對(duì)液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行深入的研究.文獻(xiàn)[11]、[12]都集中在位置控制的常規(guī)要求,例如快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和魯棒性,實(shí)現(xiàn)無(wú)超調(diào)(產(chǎn)品出現(xiàn)尺寸負(fù)偏差的主要原因)、定位控制、精度控制等動(dòng)態(tài)性能要求只能靠人工反復(fù)調(diào)試,調(diào)試成本較高、成功率較低.彭永剛等[13-14]著重對(duì)比例泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)在注塑應(yīng)用中的速度控制進(jìn)行相關(guān)研究,相關(guān)結(jié)果無(wú)法直接應(yīng)用于精密成型液壓機(jī).更重要的是,上述研究沒(méi)有考慮到系統(tǒng)中存在的相關(guān)約束,包括：?jiǎn)蜗虮壤玫霓D(zhuǎn)速必須在[0,nmax]內(nèi)取值導(dǎo)致的輸入約束,產(chǎn)品尺寸不能有負(fù)偏差導(dǎo)致的輸出約束,系統(tǒng)工作壓力不超過(guò)pmax導(dǎo)致的狀態(tài)約束.

針對(duì)上述問(wèn)題,本文采用帶約束的三階狀態(tài)空間模型來(lái)描述單向比例泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng).基于該模型提出適用于本系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制器,在為系統(tǒng)控制分析與綜合提供理論與方法的同時(shí),有效地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的無(wú)超調(diào)高精度位置控制.

1 系統(tǒng)描述

1.1 系統(tǒng)原理圖

如圖1所示為單向比例泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)的原理圖.系統(tǒng)由電機(jī)(1)、單項(xiàng)比例泵(2)、電磁換向閥(3)、非對(duì)稱式液壓缸(4)、油箱(5)、安全閥(6)、壓力傳感器(7,8)、控制器(9),位移傳感器(10)、滑塊(11)、彈簧(12)和阻尼(13)組成.

圖1 泵控非對(duì)稱液壓缸系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of pump-controlled asymmetric cylinder system

1.2 系統(tǒng)約束

1)泵為單向比例泵,泵的取值必須在內(nèi)取值,即系統(tǒng)輸入存在約束.

2)液壓機(jī)的制品通常為不完全彈性體,在位置控制時(shí)如果超調(diào)存在,驅(qū)動(dòng)模具的液壓缸的最終位置與制品最終尺寸不對(duì)應(yīng)(在控制作用下,液壓缸最終能夠到達(dá)指定位置,但如果有超調(diào),不完全彈性的制品不能依靠彈性跟隨液壓缸回到相應(yīng)尺寸),從保證制品尺寸的精度出發(fā),希望系統(tǒng)輸出無(wú)超調(diào),即輸出有約束.

2 系統(tǒng)建模

2.1 系統(tǒng)假設(shè)

關(guān)于圖1,作如下假設(shè).

1)油溫和系統(tǒng)的油液體積彈性模量為常數(shù).

2)泵為單向比例泵,且泵的轉(zhuǎn)速與輸入信號(hào)成正比.

3)系統(tǒng)壓力沒(méi)有沿程損失.

4)換向閥的壓降很小,可以忽略不計(jì).

5)由于活塞桿運(yùn)動(dòng)所引起的液壓缸工作腔體積變化很小,可以忽略不計(jì).

6)系統(tǒng)狀態(tài)量的初值均為0.

7)液壓系統(tǒng)中外泄相對(duì)較小,可以忽略不計(jì).

8)系統(tǒng)在控制器作用下,系統(tǒng)接近目標(biāo)位置過(guò)程中換向閥沒(méi)有切換.

2.2 數(shù)學(xué)建模

依據(jù)系統(tǒng)假設(shè),系統(tǒng)的液壓回路簡(jiǎn)化成如圖2所示的工作簡(jiǎn)圖.

圖2 泵控非對(duì)稱液壓缸工作簡(jiǎn)圖Fig.2 Simplified hydraulic circuit for pump-controlled asymmetric cylinder

如圖2(a)所示,當(dāng)電磁換向閥的電壓輸出為U1=24 V,U2=0時(shí),換向閥工作在左位,油液推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng),右工作腔的壓力p2=0.此時(shí),系統(tǒng)的流量連續(xù)性方程為

(1)

式中：V1為液壓缸左工作腔的體積；Ey為體積彈性模量；p1為液壓缸左工作腔的壓力；As1為液壓缸左工作腔的有效作用面積；Kci為內(nèi)部泄露系數(shù)；qV1為此時(shí)泵的輸出體積流量,可以表示為

qV1=Dpn.

