采用PID控制器對(duì)液壓伺服系統(tǒng)的位置控制進(jìn)行的一些改進(jìn).doc

長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯長(zhǎng) 春 工 業(yè) 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯學(xué) 院專(zhuān)業(yè)班級(jí)指導(dǎo)教師姓 名外文出處 年 月 日8采用PID控制器對(duì)液壓伺服系統(tǒng)的位置控制進(jìn)行的一些改進(jìn)作者：Mohamed El-Sayed M Essa, Magdy AS Aboelela 和Mohamed Ahmed Moustafa Hassan摘要利用粒子群優(yōu)化算法、自適應(yīng)加權(quán)PSO(AWPSO)算法和遺傳算法(GA)來(lái)確定液壓位置控制系統(tǒng)的最佳比例積分控制器參數(shù)。一個(gè)典型的液壓伺服系統(tǒng)被選為一個(gè)應(yīng)用。該液壓伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型包括最相關(guān)的動(dòng)力學(xué)和非線(xiàn)性效應(yīng)。該模型模擬了REXROTH伺服閥的行為，并包括摩擦力、閥動(dòng)力學(xué)、油壓縮系數(shù)和負(fù)載影響的非線(xiàn)性。在優(yōu)化過(guò)程中使用的性能指標(biāo)是整體絕對(duì)誤差、積分平方誤差和積分時(shí)間絕對(duì)誤差。在仿真模型中實(shí)現(xiàn)了該控制器的實(shí)現(xiàn)，以確定優(yōu)化控制器的最佳方法。與GA和AWPSO的結(jié)果相比，PSO方法在改進(jìn)液壓系統(tǒng)位置控制的方法上更有效、更可靠，以解決時(shí)間、最大超標(biāo)和不足的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：自適應(yīng)加權(quán)粒子群優(yōu)化、誤差準(zhǔn)則、遺傳算法、液壓伺服系統(tǒng)、粒子群優(yōu)化、PID控制器介紹液壓伺服系統(tǒng)(HSS)在工業(yè)領(lǐng)域中起著重要的作用，因?yàn)樗鼈兡軌虍a(chǎn)生高扭矩和高速度的大力。HSS應(yīng)用包括機(jī)械手、材料試驗(yàn)機(jī)、疲勞測(cè)試、紙機(jī)、船舶、注塑機(jī)、機(jī)器人和飛機(jī)領(lǐng)域。液壓系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)是非線(xiàn)性的，由于閥門(mén)的開(kāi)啟、摩擦等的方向變化。在液壓控制系統(tǒng)中，控制的主要目的之一是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的期望和滿(mǎn)意的響應(yīng)。HSS是一種由電機(jī)、伺服、控制器、驅(qū)動(dòng)缸和測(cè)量裝置組成的系統(tǒng)。電液控制問(wèn)題分為位置控制、速度控制和力控制問(wèn)題。液壓伺服系統(tǒng)的力控制方法允許模糊控制器最小化壓力過(guò)大，并保持負(fù)載自失效。由Bonchis等人引入的加速度反饋控制(2001)使用可變結(jié)構(gòu)控制器出現(xiàn)在重要的摩擦非線(xiàn)性中。一種基于李亞普諾夫穩(wěn)定性理論的非線(xiàn)性控制器，該理論認(rèn)為閥門(mén)動(dòng)力學(xué)是由Sirouspour和Salcudean(2000)提到的HSS的位置控制的。比例積分-導(dǎo)數(shù)(PID)控制器是反饋系統(tǒng)最常用的控制器形式。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)，如Pedret et al(2002)和Chang et al(2003)。它已經(jīng)被用于減少測(cè)量過(guò)程輸出反饋的區(qū)別和所需的設(shè)定值通過(guò)調(diào)整過(guò)程控制par-ameters(荒木,2002)。