液压位置伺服系统的自抗扰控制.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3卷 第 7期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 7 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 3 8 液压位 置伺服 系统 的 自抗扰控制 王宏文 ，李晓阳，麻 召普 河北工业大学控制科 学与工程学院 ，天津 3 0 0 1 3 0 摘要由于闪光对焊过程中液压伺服系统存在非线性 、参数时变性和强干扰性等特点，传统 P I D控制在控制精度上难 以满足要求。依据液压伺服系统的主要影响因素和工艺要求，设计了三阶非线性 自抗扰控制器。建立了液压伺服系统的数 学模型，利用 A ME S i m和 Ma t l a b软件对液压系统进行联合仿真，并将仿真结果与采用 P I D控制器的仿真结果进行对比。结 果表明该控制器优于传统的 P I D控制器，满足了液压位置伺服系统的控制要求，具有很强鲁棒性和抗干扰能力。 关键词闪光对焊 ；自抗扰控制 ；位置伺服系统 中图分类号T P 2 0 2 文献标志码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 7 1 4 9 3 ADRC o f Hy d r a ul i c Po s i t i o n Se r v o S y s t e m W ANG Ho n g we n，LI Xi a o y a n g，MA Zh a o pu S c h o o l o f C o n t r o l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， H e b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 1 3 0 ，C h i n a Ab s t r a c tAs t h e c ha r a c t e ris t i c s o f no n l i n e a rit y， pa r a me t e r v a ria b i l i t y wi t h t i me a nd s t r o ng i n t e rfe r e nc e e x i s t e d i n t h e h y d r a u l i c s e r v 0 s y s t e m o f fl a s h b u t t w e l d i n g p r o c e s s ，t h e t r a d i t i o n al p r o p o r t i o n i n t e g r a t i o n d i f f e r e n t i a l P I Dc o n t r o l w a s d i ffic u l t t o m e e t t h e r e - q u i r e me n t s o n t h e c o n t r o l p r e c i s i o n ． A t h i r d o r d e r n o n l i n e a r A c t i v e D i s t u r b a n c e R e j e c t i o n C o n t r o l A D R Cw a s d e s i g n e d b a s e d o n t h e ma i n i n fl u e n c e f a c t o r s a n d p r o c e s s r e q u i r e me n t s o f h y d r a u l i c s e r v 0 s y s t e m．T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e h y d r a u l i c s e Ⅳo s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d ． T h e s i mu l a t i o n s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m w e r e d o n e i n u n i t y b y A MES i m a n d Ma t l a b s o f t w a r e ． Mo r e o v e r t h e s i mu l a t i o n r e s u i t s we r e e o mp e d w i t h t h a t o f u s i n g PI D c o n t r o l l e r ． T h e c o n c l u s i o n s h o ws t h a t t h e ADR C c o n t r o l l e r i s b e t t e r t h a n c o n v e n t i o n a l PI D c o n t r o l l e r t o me e t t h e r e q u i r e me n t s o f h y d r a u l i c p o s i t i o n s e r v o c o n t r o l s y s t e m ，a n d t h e h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m o b t a i n s t h e p e rf o r ma n c e o f s t r o n g r o b u s t n e s s a n d a n t i - i n t e r f e r e n c e ab i l i t y ． Ke y wo r d s F l a s h b u t t w e l d i n g ； A c t i v e D i s t u r b a n c e R e j e c t i o n C o n t r o l A D R C ； P o s i t i o n s e n r 0 s y s t e m 0前言 闪光对焊工 艺分 为预 热 、闪光 、顶 锻 3个 过 程 ， 它不仅可以保证焊接质量 ，又能满足焊接过程的可 靠性 、稳定性和全 自动操作 的要求 ，因此被广泛应 用于冶金 生 产上 。