Simulink的液压位置伺服系统仿真.pdf

第 2期 总第 1 8 9期 2 0 1 5年 O 4月 机 械 工 程 与 自 动 化 ME CHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MAT1 0N No ．2 Apr ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 5 0 2 0 0 5 9 0 3 ● 基于 AME S i m／ S i mu l i n k 的液压位置伺服 系统仿真 麦云飞 ，程奇 上海理工大 学 机械 工程 学院，上海 2 0 0 0 9 3 摘要 针对液压位置伺服 系统的不确定 性、非 线性和 常规 P I D控 制器 的缺 点，设计 了单 神经 元 自适 应 P I D 控制器 ，该方法 可以显著减 小液压位置 伺服 系统 中 由于元件参 数变 化等 引起 的超 调和振 荡。利 用 AME S i m 与 MAT L AB软件各 自的优势 ，分别进行 了液压伺服 系统建模和控 制器 设计。联 合仿 真结果表 明，单神经 元 自适应 P I D控制器 比常规 P I D控制器使 系统具 有更 好的 鲁棒性 ，同时使 系统具 有 良好 的环境 适应 性和较 好 的物理性能 。 关键词 位置伺服 ；单神经元 自适应 P I D；AME S i m；S i mu l i n k ；仿 真 中图分类号 T P 2 7 1 ． 3 1 T P 3 9 1 ． 9 文献标识码 A 0 引言 某 HP S疲 劳试 验 台 的 驱 动供 油 单 元 主要 由一 个 伺服直线缸提供动力 ， 该 液压伺服系统 主要包含有提 供动力的电机和液压泵、 保证系统压力的溢流阀、 保证 控制系统具有快速性和稳定性 的高精度 电液伺服阀、 提高液压系统动态稳定性 的高低压蓄能器 ， 以及滤油 器、 压力表和冷却装置等 。在液压伺服系统 中， 位置控 制系统是最常见的， 由于液压位置控制系统具有高响 应、 高精度 、 高可靠性等优点 ， 因此在航空 、 军事、 工业 等各方面都得到广泛的应用。但 由于液压伺服系统是 非线性系统 ， 而且工作环境 和液压元件 的性能都随时 间发生变化 ， 从而导致系统 的参数发生改变。这些非 线性和不确定性使 系统的动态特性变得十分 复杂 ， 因 此很难建立起精确 的数学模型【_ 】 ] 。为使液压伺服系统 在 实 际应 用 中达 到更 好 的 控 制 性 能 ， 所 以越 来 越 多 的 智能控制技术在 电液伺服控制领域 得到 了广泛 的应 用- 2 ] 。其中单神经元 自适 应 P I D控制方法不仅具 有 自学习和 自适应能力强 的特点 ， 而且结构简单 ， 能适应 环境 变化 ， 有 较强 的鲁 棒性 ， 已经成 功地 应用 于 其他 工 业场合解决 了相似的控制问题L 3 ] 。本文采用单神经元 自适应 P I D控制算 法 ， 并 与常规 P I D控 制算法相 对 比， 利用 AME S i m 和 S i mu l i n k的联合仿 真对该疲 劳 试验台的液压位置伺服系统进行仿真分析。 1 单神 经元 自适 应 P I D控 制器 及其 算 法 单神经元 自适应 P I D控制器结构框图如 图 l所 示 。 图 1中， z k 为性能指标， 转换器的输入为 r 志 和 是 ， 其 中 r 志 为系统 的输入量 ， 忌 为系统的输 出量 。转换器的输 出为神经元学 习控制所需要的状态 量 X 、 X。 和 X。 ， 所 以增量 式 P I D可 以写 成 △“ 志 一w 1 志 X1 忌 W 2 惫 X2 志 W 3 X3 是 ． 3 u k 一1 Z Xu k 一u k 一 1 K ∑ x l ． ￡ 1 其 中 u k 一1 为上时刻神经元输 出量 ； , fl u 足 为输 出 量增量 ； K 为神经元 比例系数 ， K0 ； W 忌 为 X 忌 的加权系数 ； w 愚 为 W 忌 的加权平均值_ 4 ] ， 志 一 W 志 i _ 一o ∑ I 走 I 图 1单 神 经 兀 自适 应 PI D控 制器 结构 框 图 对于单神经元 自适应 P I D学习算有 w 1 1 一W l 志 枷 k u k X1 是 ． V z 1 W 2 忌 r B z 忌 X2 志 ． V 3 忌 1 W a 愚 D “ 忌 X3 是． 其中 、 叩 和 叼 。分别为 比例 、 积分 和微分 的学 习速 率 。对积分 P、 比例 I 和微分 D分别采用 了不 同的学 习速率 ， 以便对不 同的权系数分别进行调整。K 值的 选择非常重要 ， 它对系统的快 速跟踪 和抗干扰能力有 较大的影响[ 5 ] 。 