液压阀控马达速度系统模糊神经元控制与仿真.pdf

2 0 1 1年 9月 第 3 9卷 第 1 7期 机床与液压 MAC HI NE T00L HYDRAUL I C S S e p ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 7 ． 0 3 4 液压阀控马达速度系统模糊神经元控制与仿真 孔祥臻 ，赵敬伟 ，蒋守勇 1 ．山东交通学院工程机械 系，山东济南 2 5 0 0 2 3 ； 2 ．济南飞越机电科技有限公司，山东济南2 5 0 1 0 1 ； 3 ．煤炭工业济南设计研 究院有限公 司，山东济南 2 5 0 0 3 1 摘要将模糊控制技术与神经元 网络技术结合并引入液压阀控马达系统中，提出了一种基于模糊神经元网络控制策略 的阀控马达速度控制方案。仿真结果证明该控制策略提高了阀控马达控制系统的自适应能力 ，改善了控制系统的性能。 关键词液压阀控马达 ；速度控制；模糊神经元控制 中图分类号 T P 2 7 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 71 1 1 2 Fuz z y． n e ur a l Ne t wo r k Co n t r o l a nd S i mul a t i o n o n Hy dr a u l i c Va l v e - c o n t r o l l e d M o t o r S pe e d Se r v o S y s t e m KONG Xi a n g z h e n ，Z HAO J i n g w e i ，J I ANG S h o u y o n g 1 ． D e p a r t m e n t o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c a l ， S h a n d o n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 2 3 ，C h i n a ； 2 ． J i n a n F e i y u e Ma c h i n e r y T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ．，J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 1 0 1，C h i n a ； 3 ． C o a l I n d u s t ry J i n a n D e s i g nR e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ，L t d ． ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t A s p e e d c o n t r o l me t h o d f o r t h e h y d r a u l i c v a l v e - c o n t r o l l e d mo t o r s y s t e m wa s p r e s e n t e d b a s e d o n f u z z y - -n e u r a l n e t wo r k c o n t r o l s t r a t e g y wh i c h wa s c o mb i n a t i o n o f f u z z y c o n t r o l a n d n e u r a l n e t wo r k ．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t il e s e l f a d a p t i v e a b i l i t y a n d c o n t r o l l i n g p e r f o r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c v a l v e c o n t r o l l e d mo t o r s y s t e m a r e i mp r o v e d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c v a l v e ． c o n tro l l e d mo t o r ；S p e e d e o n t r o l F u z z y - n e u r a l n e t w o r k c o n t r o l 液压马达速度伺服系统是工程上常用的伺服控制 系统 ，其具有响应速度快 、功 质量 比大、负载刚 性高和性能价格比高等特点，在航空航天、冶金 、船 舶和煤矿机械等工业领域得到了广泛采用。在工程实 际中，经常要对控制对象进行速度调节，使控制对象 以给定的速度运动 ，并且要求控制体的速度在被控制 期间恒定 ，当受到外界负载波动影响时 ，速度波动值 尽可能小 ，速 度要平 稳 。由于系统是典型 的非线性 系 统 ，工 况 比较复杂 ，受到 的干扰 比较 大大 。