冶金 生 产 环境 恶 劣 ，存 在 各 种 干扰 ，液压伺 服 系 统 由于本 身 的死 区、滞 环等 非 线 性 环节 ，导致 系 统参 数 较大 程 度 的变 化 ，而 系统 对 位置伺服有相当的精度和稳定性要求 ，因此要求所 设计的液压伺服系统控制器不仅要具有较高的控制 精 度 ，而且鲁棒性要好 。 通过理论 与 实 际 的应 用 表 明， 自抗 扰 控制 具 有 很好的鲁棒性和抗干扰能力。其扩张状态观测器在 观测出系 统状 态 变量 的同 时 ，还可 观 测 出系 统 的综 合扰动，能够选择性地进行动态补偿 ，使控制 系统 在稳定性 和鲁 棒 性 方面 都有 显 著提 高 J 。文 中基 于 A ME S i m平台搭建了该系统的物理模型，该模型能较 好地体现 液压 系统 的非线 性 以及 执行 机 构 的机械 耦 合特性。同时在分析被控对象位置伺服特性的基础 上 ，设计了相应的 自抗扰控制器 ，通过联合仿真对 比，验证该方法 的正确性和可行性 。 1 液压伺服 系统数学模型 液压伺服 系统 是 由控制 元 件 和执行 元 件 组合 而 成 的液压 装 置 。液 压 控制 阀或 伺 服型 变 量泵 等发 出 控制指令 ，由液压缸或液压马达等执行操作。本文通 过对具有代表性的阀控缸装置进行分析，得出其数 学模型 阀的线性化流量方程 Q k q v - k 。 P L 1 液压缸 的流量连续性方程 d ． d p Q d t t p p 2 液压缸与负载 的力平衡方程 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 3 - 1 8 作者简介王宏文 1 9 5 7 一 ，男 ，硕士，教授，研究 方 向为现代传动控制系统与智能工程设备。E ma i l l x y b l e s s 1 6 3． c o m。 1 5 0 机 床与液压 第 4 3卷 d d A p P t 怕 p L 3 以上三式 中 Q 。 ． 为流量 ； k 为流量增益 ； 为阀芯的位移 ； k 为流量压力系数 ； P 为油缸压力腔 的压力 ； A 为液压缸有效受压面积 ； 为液压缸活塞位移 ； 为液压缸总压缩容积； C 为总泄漏系数 ； 为有效体积弹性系数 ； 为活塞及负载 的总质量 ； 曰 。 为活塞及负载的黏性阻尼系数 ； k 为负载的弹性刚度； ．为负载力 。 由式 1 、 2 、 3 进行拉 氏变换 ，得 出液压 缸输 出位移对 给定输入位移 的传递 函数为 ， ／ [器 警 卜】㈩ 2自抗扰控制器的设计 自抗扰 控制 器 以误 差反 馈 控制 为 核心 理 念 ，是 P I D控制的衍生控制。传统 P I D控制直接将输出与输 入的差作为控制信号 ，因此产生响应快速性与超调 性的矛 盾 。 自抗扰 控制 器 主要 由三 部 分组 成 跟 踪 微分器 ，扩 展状 态 观测 器 和非线 性状 态误 差 反馈 控 制律 。跟踪微 分器 通 过安 排 过渡 过 程 、给 出合 理 的控制信号 ，解决了响应快速性与超调性之间的矛 盾 。非 线性 误 差反馈 控 制律 决定 整个 系 统 的控制 策 略 。扩张状 态 观测 器用 来解 决 系统模 型 未知 部分 和 外部环境未 知干 扰对 控 制对 象 的综合 影 响。本文 设 计的三阶 自抗 扰控制器原理 图如图 1 所示 。 图 1 三阶自抗扰控制器的原理图 2 ． 1 跟踪微 分 器 的设计 跟踪微分器根据系统的控制要求 ，合理安排给 定输入信号 的过渡过程信号 ． ，特别是对于阶跃 输入 ，能够有效避免系统 产生过 大的超 调 ，同时计算 得出其微分信号和二阶微分信号 ，跟踪微分器的离 散算法为 If k f h a n k 一 R k ， k ， r ， h 。 I 1 k 1 。 k h v k ⋯ I 1 口 k k ’ 1 flk 式 中 k f h a n V k 一 R k ， k ，r ， 。 为最 优控制 函数 ，r 为 速度 因子 ，决 定跟 踪速 度 ，r 越 大 则过渡过程越快 ，h为积分步 长 ，h 为滤波因子 。 2 ． 2扩 张状 态观 测 器的设 置 通过扩 张 状 态观 测 器 得 到系 统 的状 态 变 量 。 、 z 。 、 和总扰动的实时作用量 z ，其离散算法为 lfale， l 【 n i g n ， l e I 6 l e 。 k - y 1 1 1 z l k z 2 k ] 8 0 1 e l 2 1 2 k z ， k ] B f a l e ，0 ． 5 ， 6 。 } |j} 1 k z 4 k o 3 f a l e ，0 ． 2 5 ，6 0 6 。 “ k 【 1 k 0 4 f a l e ， 0 ． 1 2 5 ， 6 0 6 式中 卢 。 。 、 J B 卢 ∞、 卢 、6 。 、b 。 、h 为待整定 的控制 参数 。 2 ． 