双缸同步液压系统Fuzzy—PID控制仿真研究.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 8卷 第 l 4期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 0 Vo 1 _ 3 8 No ． 1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 4 ． 0 1 1 双缸同步液压 系统 F u z z y P I D控制仿真研究 邓文亮， 第二炮兵工程学院， 强 宝 民 陕西 西安 7 1 0 0 2 5 摘要针对液压同步系统仿真大多没有考虑摩擦阻力不等 、两缸负载不均衡以及变负载等因素对同步精度造成的影 响，利用 A M E S i m软件进行建模 ，并在 Ma t l a b ／ S i m u l i n k中建立积分分离式 P I D以及 F u z z y ． P I D控制算法来实现液压缸的同 步起竖以及曲线同步跟踪。仿真结果表明，采用 F u z z y P I D控制算法，系统实现较高精度的同步控制。提出的双缸同步控 制策略对其他设备中液压同步控制系统的设计研究也有很好的参考价值。 关键词 A ME S i m；Ma t l a b ／ S i m u l i n k ；F u z z y ． P I D ；同步控制 中图分类号T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 J 1 4 0 2 83 S i mu l a t i v e Re s e a r c h o f S y n c h r o n i z a t i o n Co n t r o I o f Two Hy dr a u l i c Cy l i nd e r S y s t e m Ba s e d o n Fu z z y ． 啪 D E N G We n l i a n g 。Q I A N G B a o m i n T h e S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 2 5 ，C h i n a Ab s t r a c t Co n s i d e r i n g t h e f a c t o r s ，s u c h a s d i f f e r e n t f r i c t i o n f o r c e s ，d i ff e r e n t l o a d s a n d v a r i e t y l o a d s ． t h e mo d e l s o f s y n c h r o n i z a t i o n e r e c t i n g a n d s y n c h r o n i z a t i o n t r a c k i n g o f t wo h y d r a u l i c c y l i n d e r s y s t e m we r e b u i l t u s i n g AME S i m， a n d t h e s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l s we r e c a r r i e d o ut u s i n g s e p a r a t e d i n t e g r a l PI D a n d f u z z y PI D c o n t r o l l e r i n Ma t l a b ／S i mul i n k． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t ha t t h e s y n c h r o n i z a t i o n e r r o r i s s ma l l u s i ng f u z z y P I D c o nt r o l l e r wh e n l o a d s a r e v a r i a b l e a n d i t me et s t he p r e c i s i o n r e q u i r e me n t ． Th e c o nt r o l s t r a t e g Y p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r d e s i g n o f h y d r a u l i c s y n c h r o n i z a t i o n s y s t e m i n o t h e r e q u i p me n t s ． Ke y wo r d s AME S i m ；Ma t l a b ／ S i mu l i n k ； F u z z y P I D；S y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l 在现代工业、航空航天和军事工程等领域中，液 压 同步系统在工程实际中应用广泛 。比如起竖 、装填 均要通过液压 同步 系统来 实现 ，并且要求 其在位 置 、 角度等同步控制上具有较高的精度，以获得精密的工 件和完成精细的工作。相反，若起竖油缸不同步，就 可能导致武器装备起竖时不平稳，甚至使油缸发生扭 转 ，造成无法挽回的损失 。为 了改善起竖 同步性能 ， 提高快速调平 、起竖 的能力 ，确保安全 ，作为执行元 件的液压缸实现精确 的位置 、角度 同步控制就非 常重 要了。 然而液压缸 同步控制是液压领域的一个难题 ，很 多学者对此进行 了研 究 ，并 取得 了一些 较好 的成果 ， 但大多只停 留在 比较理想 化的模型上 ，对 于负载不均 衡、摩擦阻力不等、变负载等影响同步的精度因素没 有考虑。因此，借助 A M E S i m仿真平台，运用 F u z z y P I D控制与 M a t l a b ／ S i m u l i n k 进行联合仿真 ，对液压缸 同步系统进行研究 。 