雙液壓缸同步精確控制技術(shù)研究

1、雙液壓缸同步精確控制技術(shù)研究Research on Synchronous Control Technology of Dual Hydraulic Cylinders宋云艷Song Yunyan(長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程技術(shù)分院， 長春 130000)摘要：針對液壓同步控制普通存在的問題，對雙缸液壓驅(qū)動提升系統(tǒng)展開研究，在交叉耦合控制方法的基礎(chǔ)上提出一種單神經(jīng)元PID控制策略，克服了傳統(tǒng)PID控制策略不能在線整定的缺點；同時通過有監(jiān)督Delta學(xué)習(xí)規(guī)則對神經(jīng)元連接權(quán)系數(shù)進行調(diào)整，提高了同步控制精度。仿真及實驗結(jié)果表明，所采用的方法能有效地提高雙液壓同步控制精度，可將誤差控制在允許范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞

2、：同步控制； 單神經(jīng)元； PID控制；仿真引言大型機械設(shè)備因布局、結(jié)構(gòu)等原因，常需要采用兩個液壓缸共同帶動負載進行工作，因此要求兩個液壓缸速度保持一致，即需對其進行同步控制。圖1為雙缸液壓提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由于元件結(jié)構(gòu)誤差、壓力波動、外部干擾，流固耦合等因素的影響，常常出現(xiàn)同步誤差，使系統(tǒng)工作性能大大下降，甚至發(fā)生事故。為此，采用何種控制方式及控制策略，提高同步控制精度，是目前最受關(guān)注的問題。圖1 雙缸液壓提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用于液壓同步上的控制方法很多，大部分都采用主從控制方式1，即以一個執(zhí)行元件的輸出信號為目標，對其它執(zhí)行元件進行控制，實現(xiàn)同步的目的，這種方法可以取得較好的控制效果，但不適合負載

3、變化很大的場合。在控制策略上，應(yīng)用最多的是PID控制2，該方法簡單，易實現(xiàn)，但因不能實時在線調(diào)整參數(shù)，在應(yīng)用上受到很大的局限。本文以雙缸液壓提升系統(tǒng)為對象，對其同步控制方法進行了深入研究，針對液壓傳動非線性、時變性的特點，提出采用交叉耦合控制方式，并把傳統(tǒng)PID與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，即單神經(jīng)元PID控制策略。仿真與實驗結(jié)果表明，所采用的方法可以獲得較好的同步精度，取得了預(yù)期的效果，有一定應(yīng)用價值。雙缸液壓驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型雙液壓缸提升系統(tǒng)是由兩個電液比例伺服閥控制完全相同的兩個液壓缸，實現(xiàn)對負載的提升，活塞與負載之間采用鋼索連接。為保證負載平穩(wěn)上升和下降，要求兩個液壓缸提升速度完全一致。為降低同步誤

4、差，提高同步控制精度，首先對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行研究。對圖1中系統(tǒng)的負載進行了受力分析,建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型34。負載受力方程 (1)式中：，液壓缸的提升力；負載質(zhì)心位移；負載質(zhì)量；，分別是兩液壓缸提升力對負載質(zhì)心的力臂；為負載繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)角。液壓缸的流量連續(xù)性方程: (2) (3)式中：V1,V2液壓缸有桿腔、無桿腔容積；Cig,Ceg缸體內(nèi)、外泄漏系數(shù)；e流體彈性模量；Q1,Q2進、出液壓缸流體流量。雙缸同步控制策略研究控制方式的選取針對液壓系統(tǒng)非線性，時變性特點，采用交叉耦合控制方式，即兩個液壓缸都以一個理想的輸入為目標，進行跟蹤控制56；再把兩個輸出結(jié)果的差也作為一個附加的信號反饋到輸入端，

5、從而實現(xiàn)輸入信號和偏差信號的耦合，如圖2所示。圖2 采用交叉耦合方式的雙缸同步控制系統(tǒng)方框圖控制策略2.2.1神經(jīng)元控制人工神經(jīng)元基于人腦神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)與特征，可以看用是一種多輸入到單輸出的映射關(guān)系7，若定義：為神經(jīng)元的輸入，為神經(jīng)元的闕值，為連接權(quán)強度，則總的輸出為： (4)式中：控制器的比例系數(shù)對應(yīng)于的連接權(quán)系統(tǒng)2.2.2 神經(jīng)元PID控制PID控制是目前應(yīng)用較多的一種控制策略，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的特點，但其本身不具備在線調(diào)整參數(shù)的功能，所以單純采用PID控制難以保證其控制精度。針對這一問題，采用神經(jīng)元控制與PID控制相結(jié)合的控制策略，圖3為交叉耦合控制方法的單神經(jīng)元PID控制器結(jié)構(gòu)8。