一般而言，控制器應(yīng)用于任何物理系統(tǒng)的主要目標(biāo)是調(diào)整測(cè)量的響應(yīng)，以盡可能接近所需的信號(hào)。控制器優(yōu)化報(bào)告作為一個(gè)diffi-culties imple-mentation期間所遇到的控制器。例如,如果比例增益的優(yōu)化過(guò)程和/或inte-gral增益和/或?qū)?shù)增益PID控制器未能產(chǎn)生最優(yōu)值根據(jù)一定的優(yōu)化準(zhǔn)則,控制后系統(tǒng)響應(yīng)可能遭受高過(guò)頭或上升時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差(Astro m和Ha,1995)。為了優(yōu)化控制器的參數(shù)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了許多方法。這些范圍包括試驗(yàn)和錯(cuò)誤(Saad et al .，2012)，root locus(Levine,2000)和人工智能技術(shù)(Ismail和Hassan,2012)。在最優(yōu)化中使用的性能指標(biāo)是整體絕對(duì)誤差(IAE)、積分平方誤差(ISE)和積分時(shí)間絕對(duì)誤差(ITAE)(王et,2006)。在本文中提出的三個(gè)優(yōu)化技術(shù)中，這些性能指標(biāo)被調(diào)用以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)。本文采用粒子群優(yōu)化算法(PSO)、自適應(yīng)加權(quán)PSO算法(AWPSO)和遺傳算法(GA)，實(shí)現(xiàn)了PID控制器對(duì)HSS位置控制的優(yōu)化。為了使模型的復(fù)雜性盡可能的合理，一些相關(guān)的假設(shè)和簡(jiǎn)化方法已經(jīng)被做了。本文組織如下:第2節(jié)討論了HSS的動(dòng)態(tài)建模，并給出了HSS模型的參數(shù)。第3節(jié)給出了PID控制器及其優(yōu)化方法的簡(jiǎn)要描述。第4部分介紹了使用的進(jìn)化計(jì)算(EC)技術(shù)的性能指標(biāo)，第5節(jié)展示了模擬結(jié)果。最后，第六節(jié)給出了結(jié)論和文章的結(jié)果。2動(dòng)態(tài)建模與仿真在這一節(jié)中，利用描述HSS運(yùn)算的所有動(dòng)態(tài)方程來(lái)開(kāi)發(fā)HSS的非線(xiàn)性模型。這是通過(guò)操縱MATLAB / Simulink軟件技術(shù)的事實(shí)性來(lái)完成的。該模型描述了REXROTH伺服閥的行為，并包括摩擦力、閥動(dòng)力學(xué)、油壓縮系數(shù)和負(fù)載影響的非線(xiàn)性。本文研究的系統(tǒng)如圖1所示，并由兩個(gè)圓柱體組成，與圓筒活塞有直接的連接。這種連接可以使壓縮機(jī)油在兩個(gè)活塞之間向左方向移動(dòng)，也就是圖2所示的B室的正確方向。雙桿筒可以通過(guò)使用安裝在框架上的兩個(gè)鋼瓶來(lái)實(shí)現(xiàn)。它們以這樣的方式連接，以模擬液壓對(duì)稱(chēng)線(xiàn)性執(zhí)行器，每個(gè)氣缸的活塞端與另一個(gè)汽缸的活塞桿端相連。頭部側(cè)的壓力PA和另一側(cè)的壓力PB被認(rèn)為是反饋信號(hào)。頭部側(cè)面的流量質(zhì)量保證和另一側(cè)的流量QB是閥門(mén)的軸向位置xv和氣缸壓力的函數(shù)。低頻行為,管道效應(yīng)沒(méi)有發(fā)揮作用的輸入輸出行為和理想的石油供應(yīng),高速鋼的模型是由兩個(gè)子系統(tǒng)(閥和汽缸)如圖2所示。2.1液壓缸微分方程控制致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)給出了梅里特(1967)和Mohieddine Kroll(2003)。詳情如下。 