(2)

式中：Dp為定量泵排量.如圖2(b)所示,當(dāng)電磁換向閥的電壓輸出為U1=0 ,U2=24 V時(shí),換向閥工作在右位,油液推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng),左工作腔的壓力p1=0.此時(shí),系統(tǒng)的流量連續(xù)性方程為

(3)

式中：V2為液壓缸右工作腔的體積,p2為液壓缸右工作腔的壓力,As2為液壓缸右工作腔的有效作用面積；qV2為此時(shí)泵的輸出體積流量,可以表示為

qV2=-Dpn.

(4)

對(duì)液壓缸活塞的受力情況進(jìn)行分析,由牛頓第二定律可得

(5)

式中：m為滑塊的質(zhì)量,K為彈簧剛度,b為系統(tǒng)的阻尼,y為滑塊的位移.考慮到系統(tǒng)的無(wú)超調(diào)需求,有

y≤r0.

(6)

式中：r0為系統(tǒng)的期望目標(biāo)值.

由2.1節(jié)的假設(shè)2),有

(7)

考慮到泵的旋轉(zhuǎn)單向性及最高轉(zhuǎn)速nmax,有

0≤n=Knu≤nmax.

(8)式中：Kn為電機(jī)的輸出輸入比,u為系統(tǒng)的輸入信號(hào).

從式(1) ～(8)可以看出,當(dāng)電磁換向閥處于不同的工作位置時(shí),泵控非對(duì)稱液壓缸位置控制系統(tǒng)處于兩種截然不同的工作狀態(tài),且系統(tǒng)中均存在輸入和輸出約束.若系統(tǒng)在工作過(guò)程中換向閥切換工作位置,該系統(tǒng)將變成一個(gè)高度的非線性系統(tǒng),會(huì)給后續(xù)的位置控制帶來(lái)十分的困難.若存在某種控制器,則能夠使得系統(tǒng)在避免換向閥切換的前提下,在滿足系統(tǒng)約束的條件下,無(wú)超調(diào)單向運(yùn)動(dòng)至期望的目標(biāo)位置,達(dá)到期望的高精度位置控制要求,系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化成一個(gè)帶約束的線性控制系統(tǒng).這將在很大程度上簡(jiǎn)化系統(tǒng)的模型,有效地緩解系統(tǒng)控制的難度.假設(shè)滿足如上所述要求的控制器存在,根據(jù)式(1)、(3)、(5)～(8),泵控非對(duì)稱液壓缸位置控制系統(tǒng)可用如下的帶約束的三階狀態(tài)空間模型來(lái)表示：

(9)

設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)變量：

X=[x1,x2,x3]T=[p1,y,y′]T,

控制變量U=u,輸出變量Y=y, 由式(1) ～(7)可得

式中：Ac、Bc、Cc為連續(xù)系統(tǒng)的系數(shù)矩陣.

3 模型預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是單向泵控液壓缸系統(tǒng)控制輸入只能在允許范圍內(nèi),在系統(tǒng)壓力允許的條件下,能夠無(wú)超調(diào)地快速到達(dá)理想的目標(biāo)位置.采用傳統(tǒng)的控制方法無(wú)法處理系統(tǒng)過(guò)程中的輸入、狀態(tài)和輸出約束,而模型預(yù)測(cè)控制 (model predictive control, MPC)作為新一代先進(jìn)控制方法,可以很好地處理帶有約束的優(yōu)化問(wèn)題.針對(duì)每一個(gè)控制時(shí)域的狀態(tài)信息和約束條件,簡(jiǎn)化成相應(yīng)條件下的二次規(guī)劃問(wèn)題,進(jìn)行有限時(shí)域的滾動(dòng)優(yōu)化,從而使控制器在每一個(gè)時(shí)刻保持最優(yōu)[15].

基于模型預(yù)測(cè)控制理論,首先對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行離散化處理[16],可得

(10)

式中：k為系統(tǒng)某采樣時(shí)刻,Ad、Bd、Cd為Ts采樣周期下的離散系統(tǒng)系數(shù)矩陣.

