基于变参数模糊控制器的液压舵机伺服系统动态仿真.pdf

第 4期 2 0 1 3年 4月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o du l a r M ac hi n e Too l Aut o m a t i c M a nuf a c t ur i ng Te c h ni qu e NO ． 4 Ap r ．20 1 3 文章 编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 0 4 0 0 9 3 0 3 基于变参数模糊控制器的液压舵机伺服系统动态仿真 薛俊杰 ， 曹克强 1 ． 空军 工程 大 学 装备 管 理 与安 全 工程 学 院 ， 西 安 7 1 0 0 5 1 ； 2 ． 空 军工 程 大 学 航 空航 天 工程 学院 ， 西 安7 1 0 0 3 8 摘要 针对飞机舵机在 实际使 用过程 中的非线性 问题， 采用变参数模 糊控制器来控制液压舵机伺服 系统。首先 ， 建立了液压舵机伺服 系统的数 学模型 ； 其次， 设计 了一种变参数模 糊控 制器， 通过 s函 数 实时 改 变模 糊控 制 器的 比例 因子 和 量化 因子 ， 从 而 改善 系统 的控 制 品 质 ； 最后 ， 将 P控 制 、 P I D控 制和 变参数模糊控制的系统模型同时进行仿真试验。仿真结果表 明， 变参数模糊控制与 P I D控制、 P 控制相 比， 使 系统的调节时间缩短为 P控制的 1 ／ 7 ， 受到单位阶跃干扰后再次稳定的时间也大大缩 短 ， 使 系统 具有 更好 的快速 性和 抗 干扰 能力 ， 为解 决 实 际中的不 确定使 用 因素提 供 一定借 鉴 。 关键 词 液 压舵机 ； 变参数 模糊控 制 器 ； 系统仿 真 中图分 类号 T P 2 7 3 ； T H1 3 7 文献标 识 码 A Dy na m i c Si m u l at i o n f o r Hy dr a u l i c Ac t u a t o r S e r v o Sy s t e m ba s e d o n S- Fun c t i o n Fuz z y c o nt r o l l e r XUE J u n j i e ，C AO Ke q i a n g 1 ． E q u i p m e n t Ma n a g e m e n t a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，A i r F o r c e E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ，X i ’ a n 7 1 0 0 5 1，Ch i n a；2． Ae r o n a u t i c s a n d As t r o n a u t i c s En g i n e e r i n g I n s t i t u t e，Ai r F o r c e Eng i n e e r i n g Un i v e r s i t y， X i ’ a n 7 1 0 0 3 8 C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e p r o bl e m o f t h e n o n l i ne a r f a c t o r s i n wo r k i n g e n v i r o nme nt s。a mod e l o f S Fu n c t i o n f u z z y c on t r o l l e r i S d e s i g n e d t o c o n t r o l h y d r a ul i c a c t u a t o r s e r v o s ys t e m．Fi r s t ．