PA=QA-APxP+QLi-QLeAChA （1） PB =QB+APxP-QLi-QLeBChB （2）圖1:研究了液壓伺服系統(tǒng)圖2:具有不同定義的閥缸組合假設(shè)外部泄漏流QLeA和QLeB可以忽略。室A和室B的水力電容被劃分為ChA和ChB給出了作為 ChA=ChPA,xp=VAxpPA=Vp1.Axp0+xpApPA （3） ChB=ChPB,xp=VBxpPB=Vp1.Bxp0+xpApPB （4） VA=VP1,A+S2+xPAP=VA0+xPAP （5） VB=VP1,B+S2-xPAP=VB0-xPAP （6）這里的S是圓柱沖程。VP1、AVP1、B分別是a - side和B - side的管道卷。是液壓缸的有效體積彈性模量。常用的方程計(jì)算液壓缸的有效體積彈性模量表示為(Mohieddine Kroll,2003) p=a1maxloga2ppmax+a3 （7）這里a1=50，a2=90，a3=3，max=18000，pmax=280。最初的室體積是相等的。最初的數(shù)量如下: VA0=VB0=VC0 （8）2.1.2負(fù)載方程摘要運(yùn)用牛頓第二定律對(duì)活塞的力進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)方程。由此產(chǎn)生的負(fù)載方程可以表示為 mtxP+Fext+FfxP=PA-PBAP （9）在方程(9)中，有一個(gè)外力(Fext)，作為輸入力或?qū)钊母蓴_力。它是通過(guò)在活塞的外端連接彈簧實(shí)現(xiàn)的。外力的 Fext=KsxP （10）這里:Ks是彈簧剛度和Ff摩擦力。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們假設(shè)這個(gè)外力是零。這意味著外力被忽略了?？傎|(zhì)量mt包括活塞質(zhì)量mP和氣缸腔內(nèi)的液壓流體的質(zhì)量，以及管道、鎂和mBfl的質(zhì)量。 mt=mP+mAfl+mBfl （11）假設(shè)與活塞質(zhì)量相比，圓筒中液體的質(zhì)量被忽略。2.1.3活塞摩擦摩擦力是一個(gè)差動(dòng)液壓缸的主要非線(xiàn)性建模。活塞上的非線(xiàn)性摩擦力取決于氣缸速度、壓力的差異在活塞上的活塞和可能的位置和流體溫度(Mohieddine Kroll,2003)。摩擦力的不對(duì)稱(chēng)性可以用方程(12)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Σ梁瘮?shù)來(lái)捕獲。這個(gè)函數(shù)指的是stribeck曲線(xiàn)，如圖3所示(Nissing,2000)。 FfxP=+xP+sgnxPFCO+FSO+-xPCS+xP0-xP+sgnxPFCO-+FSO-xPCS-xP0 （12）這里：粘性摩擦參數(shù)；FCO+，F(xiàn)CO-：差動(dòng)缸庫(kù)侖摩擦參數(shù)；FSO+，F(xiàn)SO-：差動(dòng)鋼瓶摩擦參數(shù)；CS+，CS-：Stribeck速度范圍。函數(shù)sgn（x）被標(biāo)示為 sgnx=x，x00，x0 （13）這里在摩擦函數(shù)中加入了一個(gè)輔助力，以防止xP和Ff在xP=0和xP=0之間的非唯一關(guān)系。有關(guān)輔助力的更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)參見(jiàn)Mohieddine和Kroll(2003)，Lee和Lee(1990)和Nissing(2000)。2.2伺服閥模型所使用的伺服閥的類(lèi)型是一個(gè)四個(gè)方法，一個(gè)關(guān)鍵的中心，如圖4所示。將經(jīng)典的連續(xù)性方程將壓力的方向(流動(dòng)方向)考慮進(jìn)去，可以說(shuō)明如下:QA=Q1-Q2=CV1sgnxvsignPS-PAPS-PA-CV2sgn-xvsignPA-PTPA-PT （14） QB=Q3-Q4=CV3sgn-xvsignPS-PBPS-PB-CV4sgnxvsignPB-PTPB-PT （15）在這里CVi中i=1、2、3、4，是氣門(mén)孔的流量系數(shù)。