含二级液压缸举升系统的改进PID控制算法研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 O 2期 含二级液压缸举升系统的改进 P l D控制算法研究 任建华 ， 谢 建 ， 张 磊 第二炮兵工程大学 ， 陕西 西安7 1 0 0 2 5 摘 要 利用 S i m u l i n k软件 ， 建立了含二级液压缸的举升系统模型 。并对常规的 P I D控制算法作 了相应改进 ， 将改进的 P I D控制器作为 系统 的控制环节 ， 对角度信号进行跟踪控制的仿 真研究。 结果表明， 改进 的 P I D控制方法明显减小了跟踪误差， 提高了系统的控制精度。 关键 词 S i mu l i n k ； 二级液压缸 ； P I D； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 ； T P 3 9 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 2 0 0 5 0 0 3 Re s e a r c h o f I mp r o v e d PI D Co n t r o l Al g o rit h m f o r Dr i v e n L i f t S y s t e m wi t h Two S t a g e Hy d r a u hc Cy h n d e r RE N．1 i o n h u a ， XI E 觎 ， Z HANG L e i T h e S e c o n d Ar t i l l e r y En g i n e e r i n g Un i v e r s i t y， Xi ’ a n 7 1 0 0 2 5， C h i n a Ab s t r a c t T h e d ri v e n l i ft s y s t e m wi t h t w o s t a g e h y d r a u l i c c y l i n d e r i s p r o p o s e d u s i n g S i mu l i n k mo d u l e s ． I mp r o v e me n t h a s d o n e t o c o n v e n t i o n a l P I D， a n d t h e i mp r o v e d P I D c o n t r o l l e r h a s d e s i g n e d a s t h e c o n t r o l l i n k o f t h e s y s t e m， s t u d y i n g o f t r a c k i n g u n d e r t h e c o n t r o l o f a n g l e s i g n a l h a s b e e n c a r r i e d o u t ． R e s u l t s s h o w t h a t I mp r o v e d P I D c o n t r o l a l g o r i t h m r e d u c e e nl0 I -s o b v i o u s l y ． a n d e n ha n c e t h e c o n t r o l a c c u r a c y． Ke y wo r S i mu l i n k； t wo s t a g e h y d r a u l i c c y l i n d e r ； P I D； s i mu l a t i o n O 引言 举升系统是集机 电液一体化 的复杂系统 ，而机 电 液一体化 的系统在工程领域 中有着广泛的应用 。机 电 液一体化的模型常采用多软件协作 的方法建立仿真模 型并对模型进行仿真【” 。但多软件的协同仿真通常比较 耗时 ， 其设置也 比较复杂 ， 给仿真工作带来诸多不便 。 目前 利用 S i mH y d r a u l i c s软件和 S i m Me c h a n i c s软件对 液压系统和机械系统 的建模研究比较深入[ 2 - 3 1 。结合上 述两种软件 。将构建的液压模型与机 械模型结合 ， 在 S i mu l i n k的仿真环境下建立机 电液一体化的仿真模型 ， 将提高仿真的工作效率。 举 升 过程 中 由于 重力 、 液 压 缸换 级碰 撞 的发 生 ， 举 升系统的负载力会发生大范围的变化 ，同时随着液压 缸的伸出， 模型的参数也会发生较大的变化 ， 再加上液 压系统本身的慢时变 、 非线性特性 ， 因此举升系统是一 个典型的非线性 、 大扰动 、 参数大时变 的不确定 系统 ， 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 2 3 作者简介 任建华 1 9 8 7 ～ ， 男 ， 四川乐 山人 ， 硕 士研究生 ， 研究方 向为机 电控制。 5 0 采用常规的 P I D控制方法难 以取得满意的控制效果 。 本文在传统的 P I D控制方法的基础上 ，对积分环节以 及微分环节作了相应 的改进 ，结合具体的系统进行 了 仿真分析 ， 结果表明改进的 P I D算法的优越性 。 1 举升系统 的工作原理及 S i mu l i n k建模 1 ． 