K 越 大 ， 则快速性越好 ， 但超 调量 大 ， 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 3 0 ；修订 日期 2 0 1 4 1 2 3 0 作者简介 麦 云飞 1 9 6 2 一 ，男 ，上海人 ，副教授 ，工学硕士 ，主要从事机 电一体化设备及计算机测控系统和液压伺服控制系统 的研发 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 5年 第 2期 甚至可能使 系统不稳定 ； 当被控 对象时延增 大时 ， K 值必须减少 ， 以保证系统稳定 ； K值选择过小 ， 会使 系 统 的快 速性 变差 Ⅲ 6 ] 。 2 系统 建模 及联 合仿 真 结果分 析 本 文利 用 AME S i m 对 S i mu l i n k的 接 口技 术 ， 把 两个 优秀 的专业 仿真工 具联合起来 使用 ， 能 既发挥 AME S i m 突 出 的 复杂 系统 的建 模 能 力 ， 又 能 借 助 MATL AB ／ S i mu l i n k强大的数值处理能力 ， 从而取得 更 加完美 的仿真 效果 [ 7 ] 。 2 ． 1 联合 仿真 系统 设计 在 AME S i m 环境 中建 立 系统 模 型 ， 如 图 2所 示 。 AME S i m 系统模 型 中各元 件 的参 数 设 置 如表 1所 示 。 首先利用 AME S i m 的 I n t e r f a c e模块将液压伺服系统 以非线 性被 控对 象 的形式输 入 到 MAT L AB ／ S i mu l i n k 中， 并 以 S函数形式表示 ， S函数 的调用语法 可 以与 AME S i m中的求解器进行交互L g ] 。再将 S i mu l i n k中 的控制算法模型连接到 AME S i m 中的 C o n t r o l l e r内， 修改文件名和设置系统参数 ， 这样通过 MATL A B中 的 S函数 实 现 了 AME S i m 和 MATL AB的无 缝衔 接 。 单 神经 元 自适 应 P I D 控 制 算 法 通 过 S函 数 和 S i mu l i n k结合的方式实现 ， 并作为一个子模块参与联合 仿真系统的构建。MATL AB中单神经元 自适应 P I D 控 制 的仿 真模型如 图 3 所 示 ， 常规 P I D控 制的仿 真模型 如图 4所示 。 图 2 AME S i m液压位置伺 服系统模型 表 1 AME S i m 系统中各元件的参数设置 系统参数 数值 系统参数 数值 电动机转速 r ／ rai n 1 4 5 O 液压缸活塞直径 mm 5 0 液压泵排量 mE ／ r 6 O 液压缸活塞杆直径 mm 3 5 蓄能器充气压力 P a 8 l O 液压缸活塞杆行程 m 1 蓄能器公称容积 L 1 0 位移传感器增益 1 0 伺服阀压降 P a 3 1 0 5 外负载力 N 2 0 0 0 伺服阀固有 频率 Hz 8 0 流体指数 0 ． 6 伺 服阀阻尼比 0 ． 6 液压油密度 k g ／ m。 “8 5 0 液压缸泄漏 系数 液压缸 活塞 质量 k g 6 0 0 ．1 L Pa ／ mi n 溢 流 阀 溢 流 流 量 梯 度 『 溢 流 阀 安 全 压 力 P a 1 1 O r 3 1 0 6 L P a ／ rai n 2 ． 2联合 仿 真 结果分 析 在图 3 、 图 4中选取单位 阶跃信号作 为系统 的设 定输入， 阶跃信号 的阶跃时 间设定 为 1 S 。AME S i m 的采样时间设定 为 0 ． 0 1 S 。单 神经元 自适应 P I D控 制器中比例 、 积分 和微 分 的学 习速率 分别设 置为 6 、 0 ． 3和 0 ． 8 。常规 P I D控制 的 比例、 积分 和微分系数 分别设置为 4 5 、 3 O和 0 ． 5 。该系统分别经过单神经元 自适应 P I D控制和常规 P I D控制之后 ， 系统的阶跃响 应 曲线分 别如 图 5和 图 6所 示 。在 AME S i m 中可 以 得到液压缸两腔的压力特性曲线 ， 如图 7 、 图 8 、 图 9和 图 1 O所示 。 S c o pe 图 3单神经元 自适应 P I D控制仿真模 型 S c o p e 图 4常规 P I D控制仿真模型 由图 5和 图 6可 见 采 用单 神 经 元 自适 应 P I D控 制 时 ， 系统 响应 的超 调 量 几 乎 为零 ， 响 应 速度 很 快 ； 而 采 用 常规 P I D控 制 时 ， 系统 响应 的超 调 量 约 为 1 O ， 而且响应速度较慢 ； 所以采用单神经元 自适应 P I D控 制时液压伺服 系统能够更快 速地响应系统 的输 入信 号 。