t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r t h e c o n t r o l h yd r a u l i c a c t ua t o r s e r v o s ys t e m i S e s t a b l i s h e d． S e c o n d，A S． Fu n c t i o n f u z z y c o n t r o l l e r t h a t c a n c h a n g e p r o p o r t i o na l i t y f a c t o r s a n d qu a n t i t a t i v e f a c t o r s i s d e s i g n e d t o i mp r o ve c o n t r o l q u a l i t y．At l a s t ， P c o n t r o l 。PI D． c o n t r o l a n d S ． F un c t i o n c o nt r o l s i mu l a t i o n s o n c o mp u t e r a r e p r o c e s s e d．The s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e s t ha t t h e a c c ommod a t i v e t i me o f S F u n c t i o n c o nt r o l b e c o me 1 ／7 o f P． c o n t r o l g a n d t h e t i me o f a c c ommod a t i v e n e s s a fte r be i n g g o t d i s t u r ba n c e be c o me l e s s t oo．The S ． Fu n c t i o n f u z z y c o n tro l l e r h a s t h e b e t t e r c a p a b i l i t y t ha n P I D c o n tro l a n d P c o n t r o l i n s p e e d i n e s s a n d a n t i d i s t u r ba nc e ．The p a p e r c a n o f - f e r s o me h e l p t o s o l v e un c l e a r f a c t o r s i n wo r ki n g e n vi r o n me nt s ． Ke y wo r d shy d r a u l i c a c t u a t o r；S Fu n c t i on f u z z y c o n tro l l e r s i mu l a t i o n o f s y s t e m 0 引 言 舵机是现代飞机操纵 系统 的关键 部分 ， 其 功用 是按照放大器 输送 的信号通 过作 动筒控 制飞机 舵 面 。舵 机伺 服 系统大 量 的 非线 性 因素 导致 建 立 其 精确模型十分困难。模糊控制通过处理模糊信息对 复杂对象实施 良好 的控制 ， 并不依赖于控制对象 的 数 学模 型 ， 具 有 良好 的 鲁 棒 性 和稳 定 性 剖。 同 时 ， 普 通模糊 控 制 不 具 有 积 分 环 节 ， 控 制 过 程 中 出 现稳 态误差 ， 控制精度并不高。周伟等通过设计模糊 P I D 控 制器对 某 型 液 压 舵 机 进 行 了 动态 特 性 分 析 ， 本 文针 对舵 机 伺 服 系 统 对 控 制 器 的要 求 ， 设 计 了一 种 变参 数模 糊 控 制 器 ， 通 过 S函数 实 时 改 变 模 糊 控 制 器 的 比例 因子 和 量 化 因 子 ， 并 进 行 了计 算 机 仿 真 试 验研 究 。 1 液压舵机伺服系统数学模型和方块图的建立 通过简化某 型飞机液压舵机伺 服系统 ， 认为该 系统 是 由两级 伺 服放 大 器 、 小 舵机 反 馈 传感 器 、 液 压 作 动筒 、 小舵 机 包 括 电 液伺 服 阀 、 小 舵 机作 动 筒 、 小舵机反馈传感器解调器、 液压作动筒反馈传感器、 液压作动筒反馈传感器解调器组成的两级闭环控制 系 统 。