1 含二 级液压 缸 的举 升 系统的 工作原 理 含二级液压缸举升系统的典型结构如图 1所示 。 该 系统主要 由二级液压缸 包括 缸体 、 一级缸筒 以及 二级缸筒 、 负载 、 电液 比例换向阀、 双向平衡阀以及油 源系统组成。负载与固定装置铰接 ， 多级液压缸的上支 耳与负载铰接 ， 下支耳与固定装置铰接 ， 多级液压缸伸 出时驱动负载绕着定轴转动 。从而将其举升到一定的 角度。双向平衡阀用来平衡负载， 即保证负载重心过回 转轴后 ， 多级液压缸的反腔具有一定的压力 ， 以保证负 载 的安全 。 由图 1 可知 通过角度传感器采集 到的角度信号 与设定的角度信号 的差值作 为控制器 的输入 ， 经过控 制算法运算后作用于电液 比例换 向阀， 控制二级液压 缸 向外伸出， 从而推动了负载按照一定的要求绕定轴 转 动 。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 0 2 ． 2 01 3 微分时间常数。 在实际的控制过程 中，计算机无法连续输 出控制 量 ， 只能通过采样偏差 的方法计算 控制量 ， 式 2 必须 进行离散化处理 ， 离散化处理可得 图1 含二级液压缸举升系统的结构简图 式中 1 ． 2 含二级液压缸举升系统的 Si mu l i n k建模 根据举 升 系统 的结 构原理 图 ，利 用 S i m u l i n k的 S i mH y d r a u l i c s和 S i mMe c h a n i c s 软件 。分别建立了二级 液压缸 的模型和机械系统模 型 ， 通过机 械 、 液压 、 控制 模型间参数的关联关系 。建立了含二级液压缸的举升 系统模 型如 图 2所示。其 中油源系统 5主要包括定量 泵 、 安全溢流阀及油箱 ， 利用系统的转动微分方程[4 ] 得 到作用于活塞杆的力 6 ， 根据文献[ 5 ] 可以构建系统的双 向平衡阀 7 ， 传感器 8用于采集系统举升角度 、 角速度 、 角加速度 。机械系统 9包括二级液压缸 的机械模型和 负载的机械模型 ， 与文献【 7 ] 不 同的是 ， 机械系统采用二 级液压缸的位移 、 速度及加速度作为输入信号。 图 2含二级液压缸举升 系统的 S i mu l i n k模型 2 常规的 P I D控制算法简介 常规的 P I D控制由于简单实用 、 鲁棒性强 、 可靠性 高而广泛地运用于工业 。图 3给出了常规 P I D控制系 统的原理图。 广 一 一 一 一 一 一 一 一 一 1 图 3常 规 PI D 控 制 算 法原 理 图 其中偏差量 e r f 一 y t 控制规律为 K p ] 式中 一比例系数 积分时间常数； “ u e ， e [ e ㈣] 3 K i 比例系数 ； 积分时间常数 K o r d ／ T ； 卜微分时间常数。 从式 3 可以看 出采样周期 丁越小 ， 离散控制过程 就越接近连续控制过程 ， 本文选取 T -- 0 ． 0 1 s 。从式 3 还 可以看出常规的 P I D是将 比例环节 、积分环节和微分 环节的线性组合构成的控制量 ， 对被控对象进行控制 ， 因此其 自适应性能力较差。 3 改进 的 P I D控制器 在常规的 P I D控制器 中，由于积分环节每次都会 对过去的误差进行 累加 ， 易导致积分饱和， 使执行机构 位置发生变化 ， 工业控制过程 中可能出现重大事故 微 分环节对高频干扰极其敏感 ，这就降低了系统对干扰 的抑制能力。因此本文在常规的 P I D控制器基础上做 如下改进。 1 积分环节的改进 。举升过程的对象变化带有 纯滞后环节 ， 取大了会产生超调 ， 严重时出现积分饱 和 ， 取小了又不能消除静差。考虑采用变速积分来满足 系统对积分环节的要求 偏差大时积分作用减弱甚至 全无 ， 偏差小时则加强 。为此 ， 引人一个与偏差 e 有 关 的函数．厂 e ， ， 使积分环节变为 e ， K i e U 4 j0 式 中． 厂 e 为 e 『 I e q l ≥A B B 1 e 『 I A B 5 I e ， l ≤B 多数情况下 ， 变速积分可以消除积分饱和的现象 ， 改善系统的调节品质 ，但对大范围突变产生的积分饱 和依然不能很好地消除。因此对变速积分作如下改进 ，l、 将 P I D调节器的输 出限定在一定 的范 围内 即 如 果超出上限， 则只累加负偏差 ， 反之则累加正偏差 。 ⋯ 2 微分环节的改进咧 。从频域分析的角度来讲 ， 微 分环节的作用相 当于引入了一个高通滤波器 ，有可能 在输 出过程中引入较强高频噪声 ，这在实际的控制 中 是不希望 的。为此 ， 我们在微分环节加一个惯性环节 51 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 2期 K， S I K ， S ， 这就有了低通滤波的作用 ， 从而克服 了 系统对高频干扰敏感的问题 。离散化后可得改进 的微 分环节为 K K。 【 e ， 一 e U 一 1 ] ／ I K 6 4 系统的仿真分析 系统的主要参数设计如下 泵的排量为 1 ． 2 x 1 0 m 3 ／ r a d ， 电机转速为 1 5 0 r a d ／ s ， 一级缸筒 的行程为 0 ． 6 0 4 m， 换级角度为 3 O 。 ， 二级缸筒行程为 0 ． 8 9 6 m。 末态举升角 度为 9 0 。 ． 一级缸筒无杆腔与有杆腔的有效作用面积为 0 ． 0 1 4 m 和 0 ． 0 0 3 m ．二级缸筒无杆腔与有杆腔的有效 作用面积为 0 ． 0 1 8 m 和 0 ． 0 1 3 m ，电液 比例换向阀的最 大流量为 1 0 0 L ／ m i n ， 理想 的角度曲线采用文献[ 9 ] 中的 五次插值 曲线并对其作相应的改进 将其在启动 、 换 级 、 停止时的角速度与角加速度设定为 0 。 对于常规的 P I D控制器 ，仅需在 S i mu l i n k仿真模 型建立简单的 P I D模块即可 ， 其 内部结构如 图 4 a 所 示 。改进的 P I D控制器的内部结构如图 4 b 所示 ， S函 数为将要在 S i m u l i n k模块 中用到的控制算法在 Ma t l a b 中提供 了一个模板程序 。这样就不必耗时去编写全部 程序 ．只要在必要的子程序中编写程序并输入参数即 可实现非常复杂的功能 ， 编写好程序并设定文件名后 ， 在 S i m u l i n k仿真模型中的 S函数模块 中输入该文件名 并调 用 即可 。 比例 一 a 常规 P I D控制器 b 改进的 P I D控制器 图 4常规 P l D和改进 P l D控制器的内部结构 按照上述方法 ，分别采用常规 P I D和改进 P I D作 为控制器对系统仿真 4 0 ． 2 4 s ， 结果如图 5所示 。 从图 5 b 和 d 中可以看 出改进 的 P I D控制器减 小了系统 的角度跟踪误差和位移误差 改进 的 P I D控 制器的角度误差在 O ． 5 。 以内，位移误差控制在 8 mm以 内 ．而常规 的 P I D控制器 的角度误差 和位 移误差 为 0 ． 6 。 以内和 1 0 m m以内。从 图 5 f 和 h 可以看 出常规 P I D控制过程中换级前后的速度误差在 4 m m ／ s以内 极 个别处超 出 4 mm ／ s ，其换级处速度误差在 1 5 mm ／ s以 内 ，而改进的 P I D控制过程中换级前后的速度误差在 3 mm ／ s ． 换级处速度误差 在 6 m m ／ s 以内 ， 显示了其 良好 的跟踪控制效果。 5 结论 本文根据含二级液压缸 的举升系统的工作原理 ， 2 1 避 1 言 0 一 0 0 - 0 g 时间 s a 举升角度曲线 时间 s c 液压缸外伸位移 曲线 时间 s e 液压缸外伸速度曲线 时间 s g 液压缸外伸速度曲线 账 眶 g 0 O O 角度鼍 P I D j I1lj 时间 ／ s h 改进 P I D速度误差 曲线 P I D P r D P l D P I D 图 5仿真 结 果 建立其 S i m u l i n k模型 ，该模型为含多级液压缸 的举升 系统的仿真与优化研究提供了方法 并在常规 P I D算 法的基础上作 了相应的改进 ， 仿真结果表明改进的 P I D 控制效果显著 。 显示 了良好的鲁棒性。 参 考 文 献 【 1 ] 马长林 ， 黄先祥 ， 李锋， 等． 基于软件协作 的多级液压 缸起竖 系统 建模 与仿 真研究 [ J ] ． 系统 仿真 学报 ， 2 0 0 6 ， 1 8 增 刊 2 ． [ 2 】 洪 刚 ， 吴 百海 ， 田烈余 ． 基于 MA T L A B ／ S i mH y d r a u l i c s的型材 冷弯 回路仿真分析【 J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 1 ， 4 3 0 3 3 ． f 3 1 付亚超 ， 张树忠 ， 邓斌． 基于 S i mMe c h a n i c s 的挖掘机模型仿 真 分析I J I ． 机械工程与 自动化 ， 2 0 1 0 ， 2 2 0 2 2 ． f 4 1 任德新 ， 孟令辉 ， 赵宏伟． 起竖机构 的研究及仿真I J 】 ． 机床 与液 压 ， 2 0 0 8， 3 6 6 1 3 2 1 3 4 ． f 5 1 马长林 ， 黄先祥 ， 郝琳 ， 等． 基 于 S i mu l i n k的液压起升机构仿 真研 究I J J ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 7 ， 1 9 4 7 6 2 7 6 4 ． 『 6 1 任俊如． 改进的预测 P I D控制器的研究 与设计【 D ] ． 武汉 武汉 科技大学 ， 2 0 1 1 ． 『 7 1 李江勇 ， 张杰 ， 施爱 平 ， 等． 变速积分 P I D在 B L D C M 控制 系 统中的应用『 J 1 ． 电力电子技术 ， 2 0 1 2 ， 4 6 3 7 1 7 5 ． 『 8 ] 张卓 ， 贾晨 辉． 基于人工智能 与改进 P I D的纠偏算法 的研 究 『 J 1 ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 5 5 6 5 8 ． 『 9 】 唐卫华 ， 王三 民， 袁茹． 发 射装 置起竖动力学分析及驱动方式 优选[ J ] ． 弹箭与制导学报 ， 2 0 0 7 ， 2 7 2 3 2 5 3 2 7 ． 【 l 0 】 蒋 丰年， 段京云， 朱晓毅． 新型能量 回收式 液压举 升系统f J ] ． 液 压气动与密封 ， 2 0 0 5 ， 1 ．