在狀態(tài)空間模型中嵌入積分,可得增廣模型:

建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

(11)

將目標(biāo)函數(shù)和約束條件整理成二次規(guī)劃方法標(biāo)準(zhǔn)形式：

(12)

式中：M為系統(tǒng)的約束矩陣,η為約束向量,

照社會(huì)主義的原則說(shuō)，社會(huì)革命在資本制度發(fā)達(dá)到一定的程度的時(shí)候，自然要實(shí)現(xiàn)的，然而也可以用他種人為勢(shì)力——非妥協(xié)的階級(jí)斗爭(zhēng)——促進(jìn)他的速度。英、美的資本制度比俄國(guó)的要發(fā)達(dá)得十?dāng)?shù)倍，英、美兩國(guó)的工會(huì)比俄國(guó)的也要發(fā)達(dá)得十?dāng)?shù)倍，何以社會(huì)革命不在英、美兩國(guó)發(fā)生，反在俄國(guó)實(shí)現(xiàn)呢？這就是因?yàn)槎韲?guó)社會(huì)革命黨實(shí)行的力量比英、美兩國(guó)的大的原故。所以我國(guó)在中國(guó)運(yùn)動(dòng)社會(huì)革命的人，不必專受理論上的拘束，要努力在實(shí)行上去做。

此時(shí),原問(wèn)題變成了求解帶不等式約束的二次規(guī)劃問(wèn)題.假設(shè)系統(tǒng)每個(gè)采樣時(shí)刻的狀態(tài)變量X(k)已知,則可以通過(guò)二次優(yōu)化算法QPhild算法[16]解出k時(shí)刻的最優(yōu)輸入序列：

Δu*(k)=Δu*(0).

(13)

模型預(yù)測(cè)控制算法原理框圖如圖3所示.圖3中,u(k-1)、u(k)分別為(k-1)時(shí)刻、k時(shí)刻的輸入變量,x(k-1)、x(k)分別為(k-1)時(shí)刻、k時(shí)刻的狀態(tài)變量,q-1為時(shí)間后移運(yùn)算符.

模型預(yù)測(cè)控制算法原理圖如圖4所示.

考慮到實(shí)際液壓系統(tǒng)中存在較多時(shí)變及不確定性因素,在預(yù)測(cè)控制算法中基于預(yù)測(cè)控制模型(不變)的預(yù)測(cè)輸出不可能與系統(tǒng)的實(shí)際輸出完全一致,而在滾動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中,要求模型輸出與實(shí)際系統(tǒng)輸出保持一致.采用反饋校正,不斷根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際輸出對(duì)預(yù)測(cè)輸出值作出修正,構(gòu)成閉環(huán)反饋,具體做法如下.

將第k時(shí)刻的實(shí)際測(cè)量值與預(yù)測(cè)模型輸出之間的誤差附加到模型(k+1)時(shí)刻的預(yù)測(cè)輸出ym(k+i)上,可以表示為

yp(k+i)=ym(k+i)+g0[(y(k)-ym(k)].

(14)

式中：yp(k+i)為k+i時(shí)刻的預(yù)測(cè)值,ym(k+i)為k+i時(shí)刻的模型預(yù)測(cè)輸出值,y(k)為k時(shí)刻的實(shí)際測(cè)量值.

圖3 模型預(yù)測(cè)控制算法原理框圖Fig.3 Block diagram of control algorithm based on MPC

圖4 模型預(yù)測(cè)控制算法原理圖Fig.4 Schematic of MPC control algorithm

修正后的系統(tǒng)控制算法原理圖如圖5所示.

圖5 修正后的模型預(yù)測(cè)控制算法原理圖Fig.5 Modified schematic of MPC control algorithm

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證提出的控制器的實(shí)際控制效果,在實(shí)驗(yàn)室搭建泵控缸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖6所示.電機(jī)選用三菱公司的HG-SR7024型交流永磁同步電機(jī)(搭配相應(yīng)伺服器MR-J4-A)；壓力傳感器采用上海朝輝公司的PT124G-214型平膜式壓力傳感器；光柵尺選用信和公司的KA300-420型光柵尺；單向定量泵選用誠(chéng)捷公司的NT3-D20F型內(nèi)嚙合齒輪泵.