若不采 取 有效 的控制手段 ，系统速度就不 可能稳定 ，有时甚至 无法正常工作。文中采用模糊逻辑和神经元网络控制 策略，设计了新的控制算法来解决 阀控马达控制 问 题。将模糊控制技术与神经元网络技术相结合 ，构建 模糊神经元网络控制器，提高了阀控马达控制系统的 自适应 能力 ，改善 了控制系统 的性 能。 1 伺服阀控液压马达 系统工作原理 阀控马达控制模块液压原理如图 1 所示。 电动机 1 带动主泵 3通过过滤器 2吸油，作为伺 服阀的主油源 ；伺服阀 7的输入电压信号为 [一l 0 V，1 0 V] ；加载泵 1 0 、单 向阀桥 1 1 、比例溢流阀 1 3 以及补油泵 1 2共同组成模拟负载部分。工作时加载 泵一直处于强制卸荷状态，通过改变比例溢流阀的输 入电压信号，可以使马达 8 获得不同的负载，通过实 时调节伺服阀的输入电压信号改变阀芯位移 ，使马达 进油腔的流量保持不变 ，以此来获得恒定的转速。 l 一 电动机2 一过 滤 器卜 主 泵4 一 溢 流 阀 5 一压 力 表6 “ --带 发讯 装 置 的精 过滤 器7 一 伺 服 阀8 _ _ 马达9 一 转矩 转速 传 感器1 O 一 加载 泵 l l 一 单 向阀桥l 2 一 补 油 泵l 3 一 比例 溢流 阀 图 1 阀控马达速度控制系统液压原理图 2 阀控马达速度 系统模糊神经元 网络控制器设计 图2为模糊神经元 网络控制系统原理框图。图 收稿 日期 2 0 0 91 0 2 1 基金项目山东省高等学校科技计划项 目 J l l L D 5 8 ；山东交通学院科研基金资助项目 Z 2 0 1 1 2 7 作者简介孔祥臻 1 9 8 0 一 ，女，博士研究生 ，副教授，主要研究方向为流体传动与智能控制。Em a i l k x z j n j x 1 6 3．e o m 。 1 1 2 机床与液压 第 3 9卷 中，Y k 为系统期望输出，Y k 为系统 t k时刻的 输出。F G N C为阀控马达系统模糊神经元控制器，尽 管控制器中的节点和一般神经元有所不同，但其本质 也是实现从输入到输 出的非线性映射，仿照 B P网 络，用误差反传的方法来设计调整参数，以使被控对 象的输出逼近期望输出。 图2 模糊神经元网络控制系统原理框图 依照最速下降法修正权值 ，即按 E对加权系 数的负梯度方向搜索调整，附加一个使搜索快速收敛 的全局极小惯性系数项 ，则有 1 一 叼 蓑 △ f 1 式中叼为学习速率 ；O l 为惯性系数。 隶属度函数的中心值 。 i 和宽度 b 可以采用与求 类似的学习算法求出 f 0 ik 1 口 ik f 一 77 a A a ik f { E 2 1 6 ik 一7 7 O P- ,a A b ik 给定样本的输入和期望输 出，根据性能指标 函 数，通过式 1 、 2 即可以应用神经网络来模糊 推理 ，从而 自适应地 自动修正调整最后 一层 的连接权 以及隶属度函数的中心值 o 和宽度 b ，即相当于 根据被控对象特性和工况来自动调整模糊控制规则及 其参数，免去了人工调整时存在的种种困难。 3 阀控马达模糊神经元控制系统仿真 输入液压 阀控马达 系统 的数学模 型 ，利用 S i m u l i n k工具箱建立阀控马达模糊神经元网络控制系统仿 真框图如图 3 所示 ，仍然采用随机信号作为系统的干 扰信号 。 图3 阀控马达模糊控制神经元网络控制系统仿真框图 将模糊神经元网络控制策略导人系统中，加入扰 动信号 ，分别输入正弦信号和方波信号进行仿真得到 响应 曲线 ，如 图 4 、5 所示 。 1 ． 2 。 笔 0． 2 ． 0 ． 图4 正弦信号响应曲线 图5 方波信号响应曲线 可以看出，采用模糊控制神经元网络控制策略可 以较大程度上提高系统的动态性能，同时系统抵抗外 负载干扰的能力加强 ，控制系统的鲁棒性有所提高。 方波信号由于比较宽 相对于系统的调节时间 ，可 以认为是一系列阶跃信号的组合 ，方波信号的响应结 果与阶跃响应相近，而正弦信号响应是最好的。 4结论 针对液压 阀控马达速度控制系统的非线性 、不确 定性等特点 ，采用模糊神经元网络控制方法对阀控马 达系统实现模糊逻辑推理控制。仿真结果证明这种 控制方法减少了外负载力矩扰动作用对系统的不 良影 响 ，提高了系统的稳定性 ，对不 确定性 因素影 响的适 应能力也有所增强 ，控制系统的超调等一些动态性能 也有了相当程 度的改 善。 参考文献 【 1 】赵敬伟． 伺服 阀控液压马达速度控制系统性能研究 [ D] ． 济南 山东大学， 2 0 0 5 ． 4 ． 【 2 】马俊功， 王世富， 王占林． 液压马达速度伺服系统研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 2 6 9 81 0 1 ． 【 3 】李洪人， 王栋梁 ， 李春萍． 非对称缸电液伺服系统的静态 特性分析[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 3 2 1 8 2 2 ． 【 4 】 丁平， 白杰． 基于 R B F神经网络的航空发动机故障诊断 [ J ] ． 中国民航大学学报， 2 0 0 7 2 5 4 3 4 4 ．