通过 比较 图 7与 图 8 、 图 9与 图 1 0可 知 ， 采 用 单 神经 元 自适 应 P I D控 制 时 液 压 缸 两 腔 压 力 变 化 的响 应速度更快 ， 而且两 腔的压力值突变范 围分别约为 2 MP a和 4 MP a ， 而采用常规 P I D控制时压力变化的响 应 速度较 慢 ， 两腔 的压 力值 突 变范 围 分别 约 为 3 MP a 和 6 MP a 。而 压力值 突变 的现 象会 引起 噪声 和 振 动 ， 使整个液压系统不能平稳地工作， 压力的突然升 高或 者降低 ， 还可能会产生超压或气蚀现象 ， 因此采用单神 经 元 自适 应 P I D 控 制 比常 规 P I D 控制 具 有 更 好 的适 应 性 和控制 效果 。 3 结 论 本文利用两种建模仿真软件 AME S i m／ S i mu l i n k 联合仿真分析了某疲劳试验 台的液压位置伺 服系统， 并对 比研究 了采用单神经元 自适应 P I D控制 器和常 规 P I D 控 制 器 的 控 制 效 果 。 通 过 分 析 可 以 得 到 AME S i m／ S i mu l i n k联合仿真具有建模速度快 、 仿真计 算速度快 、 算法设计灵活 、 仿真准确度较高等优点 ， 适 用于复杂机电液系统的仿 真分析及优化设计 ； 单神经 元 自适应 P I D控制器较传统 的 P I D控制器具有 响应 快 、 准确性 好 、 超调 量小 、 环境 适应 性 强等优 点 ， 而且 能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 2期 机 械 工 程 与自 动 化 够 减 小液压 缸 两腔 压 力 的 突 变 ， 这 样 能 够 保 证 液压 伺 服 系统 的运 行性 能 可靠 。 、- ， | ／ ／ ／ f t ／ s 图 5单 神 经 元 自适 应 P I D 控 制 阶跃 响 应 图 6 5 ∞4 臭3 2 1 f { ／ O 、- ， ， ， t ／ s 图 6常规 P I D控制阶跃响应 图 』 j - _ j O 4 日 3 z 1 l f O 2 4 6 8 1 0 t ／ s 图 7 单神经元 自适应 P I D控 制 液压 缸无杆腔压力 P ／ ／ ／ f ／ ／ 0 2 4 6 8 1 0 0 2 4 6 8 1 0 0 2 4 6 8 1 0 t ／ s t l s t l s 图 8 常规 P I D控 制液压缸无杆 圈 9 单神 经元 自适应 P I D控制 图 l O常规 P I D控 制液压缸有杆 腔压力 P 液压缸有杆腔压 力 P 腔压力 P z 参考文献 I E E E T r a n s a c t i o n s o n Ne u r a l Ne t w o r k ， 1 9 9 8 ， 1 9 1 3 3 3 ． [ 1 ] 吴振顺． 液压控制系统[ M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 8 ． E 6 ] 刘金琨． 先进 P I D控制 MAT／ AB仿真[ M] ． 北京 电子工 [ 2 ] 邢宗义 ， 张嫒． 电液伺服系统 的建 模方 法研究 与应用 [ J ] ． 业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 系统仿 真学报 ， 2 0 0 9 3 1 7 1 9 1 7 2 5 ． [ 7 ] 王纪森 ， 胡峰 波． 基 于 AME S i m 电液 力伺 服 系统 动态 仿 [ 3 ] 朱玉斌 ， 樊思齐 ， 张秀华 ， 等． 基于 自调整神 经元 的航 空发 真研究[ J ] ． 液压气动 与密封 ， 2 0 1 l 1 2 l l 一 1 3 ． 动机 多变量 自适应解耦控制 E J ] ． 航空 动力学 报 ， 2 0 0 7 ， 2 2 [ 8 ] 田凡 ， 靳 宝全 ， 程珩 ． 基于 联合 仿真 的 电液 系统模 糊 P I D 3 4 9 0 4 9 4 ． 控制研究[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 0 6 2 7 3 1 ． [ 4 ] 丁军 ， 徐用懋 ． 单神经元 自适应 P I D控 制器及其 应用[ J ] ． [ 9 ] 王 纪森 ， 胡峰波． 电液位置伺服 系统 的模 糊 自整 定 P I D控 控制工程 ， 2 0 0 4 ， 1 1 1 2 7 3 0 ． 