6、圖3 采用交叉耦合形式的單神經(jīng)元PID控制器結(jié)構(gòu)在這個系統(tǒng)中，把兩個液壓缸活塞的位移偏差、速度偏差和無桿腔壓力差三個反饋信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為單神經(jīng)元PID控制器的輸入，連接權(quán)系數(shù)通過有監(jiān)督Delta學(xué)習(xí)規(guī)則進行調(diào)整910，其規(guī)則表達式為： (5)則可以得到單神經(jīng)元PID控制器的表達式為： (6)仿真與實驗仿真分析為了驗證控制策略的的合理性，把單神經(jīng)元與PID相結(jié)合的控制策略應(yīng)用于雙液壓缸同步控制系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)PID控制相對比，進行MATLAB仿真。假設(shè)兩組提升系統(tǒng)中元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同，選取液壓泵排量為135mL/r，液壓缸直徑100mm，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速1000r/min，負載500Kg，采用

7、不同的控制策略和研究目標進行仿真。1、以兩個液壓缸活塞的位移差作為控制變量控制器利用兩個活塞的位移差分別去控制兩個比例閥的開口，改變進入液壓缸流量，使活塞位移向理想目標調(diào)整，位移差逐漸為零，實現(xiàn)同步控制。分別采用傳統(tǒng)PID和單神經(jīng)元PID策略進行仿真，結(jié)果如圖4所示。圖4以活塞位移差作為控制變量的仿真結(jié)果 由于液壓油存在一定的慣性，所以在開始階段位移差會先增大，然后才慢慢減少，直至為零。從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生變化時，采用單神經(jīng)元PID控制策略能使系統(tǒng)更快地達到同步控制。2、以系統(tǒng)壓力差作為控制變量假設(shè)初始兩個液壓缸內(nèi)壓力相同，由于某種原因產(chǎn)生同步誤差時，將引起負載傾斜，從而使載荷不能平均分

8、配到兩液壓系統(tǒng)中，最終導(dǎo)致兩個液壓缸內(nèi)壓力不一致，實驗結(jié)果如圖5所示。圖5 以系統(tǒng)壓力差作為控制變量的仿真結(jié)果仿真結(jié)果表明，通過交叉耦合控制方式對活塞位移差，有桿腔壓力差進行實時控制，可以有效消除偏差，實現(xiàn)同步控制的目的。兩種方法都能獲得很好的同步控制效果，但與傳統(tǒng)PID控制相比，單神經(jīng)元PID控制收斂速度更快，精度更高。實驗研究為驗證所采用控制方法及仿真分析的正確性，利用實驗臺進行測試，選用參數(shù)和步驟與仿真一致，得出實驗結(jié)果，如圖6所示。 圖6 兩液壓缸壓力實驗對比曲線實驗結(jié)果表明，當(dāng)不采用同步控制時，液壓系統(tǒng)中存在明顯的壓力差，說明有同步誤差存在。當(dāng)采用同步控制時，兩液壓缸中的壓力在同步控

9、制器的作用下逐漸減小，同步誤差得到有效控制。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符，從而驗證了仿真結(jié)果的正確性。結(jié)論通過對雙液壓缸同步系統(tǒng)的動態(tài)特性進行分析，找出影響系統(tǒng)出現(xiàn)誤差的影響因素，為控制變量的選取提供依據(jù)。1、采用交叉耦合控制方法把輸入信號和偏差信號進行耦合，然后作為控制器的輸入，同時提出一種單神經(jīng)元PID控制策略應(yīng)用于雙缸液壓驅(qū)動系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)PID控制策略不能在線整定的缺點。2、利用兩個液壓缸活塞的位移偏差、速度偏差和無桿腔壓力差三個反饋信號作為神經(jīng)元連接權(quán)系數(shù)，同時通過有監(jiān)督Delta學(xué)習(xí)規(guī)則對其進行實時的在線調(diào)整，可以獲得很快的響應(yīng)速度。3、在仿真及實驗過程中把單神經(jīng)元PID控制策略與

10、傳統(tǒng)PID控制策略進行對比，結(jié)果表明，單神經(jīng)元PID控制策略可以獲得更高的同步控制精度，同步誤差控制在要求范圍之內(nèi)，達到預(yù)期目標，具有一定借鑒價值。參考文獻丁意,趙克定,于金盈.雙缸同步控制系統(tǒng)的研究J.流體傳動與控制,2007,(2):24-26劉春芳,周璐,吳盛林.基于解耦控制的雙電液伺服系統(tǒng)同步技術(shù)研究J.機床與液壓,2007(2):181-183.蘇東海,孫占文,單光坤. 液壓機雙缸同步系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的研究. 流體傳動與控制.2008.3, 7(2): 41-44李軍偉,趙克定,吳盛林.雙電液伺服以達同步模糊控制系統(tǒng)的研究.機床與液壓.2005,(1):115-117劉曉峰,劉昕暉,王龍

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