3 反馈控制律 的设计 反馈控制律产生系统所需要的控制量 ，同时对 总扰动进行 动态 补偿 ，其功 能相 当于用 反馈 线性 化 方法 ，将位 置伺 服 系统 由非 线性 系 统转 化为 积 分器 串联型系统 ，反馈控制律 的离散算法 为 f e _- y k 一 。 k l e ---- y k 一 k { e 3 _-- y 3 k 一 。 3 k l H o 卢 1 1f a l e l ， 。 1 ， 6 1 ／ 3 l2 f a l e 2 ， 。 2 ， 6 1 ／3 l3 f a l e 3 ， n 3 ，6 1 【 “ k t t 0 -- Z k ／ b 0 7 式 中卢 l l 、 卢 l 2 、 卢 6 1 、b 0 、0 l 、a 2 、a 3 为待整 定控 制参数 。 3 仿真研究 根据 以上 分 析 ，自抗 扰 控制 的液 压位 置伺 服 系 第 7期 王宏文 等液压位置伺服系统的 自抗扰控制 1 5 1 亟 鳌 l l 兰兰 竺竺 l Ma t l a b 中 的 自抗扰 控制 器 AME S i m液 压 系统 物理 模 型 图2 自抗扰控制的液压位置伺服系统原理图 3 ． 1 液压 系统模型搭建 应用 A M E S i m建模与仿真软件搭建系统的物理模 型 ，与 Ma t l a b 进行联合仿真 。其模型如图3 所示。 图 3 液压系统模型图 仿真系统的参数如下 流量增益 K q 2 5 0 0 0 c m ／ s ； 流量压力系数 K c 0 ． 0 2 5 8 c m S - 1 ／ N e m～；液压 缸有效受压面积 A 5 3 ． 9 1 c m ；液压缸总压缩容积 4 4 2 ． 0 6 2 c m ；有效 体 积 弹性 系数 ／ 3 e 71 0 N ／ c m ；活塞及 负载的总质量 M． 1 0 0 0 k g等。 根据 需 要设 置 伺 服 阀 固有 频 率 、伺 服 阀死 区 、 液 压缸库 仑力 、液 压缸 黏性 摩 擦 系数 等 参数 ，从 而 充分体现系统的非线性特性。 3 ． 2未加干扰 时的跟踪响应曲线 图 4和图 5分别是采用 自抗扰控 制器和 P I D控 制 器 得到的液压位置伺服 系统 的响应 曲线。 图4 自抗扰控制响应曲线 图 5 P I D控制响应曲线 从图4可看出位移输出与位移给定两条曲线基本 重合 ，跟踪效果 良好 ，而 图 5中的响应 曲线 明显与 给 定位移存在偏差。这说明在无干扰情况下，自抗 扰 控制器比 P I D控制器能较好地满足系统的控制要求。 3 ． 3添加 干扰 时的跟 踪 响应 曲线 在顶锻 阶段 ，t 1 2 S 时 ，加入 一个 6 0 0 k N的干 扰力 ，得到液压位置伺服系统的响应曲线如下图 6和 图 7所示 。 1 8 16 目 1 4 1 2 10 8 l 1． O l2 ． 0 l 3． O t l s ．1 位移给定 曲 线 罢 1 4 1 2 1 0 8蕊 1 1一卜， 8 1 黑 J l 1 j 1 { l 11 l ． ， ． 图6 顶锻阶段 自抗扰控制 图 7 顶锻阶段 P I D控制 响应曲线 响应曲线 从 图 6和图 7的对 比来 看 ，在 t 1 2 S时添加 干 扰力后 ，自抗扰控制系统的误差极小，几乎可 以忽 略，而 P I D控制系统的误差较大，因此在系统受到干 扰后 ，自抗扰控制具有优越的自适应性和鲁棒性。 4结论 1 A M E S i m软件作为一款建模与仿真软件，不 仅能够快速地进行 建模 ，减少工作量 ，而且 能够模拟 真实环境下相关参数 的变化和干扰 ，能够最大程度 的验证控制 系统 的可行性 。 2 传统 P I D控制是 在综合 考虑系统动态响应和 稳态误差 的基础 上得 到 的一 种 折 中方 案。在 闪光 对 焊过程中，由于系统的非线性和不确定性 的干扰存 在 ，传统的 P I D控制已经不能满足生产要求。 3 自抗 扰控 制具 有很 强 的 自适应 性 、鲁 棒 性 和抗干扰性 ，有效 地补偿 了外部的干扰 ，使系统具有 良好的动态性能，大幅度降低了系统的稳态误差，完 全符合剪切 闪光对 焊过程 中对位置伺服系统 的要求 。 参考文献 [ 1 ]陈裕川． 现代焊接生产实用手册[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ]王益群， 宁淑荣 ， 刘建． 热轧立辊电液伺服系统的自适应 模糊控制[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 7 ， 4 3 1 2 卜4 ． [ 3 ]韩京清． 自抗扰控制技术一估计补偿不确定因素的控制 技术 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ]关 景泰． 机 电液控制技术 [ M] ． 上海 同济 大学出版 社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ]王宏文， 吴玲玲 ， 唐永学 ， 等． 液压位置伺服系统的模糊 免疫 自适 应 P I D 控 制 [ J ] ． 机 床 与 液 压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 2 3 8 4 0 ． [ 6 ]韩京清． 从 P I D技术到“自抗扰控制技术” [ J ] ． 控制工 程 ， 2 0 0 2 ， 9 3 1 3 一 l 8 ． [ 7 ]付永领， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真[ M] ． 北京 北 京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 1 - 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