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要參數(shù)如表1所示,算法中所需的其他參數(shù)分別如下：Ey=1.4×109Pa,b=2 N/(m·s),Kci=2.4×10-13m3/Pa(由參數(shù)辨識(shí)獲取).MPC控制器參數(shù)中,Np=30,Nc=3.基于上述參數(shù),分別開(kāi)展MPC與PID控制效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)和不同目標(biāo)值工況下的控制精度對(duì)比實(shí)驗(yàn).

圖6 泵控缸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Test rig of pump-controlled cylinder system

4.1 MPC與PID控制效果對(duì)比

采用實(shí)驗(yàn)法試湊,選擇一組無(wú)超調(diào)且控制效果相對(duì)較優(yōu)的PID控制器參數(shù)Tp=700,Ti=0.002,Td=0.將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與MPC實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,控制效果的對(duì)比如圖7所示.可以看出,當(dāng)選定合適的控制器參數(shù)時(shí),MPC控制器和PID控制器系統(tǒng)均能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)所需的無(wú)超調(diào)位置控制,但MPC控制效果在快速性方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制.在實(shí)際調(diào)試中,PID參數(shù)的選擇只能依靠試湊,具有較大的盲目性,系統(tǒng)調(diào)試效率很低；反之,MPC控制器參數(shù)在系統(tǒng)參數(shù)較明確的情況下,系統(tǒng)的無(wú)超調(diào)要求可以通過(guò)控制器結(jié)構(gòu)來(lái)保證,參數(shù)的調(diào)整主要解決系統(tǒng)響應(yīng)的快速性,調(diào)試過(guò)程無(wú)需花費(fèi)太多時(shí)間.

表1 泵控缸系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)主要參數(shù)

圖7 MPC控制器與PID控制器控制效果對(duì)比圖Fig.7 Control effect with proposed MPC and PID

4.2 不同目標(biāo)值工況下的模型預(yù)測(cè)控制器效果對(duì)比

為了驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)控制算法的控制精度,選擇3種不同目標(biāo)值工況進(jìn)行試驗(yàn)：r0=0.05、0.07和0.10 mm.控制效果如圖8所示.可以看出,在3種不同目標(biāo)值工況下,系統(tǒng)均能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)超調(diào)輸出,輸出值誤差Δy/y分別為0.53%、0.91%和0.18%,均能夠控制在1%以內(nèi),控制精度良好.

圖8 不同目標(biāo)值工況下的MPC控制效果圖Fig.8 MPC control effect of different set-point

由實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果可知,模型預(yù)測(cè)控制器的控制效果優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器,可以可靠地保證系統(tǒng)的輸出始終滿足y≤r0的要求；在系統(tǒng)工作過(guò)程中,y始終單調(diào)增大,因此,換向閥不用換向,有效地避免了換向時(shí)液壓缸兩工作腔壓力突變?cè)斐傻姆蔷€性影響.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)單向比例泵控非對(duì)稱液壓缸位置控制系統(tǒng),提出用帶約束的三階狀態(tài)空間模型來(lái)描述本系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型.基于模型預(yù)測(cè)控制理論設(shè)計(jì)實(shí)用的模型預(yù)測(cè)控制器,通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)的控制方法,所設(shè)計(jì)的模型預(yù)測(cè)控制器能夠?qū)o(wú)超調(diào)約束、泵單向轉(zhuǎn)動(dòng)等條件轉(zhuǎn)化成不等式約束條件下的二次規(guī)劃問(wèn)題,從而有效地避免閥切換導(dǎo)致的非線性因素對(duì)控制精度的影響,實(shí)現(xiàn)期望的無(wú)超調(diào)高精度位置控制.

[1] TAKAKU K, HIRAIDE H, OBA K. Application of the “ASR series” ac servo motor driven hydraulic pump to injection molding machines [C]∥Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. Japan: The Japan Fluid Power System Society, 2008: 127-130.

[2] IMAMURA T, SAWADA Y, ICHIKAWA M, et al. Energy-saving hybrid hydraulic system comprising highly efficient IPM motor and inverter, for injection molding and manufacturing machine [C]∥Proceedings of the JFPS International Symposium on Fluid Power. Japan: The Japan Fluid Power System Society, 2008: 117-120.

[3] CHIANG M H. A novel pitch control system for a wind turbine driven by a variable-speed pump-controlledhydraulic servo system [J]. Mechatronics, 2011, 21(4): 753-761.

[4] RAHMFELD R. Development and control of energy saving hydraulic servo driven for mobile machine [D]. Hamburg: TUHH, 2002.