根据 系 统 基 本 组 成 ， 可 以 得 到 该 液 压 舵 机 伺 服系统结构方块图如图 1 所示的 j 。 为外 回路伺服放大器增益 ， K 为内回路伺服 放大器增益 ， ， 为电液伺 服阀， 为舵机作动筒 ， 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 5 作者简介 薛俊杰 1 9 8 8 -- ， 男 ， 陕西周 至人 ， 空军工程大学工程 学院硕 士研究生 ， 研 究方 向为流体传 动与控制 ， Ema t i p 。 。 t - e u p i c ． x u e 1 6 3 ． c o rn o 9 4 组 合机床 与 自动化加 工技 术 第 4期 为综 合摇臂 ， K ， 为 平 板 阀 开度 梯 度 ， 为平 板 阀 流量增益 ， 扎为大作动筒， 。 为内回路反馈传感器 解调放 大器 ， K 0 。为校正传感器 对 内回路 的影 响 系 数 ， 为内回路反馈传感器输出梯度 ， 。 为大作动 筒反馈传感器解调放大器 ， K 为大作动筒反馈传感 器 输 出梯 度 。 图 1 液 压 舵 机 伺 服 系 统 的 结构 方块 图 1 电液伺服阀传递函数⋯ 对于 液压 舵机 来 说 ， 其 工 作 频率 一 般 都 是 2 0 H z 以下 的低频 段 ， 可 以 用 惯 性 环 节 来 表 示 伺 服 阀 的 动 态 响应 。 查 找 有关 技术 手 册 得 到 电 液 伺 服 阀 的 流 量 增益 K 2 3 3 3 m m ／ S ／ mA， 电液 伺服 阀的 时间常数 T 0 ． 0 0 2 4 5 5 ， 由此得到电液伺服阀的传递 函数 s 2 2 作 动筒传 递 函数 查 找有 关技术 手册 知舵机 活塞 的有效 面 积 A 9 7 ． 3 4 ram ， 作动筒活塞有效 面积 A ，3 5 7 0 m m ， 舵 机 活塞 的 总质量 m 2 ． 5 2 k g ， 总 的泄 漏 系数 K 0 ． 6 。 由上 可得 到小舵 机作 动筒 的传 递 函数 r s 4 液压 作动 筒 的传 递 函数 可 而 2 变参数模糊控 制器的设计 2 ． 1 变参数 模糊 控 制器 的结构 为 了有效 的反 映受 控 过程 中输 出量 的动 态特 性 并消除可能产生 的静态误差 ， 模糊控制器 的输入变 量分别选取受控变量值和输入给定值的偏差 e 和偏 差变化率 e c ， 模糊控制器 的输 出变量选取舵机伺服 阀系统 的 电流 。 在 常规 模 糊 控 制 器运 行 过 程 中 ， 比例 因子 和 量 化 因子 的模糊 控制 表 往往 由输 入 输 出变 量及 其论 域 和模 糊变 量 的赋 值 表决 定 ， 一 经确 定 ， 模 糊控 制器 的 控制规则就 固定 了， 对于不 同的被控对象 ， 往往不能 得 到预期 的控 制 效 果 。 变 参 数 模 糊 控 制 器 能 有 效 解 决这些控制问题 。 在模糊控制器运行过程 中， 如果可 以实时改变模糊控制 的比例 因子和量化 因子 ， 则可 提高模糊控制 系统 的快速性 和稳定性。 基 于这样 的 思想 ， 可 以建立变参数模糊控制系统 ， 通过 s函数实 时改变模糊控 制器 的比例因子和量 化因子， 从 而改 善 系统 的控 制 品质 。 变参数 模糊 控制 器原理 图如 图 2所 示 。 2 ． 2 隶 属度 函数 的确定 变参数模糊控制器 的输 入量 为误差 e和误差变 化率 e c ， 预期的控制关键就是满足快速性要求 ， 将系 统误差e 和误差变化率e c 及舵机伺服阀系统的电流u 的变化 范 围分别定 义为 e { 一1 2 ，一8 ，一4 ， 0 ， 4 ， 8 ， 1 2} e c { 一4 ，一2 6 6 6 7， 一， 1 ． 3 3 3 3 ， 0 ， 1 ． 3 3 3 3 ， 2 ． 6 6 6 7 ， 4 图2 变参数模糊 控制器 结构方框 图 模糊子集 为 { N B， N M， N S ， Z O， P S ， P ， JP 曰} ， 分 别代 表负 大 ， 负 中 ， 负 小 ， 零 ， 正小 ， 正 中 ， 正 大 。 