如果所有的孔都是相同的，它們就會(huì)相等。閥門(mén)的動(dòng)態(tài)特性涉及大量參數(shù)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，在MATLAB中使用系統(tǒng)識(shí)別工具箱采用了閥的一階模型。方程(16)顯示了一階模型的一般形式(Alleyne,1996)。 xv=1xv+Kvu （16）這里是時(shí)間常數(shù)，kv是閥門(mén)增益u是閥門(mén)的輸入信號(hào)?？紤]到方程中的閥門(mén)動(dòng)力學(xué)(16)，時(shí)間常數(shù)為0.0033秒，閥門(mén)增益0.98，產(chǎn)生的傳遞函數(shù)為 x-vsus=KConv。300.7s+306.8 （17）輸入u是閥門(mén)的命令電壓輸入和轉(zhuǎn)換因子，Conv.:將閥門(mén)LVDT的電壓讀數(shù)轉(zhuǎn)換為電表的實(shí)際線(xiàn)軸位移。2.3 HSS仿真模型的參數(shù)值在表1中給出了HSS仿真模型的參數(shù)值。這些參數(shù)包括活塞的總質(zhì)量和根據(jù)實(shí)際的REXROTH硬件參數(shù)的活塞面積。K S的值被設(shè)為0，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)沒(méi)有外部的力，就像等式中解釋的那樣。參數(shù)值 mtAP VPI,A +,-FCO+,FCO- FSO+,FSO- CS+,CS- Xv,max PS PT KS Cv 20kg0.0012m20.000001m320N s/m165N,250N20N,110N0.015m/s210-3m 200bars1bar0N/m9.428110-5m3s.N 表1：液壓伺服系統(tǒng)模型的參數(shù)、值和描述。3.PID控制器應(yīng)用粒子群優(yōu)化是由Eberhart和Kennedy在1995年開(kāi)發(fā)的。優(yōu)化algo - rithms已經(jīng)得到了來(lái)自業(yè)界和業(yè)界的越來(lái)越多的關(guān)注(福山和中石，1999)。PSO是一種數(shù)值方法或算法，用于求出一個(gè)函數(shù)的最大值或最小值。它也被認(rèn)為是一種計(jì)算性的算法，基于群體智能。這種優(yōu)化方法是一種群體智慧的形式，它是一種生物社會(huì)系統(tǒng)的行為，例如一群鳥(niǎo)類(lèi)或一群魚(yú)的行為。 ut=Kpet+Ki0ted +Kddetdt （18）這里，ut：控制器的輸出；et：系統(tǒng)錯(cuò)誤；ysp：設(shè)置點(diǎn)或參考信號(hào)。通過(guò)結(jié)合PSO算法、AWPSO和GA，設(shè)計(jì)了PID控制器的位置控制的PID控制器。所使用的技術(shù)被討論如下。3.1粒子群優(yōu)化粒子群優(yōu)化是由Eberhart和Kennedy在1995年開(kāi)發(fā)的。優(yōu)化algo - rithms已經(jīng)得到了來(lái)自業(yè)界和業(yè)界的越來(lái)越多的關(guān)注(福山和中石，1999)。PSO是一種數(shù)值方法或算法，用于求出一個(gè)函數(shù)的最大值或最小值。它也被認(rèn)為是一種計(jì)算性的算法，基于群體智能。這種優(yōu)化方法是一種群體智慧的形式，它是一種生物社會(huì)系統(tǒng)的行為，例如一群鳥(niǎo)類(lèi)或一群魚(yú)的行為。當(dāng)蜂群尋找食物時(shí)，它的顆粒會(huì)分散，在環(huán)境中分開(kāi)移動(dòng)。蜂群中的每一個(gè)粒子都有一定程度的自由或隨機(jī)性。這些粒子的速度將根據(jù)自身飛行經(jīng)驗(yàn)和鄰居的飛行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。每一個(gè)粒子在D維空間中都被稱(chēng)為無(wú)體積粒子(Gaing,2004)。每一個(gè)粒子都在問(wèn)題空間中跟蹤它的坐標(biāo)，這與它所達(dá)到的最佳位置