[5] HELDUSER S. Electric-hydrostatic drive: an innovative energy-saving power and motion control system [C]∥Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Hangzhou: [s.n.], 1999: 427-437.

[6] KAZMEIER B. Electro-hydrostatic low power linear drive-system performance and controls to minimize power consumption [C]∥ Proceedings of the 3rd International Symposium on Fluid Power Transmission and Control. Beijing: International Academic, 1997: 113-119.

[7] XU M, JIN B, YU Y, et al. Using artificial neural networks for energy regulation based variable-speed electrohydraulic drive [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2010, 23(3): 327-335.

[8] TAO J, WANG X, YANG L, et al. Nonovershooting position control for unidirectional proportional pump controlled asymmetric cylinder with proportional controller [C]∥ 2015 International Conference on Fluid Power and Mechatronics (FPM). China: IEEE, 2015: 866-872.

[9] 李貴閃. 伺服驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)淺析[J]. 鍛壓裝備與制造技術(shù), 2011, 15(6): 17-19. LI Gui-shan. Analysis of servo-driven press [J]. China Metal Forming Equipment and Manufacturing Technology, 2011, 15(6): 17-19.

[10] 權(quán)龍. 泵控缸電液技術(shù)研究現(xiàn)狀, 存在問(wèn)題及創(chuàng)新解決方案[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2008, 44(11): 87-92. QUAN Long. Current state, problem and the innovative solution of electro-hydraulic technology of pump controlled cylinder [J]. Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44(11): 87-92.

[11] PERRON M, DE LAFONTAINE J, DESJARDINS Y. Sliding-mode control of a servomotor-pump in a position control application [C]∥ Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. Canada: IEEE, 2005: 1287-1291.

[12] ZHENG J, ZHAO S, WEI S. Application of self-tuning fuzzy PID controller for a SRM direct drive volume control hydraulic press [J]. Control Engineering Practice, 2009, 17(12): 1398-1404.

[13] 彭永剛,韋巍. 伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)定量泵液壓系統(tǒng)在精密注塑中的應(yīng)用及控制策略[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(2): 173-179. PENG Yong-gang, 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.

[14] PENG Y, WANG J, WEI W. Model predictive control of servo motor driven constant pump hydraulic system in injection molding process based on neuro-dynamic optimization [J]. Journal of Zhejiang University: Science C, 2014, 15(2): 139-146.

[15] 黃昆, 俞凡. 電磁式主動(dòng)懸架模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011, 44(11): 1619-1624. HUANG Kun, YU Fan. Model predictive controller design for electromagnetic active suspension [J]. Journal of Shanghai Jioatong University, 2011, 44 (11): 1619-1624.

[16] WANG L. Model predictive control system design and implementation using MATLAB [M]. Germany: Springer, 2009: 1-188.

Precision position control of pump-controlled asymmetric cylinder

WANG Xuan, TAO Jian-feng, ZHANG Feng-rong, WU Ya-jin, LIU Cheng-liang

(SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

A three-order state space model with constraints was proposed to describe the system based on the flow continuity equation and the force balance equation after analyzing the operating principle and characteristics of the system in order to realize the non-overshooting position control of unidirectional proportional pump-controlled asymmetric cylinder system on the designed platform. A design of model predictive controller applicable to this model was proposed based on model predictive control theory and QPhild quadratic optimization algorithm in order to guarantee its non-overshooting output. Experimental results indicated that the proposed method successfully resolved the overshooting problem without introducing nonlinear characteristics caused by switching the valve. Then the aim of high-precision position control under multiple constraints was realized.

pump-controlled asymmetric hydraulic cylinder; non-overshooting; model predictive control; precision position control; multiple constraints

2015-11-18. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375297，51275288)；上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)帶頭人計(jì)劃資助項(xiàng)目(14XD1402000)；國(guó)家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA041803)；長(zhǎng)安大學(xué)高速公路施工機(jī)械陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(2014G1502044).

王玄(1992—),男,碩士生,從事電液伺服控制的研究.ORCID: 0000-0002-0722-2234. E-mail: wxasqy123@163.com 通信聯(lián)系人：陶建峰,男,副教授.ORCID: 0000-0001-6098-9779. E-mail: jftao@sjtu.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.04.001

TH 137; TP 271

A

1008-973X(2016)04-0597-06