其 隶 属度 函数图分别如图 3 、 图 4 、 图5所示。 图 3 模糊控制器的输入变量误差 隶属 函数图 图 4 模糊控 制器 的输入变量误差变化率 P f隶属函数图 图 5 模 糊 控 制 器 的 输 出变 量 l l 隶 属 函数 图 2 ． 3 模糊 规则 的建 立 模 糊控 制 器 中模 糊规 则 的建 立 ， 首先 依 据专 家 经验知识建立的知识 库来 判断 ， 决策出输 出量 与误 差 e 和误 差变 化率 e c 之间 的模糊关 系 。 再通过 对运 行 中e 和 e c 的不断检测 ， 根据确定的模糊控制规则来对 两个参数进行在线 自适应调整 ， 以满足不同 e 和 e c 时 对两个参数的不 同要求 ， 而使被控对象具有 良好 的 2 0 1 3年 4月 薛俊杰 ， 等 基于变参数模糊控制器的液压舵机伺服系统动态仿真 9 5 动静 态性 能 。 由变参数模 糊控制参数整 定原则， 以及工程技 术人 员 对 技术 知 识 和实 际操 作 经验 的 总结 提 出 以下 控制 规则 。 模糊 控制 器 的输 出变量 的控制 规 则 如表 1 所示 。 表 1 模糊控制器的控制规则表 NB NM Ns Z0 Ps pM PB NB NB NB NB NB NB NB NB NM NB v 口 ， v B NM NM Ns ⅣS Ns NM NM NM NS Ns ZD ZD D NM NM Ns z0 PS P5 PM Ps Ns Ns ZD Ps Ps PS PM pM ZO ZD PS PM PM PB PB PB P曰 PB P B P 曰 PB PB P日 2 ． 4 解模糊 化 模糊推理 得 出的结 论 一般 是模 糊量 ， 但 是需 要 输 入控制 系统执行机 构 的变量 是 精确 量 。 因此 要将 模 糊 推理解 模糊化 。 本文 采 用工业 控 制 中常用 的解模 糊 化 方法 加权平均 法 。 该 方法将论域 中的每一个 元 素 i1 ， 2 ， 3 ， ⋯， n 作为待判决输出模糊集合的隶 属度 的加 权系数 ， 即取 乘积 i i ， 再 计算 乘 积 的和 Y 对 于隶属度 和的平均值 。 Y ∑ i Ix i 6 il 以平均值 。 作为应用加权平均法为模糊集合球 的判 决结 果 。 如公式 7 所 示 。 ∑ i J 0 ～ ∑ 一 3 变参数模糊控制 系统 的仿真分 析 7 分析 液压 舵 机 伺 服 系统 方 块 图 ， 外 回路 增 益 相 当于 比例控制器 ， 因此 ， 液压舵机伺服 系统本身为 比 例控制。同时 ， 建立伺服系统 P I D控制仿真结构图 ， 液压舵机变参 数模 糊控 制器 的 S i m u l i n k仿 真 结构 图， 如 图 6所示 。图 7和图 8分别为 A t o mi c S u b s y s ． t e rn 和 S u b s y s t e m S u b s y s t e m I和 S u b s y s t e m2与 S u b ． s y s t e m结构 相 同 的封 装 结 构 图 。图 9为 封 装 模 块 A t o m i c S u b s y s t e m 图 7 中模块 S u b s y s t e m 3所封装的 变 参数 模糊 控制 的核 心部 分 S函数 。 图 6液 压舵 机 双 模糊 控 制 器 S i mu l i n k仿 真 结构 图 h r I n 2 Ou t 3 图 7 At o mi c S u b s y s t e m 模糊控制器封装结构 图 Ga i n Ga i n6 Ga i l 订 图 8 S u b s y s t e m2封装结构图 ％SF u n c t i o n -- S r e g u l a t i o n f u n c t i o n [ s y s ， x 0 ]S r e g u la t i o n t ， x ， U ， f l a g g l o b a l Ke Ke c Ku； Ke2；Ke c1；Ku 1 ； i f fla g 0 s y s [ 0， 0 ， 3 ， 2 ， 0， 1 ] ； x 0[ ] ； e l s e iffla g 2 if a b s u 1 1 s y s 1 1{K eU 1 ； s y s 2 0 ． 