制研 究[ J ] ． 机 电一体化 ， 2 0 1 1 1 0 3 2 3 5 ． E s ] J o s e R， N o r i e g a H w． A d i r e c t a d a p t i v e n e u r a 1 - n e t w o r k c o n - [ 1 O ]薛 定宇． 反馈控制 系统设计 与分 析～～MATL AB语言应 t r o l f o r u n k n o wn n o n l i n e a r s y s t e rns a n d I t s a p p l i c a t i o n r J ] ． 用 [ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 0 ． Hy d r a u l i c P o s i t i o n S e r v o S y s t e m S i mu l a t i o n B a s e d 0 n AME S i m／ S i mu l i n k MAI Yir a - f e i ，CHENG Qi S c ho o l o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i ng，U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y．S h a n g ha i 2 0 0 0 9 3．Chi n a Ab s t r a c t To t h e p r o b l e m s o f u n c e r t a i n t y a n d n o n l i n e a r i t y i n h y d r a u l i c p o s i t i o n s e r v o s y s t e m a n d t h e s h o r t c o mi n g s o f c o n v e n t i o n a l PI D c o n t r o l l e r ，a s i n g l e n e u r o n a d a p t i v e PI D c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d．wh i c h c a n d e c r e a s e t h e o v e r s h o o t a n d o s c i l l a t i o n c o mi n g f r o m t h e c o mp o n e n t s p a r a me t e r s ’ c h a n g e s i n t h e h y d r a u l i c p o s i t i o n s e r v o s y s t e m． B a s e d o n t h e a d v a n t a g e s o f AM ES i m a n d M ATI AB r e s p e c t i v e l y，t he mo de l of t h e hyd r a ul i c s e r vo s ys t e m i s s e t up a n d t h e c ont r ol l e r i s de s i gne d ． Th e i oi n t s i mul a t i o n r e s u l t s s ho w t ha t t he s i ngl e ne ur o n a da p t i v e PI D c ont r o l l e r ma ke s t h e s ys t e m be i ng mor e r o bus t t h a n c onv e nt i on a l PI D c on t r o l l e r．me a nwh i l e．t h e s ys t e m ha s b e t t e r a da p t a bi l i t y a nd p hy s i c a l pr op e r t i e s ． Ke y wo r d s p o s i t i o n s e r v o ；s i n g l e n e u r o n a d a p t i v e P I D；AM ES i m ；S i mu l i n ks i m u l a t i o n 上接 第 5 8页 ●c ● ● ～ 。 。 一， 一 一 一 ⋯，⋯ ●、● ● 、● - 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