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基于电液比例阀控液压马达系统的模糊PID恒速控制

作者:2016-07-15 16:02文章来源:未知

 

  电液比例控制系统是用电液比例阀作电液转换及控制元件,用液压执行元件作驱动装置,对位置、速度、力(或压力)等机械量进行控制的系统。电液比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀,它可以接受电信号的指令,连续成比例地控制系统的压力、流量等参数,使之与输入信号成比例地变化,它将电气部分和液压部分连接起来,实现电液信号的转换和放大,具有快速的动态响应和良好的静态特性。常规的PID 控制器往往参数整定不良性能欠佳,而且难于协调快速性和稳定性之间的矛盾,在具有参数变化和外干扰的情况下,其鲁棒性也不够好。

  在这种情况下考虑模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型,其响应快、鲁棒性好,故考虑采用模糊控制与PID 控制相结合。为此,采用具有一定自适应能力的控制策略—参数自整定的模糊PID 来实现液压马达(以下简称马达)的恒速控制。

  1电液比例阀控马达系统工作原理

  试验台上电液比例阀控马达系统由阀控马达液压系统及相关的电气系统组成。其中液压系统主要由电液比例方向阀、液压马达、模拟负载三部分。电气系统包括与液压系统相对应的比例放大器等控制元件。电液比例阀控马达系统原理图。

  阀控马达系统中,随着定量马达外负载的不断变化,马达的输出转矩随之发生变化,马达的转速也会发生变化,要想实现马达的恒速控制,就需要在泵排量一定的情况下,不断调整电液比例方向阀阀芯开口的大小来改变系统的流量。

  2系统速度控制原理及数学模型

  2.1系统速度控制原理

  本文研究的电液比例阀控马达系统,系统输入的电压指令Ur 与输出速度Uf 之间的速度偏差Ue 通过比例放大器放大,经电液比例方向阀转换并输出液压能,带动液压马达旋转,从而驱动负载向着消除速度偏差的方向偏转。当转速传感器的速度信号与输入指令一致时,始终按输入电压指令给定的规律变化。PID控制具有结构简单、容易实现、控制效果好和鲁棒性强等特点,且PID算法原理简明,参数物理意义明确,理论分析体系完整,主要适用于线性定常系统,一般都能得到比较满意的控制效果,而对于具有突出非线性、时变性以及滞后性的液压阀控马达系统,系统部分参数在工作过程中易受环境影响。模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型,其响应快、鲁棒性好。因此本文采用模糊控制与PID 控制相结合,使PID控制具有一定的自适应能力,从而使电液比例阀控马达速度控制系统在环境或者负载发生变化时,能够维持马达速度恒定。

  2.2系统数学模型

  电液比例阀控马达速度控制系统由比例放大器、高性能电液比例方向阀、液压马达、速度传感器及负载构成,在建立系统的数学模型前,首先要建立各个元件的数学模型,进而可以建立系统的传递函数模型。经过查阅相关资料,电液比例阀控马达速度控制系统传递函数。

  ωm为马达角速度(rad/s);ζh为液压阻尼比;Ka 为比例放大器增益(A V);Kb为电液比例阀比例系数( m3 A);Dm 为液压马达的弧度排量(m3/rad);Kce为总流量-压力系数(m5/N⋅s);Vt 为液压马达,比例阀腔及连接管道总容积( m3 );βe为工作液有效体积弹性模量;ωh为无阻尼液压固有频率;Kf 为速度传感器的增益(V⋅s/rad);Ur 为给定电压值(V);Uf 为反馈电压值(V);Ue 为误差电压(V);I 为比例放大器输出电流(A);q 为电液比例阀在稳态工作点附近流量(m3s);TL 为作用在马达轴上的外负载力矩(Nm)。

  3阀控马达速度控制系统仿真

  在Simulink 平台上利用模糊逻辑工具箱(Fuzzylogic toolbox)可以建立模糊控制器的仿真模型。模糊逻辑工具箱中有五个基本的GUI工具箱,它们用于建立、编辑和观察模糊推理系统(FIS),它们分别是模糊推理系统、隶属度函数编辑器、规则编辑器、规则观察器和曲面观察器。使用这些GUI 工具中的任意一个对FIS 进行修改将改变其它任何已打开的GUI 中的结果。通过分析阀控马达系统的数学模型以及对系统参数进行估算,最终在Simulink 环境中建立电液比例阀控马达系统。

  4结语

  本文针对电液比例阀控马达系统,为实现马达恒速控制引用并讨论了两种控制策略:常规PID 法以及参数自整定的模糊PID 算法。理论上,模糊PID 控制可以实现控制参数的在线整定,尤其对于非线性、时变的系统和模型参数未知的系统具有一定的控制效果。通过分析可知,参数自整定模糊PID 控制的确可以比常规PID 控制在实现电液比例阀控马达的恒速控制上具有更好的动态响应特性,而且鲁棒性也不错。所以参数自整定模糊PID 控制对在复杂环境下工作的工程机械的控制具有一定的借鉴意义。

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