1 K e c U 2 ； s y s 3 3 0 K u e l s e i f a b s u 1 0 ． 2 s y s 1 0 ． 5K e u 1 ； s y s 2 0 ． 2 K e c U 2 ； s y s 3 3 0K u e l s e s y s I 0 ． 3 K e u 1 ； s y s 2 0 ． 3 K e c u 2 ； s y s 3 3 0 K u e n d e l s e s y s [ ] ； e n d 图 9 S函 数 程 序 设定仿真时间为 0 ． 3 s ， 对该仿真模型进行仿真试 验 ， 得到如 图 1 0所示 的动态 响 应 曲线 。由 图 1 1可 以 看 出， P控制、 P I D控制、 双模 糊控制 的控制策略使系 统 达到 稳 定 的 时 间分 别 为 0 ． 2 7 s 、 0 ． 0 8 s 、 0 ， 0 4 s 。仿 真 试 验可知 ， 变参数 模糊控制器 具有 良好 的快 速性性能 。 ⋯ 广 ‘ 7 ⋯ ，，r， _ 卜P 控 制 { } ， ● 。卜 一 P I D 控制 -● ● ／ ， ． f 一变参数模糊控制 _ -● ， ， r f f ，， _- - 图 l 0液 压 舵 机 单 位 阶跃 响 应 曲线 设定仿真时间为 0 ． 5 s ， 并且在 0 ． 3 s 时给系统施 加幅值为 0 ． 5的阶跃信号扰动。通过仿真试验可 以 得到如图 1 1 所示仿真结果 ， 仿真结果表明， P控制、 P I D控制、 双模糊控制的控制策略受到幅值为 0 ． 5的 阶跃 信 号 干扰 后 使 系 统 达 到 稳定 的 时 间分 别 为 0 ． 0 3 s 、 0 ． 0 7 s 、 0 ． 2 s ， 变 参数模 糊 控 制 与 P I D和 P控 制 相比具有很强的抗干扰能力。 下转第 9 8页 9 8 组合机 床与 自动化 加工技 术 第 4期 除残料 的加 工 方式 “ 。采 用直 径 5 ra m 的球头 铣刀 进 行残料精加工可在所有曲面交接处产生精加工刀具路 径 ， 以清除前一步精加工中曲面交接处的残料。 2 ． 6验证 和后处 理 生成饮料瓶模具 型腔 的刀 具走 刀路 线后 ， 需 要 进 行相应 的刀具 轨 迹仿 真 ， 以 验证 刀 具 轨迹 的合 理 性。 在这里 ， 利用 M a s t e r C A M 软件带 有 的实 体切 削仿 真 功 能可对实际 的铣 削加 工过程 进行 模拟 仿 真 ， 在此 过程 中进行刀具干涉检查， 以检验生成的刀具轨迹是否满 足实 际的加工要求 ， 确保不会 出现过切 、 干涉与碰 撞等 现象的发生。图 5通过加工过程仿真验证了复杂曲面 零件饮料瓶模具型腔数控加工的正确性。 图 5饮料瓶模具的铣削仿真 后处理器需要将 Ma s t e r C A M 中的刀具路径信息 翻译成 数控 格 式 ， 该 软 件 提 供 了一 个 广 泛 的 后 处 理 数据库供工程人员使用。不同机床所能识别 的数控 代码 不尽 相 同 ， 因而 所 采 用 的 的 后 处 理 方 式 也 不 尽 相 同 。对 M a s t e r C A M 软 件 自动生 成 的饮 料瓶 模 具 型 腔数 控代码 进 行 必要 的后 处 理后 ， 就 能输 送 给 数控 机床进行加工 了。由于边 幅有 限， 本文仅摘录部分 数控代码 ％ O00 0 0 Nl 1 2G1 Z一4． 9 8F1 0 0． N1 1 4X 一4 5．F 8 0． N1 1 6 G2X ～25． Y0．R2 0． N1 l 8 G1Y 一6 0． N1 2 0G3X 一1 5． Y 一7 0．Rl O Nl 2 2G1 X21 5． N1 2 4G3 X2 2 5． Y 一60． R1 0． N l 2 6Gl Y6 0． N1 2 8G3 X2l 5． Y7 0．R1 0． 3 结束语 Ma s t e r C A M软件具有强大 的的三维几何建模功 能及数 控加 工 编 程 能 力 ， 可用 于复 杂 曲面 铣 削加 工 的数控 编程 。本 文结合 饮 料 瓶表 面 三维 建模 及 模 具 型腔铣削加工实例 ， 分析 了数控铣削加工工艺与加 工参数等关键问题 ， 通过合理设定粗、 精加工 阶段铣 削刀具、 切削用量、 加工余量、 刀具路径等工艺参数， 生 成 了合理 的 刀 具 轨 迹 ， 通 过 加 工 仿 真 验证 了复 杂 曲面 饮料瓶 模具 型 腔数 控 加工 的正 确性 。使 用 该 工艺加 工效果 较 为理 想 ， 加工 效 率 也高 ， 达 到 了预 期 的效果 ， 在工 程应用 中具有 一定 的参考 价值 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]李颖．高精度复杂曲面的数控铣削加工工艺参数 的优化 [ D] ．兰州理工大学 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ]褚守云 ， 等．基于 M a s t e r C A M的泵轮盘数控加工 [ J ] ．工 具技术 ， 2 0 1 l 9 5 3 5 4 ． [ 3 ]蒋晓魁．基于 Ma s t e r C A M 的渐 开线 圆柱齿轮数控 加工仿 真[ J ] ．组合机床与 自动化 加工技术 ， 2 0 0 7 1 0 7 5 7 8 ． [ 4 ]邝卫华 ．基于 Ma s t e r C A M 的数控 加工研 究 [ J ] ．煤矿 机 械 ， 2 0 0 7 5 9 09 2 ． [ 5 ]汪玉平 ， 等．Ma s t e r C A M 软件在 数控加 工 中的应 用研 究 [ J ] ．机床与液压 ， 2 0 1 0 1 47 ． [ 6 ] 盖立 武 ， 朱 学 超．Ma s t e r c a m在 数 控 加工 中的 应 用 研 究 [ J ] ．机械设计与制造 ， 2 0 0 7 1 1 1 4 51 4 7 ． [ 7 ] 吴敬权 ．基于 Ma s t e r C A M 的风筒数控加工编程 [ J ] ．机械 制造 与 自动化 ， 2 0 0 8 1 8 68 8 ． 编辑赵 蓉 上接 第 9 5页 1 一 吕 s 1 龄 黼 蜒 l 匿 幅 基 ． _／ 。 。 一 f ⋯P 控制 __ P I D 控制 一 变参数模糊控制 ， 时间f f s 图 l 1 液压舵机加入阶跃干扰后的响应曲线 4 结 论 针对液压舵机伺服系统运行过程 中存在非线性 因素 的问题 ， 设计了一种变参数模糊控制器 ， 既能避 免建立 精确 的数 学模 型 ， 又 能 通 过 s函数 实 时 改 变 比例 因子 与量 化 因子 而 达 到 预 期 的 伺 服 系统 控 制 。 仿真结果表 明， 变参数模糊控制器与 P I D控 制和 P 控 制相 比， 能够 较 明显 的提 高 系 统 的快 速 性 和 抗 干 扰能力 ， 具有一定的借鉴意义。 [ 参考文献] [ 1 ]沈燕 良．飞机 系统 原 理 [ M] ．北 京 国防工 业 出版 社 ， 1 98 0． [ 2 ]姜长生 ， 王从庆 ， 魏海 坤 ， 等．智能控 制与 应用 [ M] ．北 京 科学出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ]于浩 洋， 初红霞 ， 王希风 ．MA T L A B实用教程 控制 系 统仿 真与应用 [ M] ．北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． [ 4 ]周伟 ， 王平军．基 于模糊 P I D的液压舵机 动态仿 真 [ J ] ． 机床与液 压， 2 0 1 0 ， 3 5 9 2 2 2 2 2 3 ． [ 5 ]周润景 ， 张丽娜 ．基 于 MA T L A B与 f u z z y T E C H 的模糊 与 神经网络设计 [ M] ．北京 电子工业出版社 ， 2 0 1 0 ． 编辑李秀敏