1 联合仿真接口设置及实现 1 ． 1 A M E S i m软件 简介 J AME S i m Ad v a n c e d Mo d e l i n g En v i r o n me n t f o r S i re u l a t i o n s o f e n g i n e e r i n g s y s t e m s 表 示 系统 工程 高级 建 模和仿真平台。它是法国 I M A G I N E公司于2 0世纪9 0 年代推出的专 门用 于系统 工程 的建模 和仿真 ，如机 械、液压、气动、热、电和磁等领域。仿真建模的语 言是工程技术语言，不需要编写任何程序代码。 1 ． 2 联合 仿 真环境设 置 1 设置环境变量 ，打开我的电脑一属性一 高 级 一 环 境 变 量 ，设 置 A M E S i m 4 ． 2 以 下 简 称 A ME S i m环境变量 ，变量名 为 A M E，值 为其 安装路 径 ；设置 M a t l a b 6 p 5 以 下简 称 M a t l a b 环 境变 量 ， 变量名为 M A T L A B，值为其安装路径；确认在系统变 量 P A T H 中包 含 系统 安 装 目录 C ＼WI N N T＼S y s t e rn 3 2 。 2 在 M a t l a b的 目录列表里加上 A ME S i m与 M a t l a b接 口文件所在 的 目录％A ME ％ ＼m a d a b ＼a m e s i m。 3 在 A M E S i m环境下选择 V C作为编译 器。具 体操作在 O p i o n s - - - } A ME S i m P r e f e r e n c e s C o m p i l a t i o n ／ P a ． r a m e t e r s 中。在 MA T L A B命 令 窗 口中输 人 命 令 M e x s e t u p ，选 择 V C作为编译器 。 1 ． 3 联合 仿真 实现 A ME S i m与 S i m u l i n k的联合仿真是通过 A ME S i m 收稿 日期 2 0 1 0 0 61 8 作者简介邓文亮 1 9 8 5 一 ，男，硕士研究生，主要从事机电液技术方面的研究工作。电话1 5 9 9 1 6 2 4 9 1 5 ，Em a i l n i u s h e n 07 9 4 1 63． t o n i 。 第 l 4期 邓文亮 等双缸同步液压系统 F u z z y P I D控制仿真研究 2 9 界面菜单下的创建输出图标功能与 S i m u l i n k中的 s函 数实 现 连 接 的。具 体 操 作 为 T o o l s I n t e r f a c e I c o n C r e a t i o n ，然后进行输入输 出个数 的设置及 T y p e 0 f 一 t e r f a c e的选择 ，作 者选 择 S i m u C o s i m。具 体实 现过 程 如文献 [ 2 3 ]所 述。 2模型建立 2 ． 1 变负载同步模型 2 ． 1 ． 1 模型介绍 变负载同步模型由阻尼装置 用于模拟实际中 存在的摩擦 阻力 、同步控 制模 块 阀 4用 于调节补 充油液 、联合仿真模块 、同步起竖模块 含有起竖 缸，起竖相当于变负载过程，其模 型如 图 1所示 组成 ，用 于模 拟 双 缸 起 竖 过 程 。其 结 构 如 图 2所 示 。 图 1 双缸处于水平状态下 的模型示意 图 图 2 双缸同步起竖 A ME S i m模型 2 ． 1 ． 2 参数 的设置及结果分析 采用积分分离式 P I D控制 ，结构如图 3所示 。 一 一 一 _ - { I n t i 商 o r 6a i 图3 积分分离式 P I D控制内部结构图 其参数设置如表 1 示。 表 1 仿真参数 P I D参数值 起竖臂负载／ k g 相对位置／ m 仿真时间／ s 采样时间／ s Kp8 0； gl1 0； Kj1 0 l4 0 0 0； m24 1 0 0 l1； l1； 23； ， 20． 7； 34 t63 t 0 ．1 I O 8 6 4 2 仿真曲线如图4 -5示。 0 l 0 2 o 3 0 4 0 5 0 6 0 时 间， s 图 4 起竖油缸 回转角度误差曲线 0 l o 2 0 3 0 4 0 5 O 6 0 7 0 时 间， s o l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 时间／ s 图5 起竖油缸回转角度 左 、正腔压力曲线 可 以看到 ，两 负载 在 只差 1 0 0 k g时，从 0起 竖 到 9 0 。 起 竖完成 后 的状 态如 图 6所 示 ，起竖过 程 平稳 ，回转角度没有 突变现象 ，正腔内的压力变化均 匀 ，大小符合要 求 ，同步误差 也 比较小 ，在 0 ． 0 4 。 以 内，相当于 4 m m误差。但 当两负载质量相差较大 时 ，误差就非 常大 ，甚至出现不可调。 图 6 双缸起竖成 9 0 。 的模型示意图 2 ． 2 不同负载同步跟踪模型 2 ． 2 ． 1 模型介绍 为了防止 由于节流 口对不 同负载流量 分配不均 ， 影响控制算法，由两组液压泵及比例电磁阀分别控制 液压缸 ，结构如图 7所示。用正弦信号作为输入信 号，两缸活塞杆位移则跟踪该信号，以实现两缸的同 步动作及曲线跟踪。 图7 不同负载液压缸同步 A M E S i m模型 2 ． 2 ． 2 积分分离式 P I D控制参数设置及结果分析 采用积分分离式 P I D控制 ，其在 S i m u l i n k中模 型 如图 8 所示，现在给两液压缸施加不同的负载，其中 缸 1的负载为 1 0 0 0 k g ，缸 2的负载 为 1 5 0 0 k g 。正 弦信号频率为 0 ． 2 H z ，幅值为0 ． 5 ，均值为0 ． 5 ，初 如加 蛐 帅 加 0 0 0 0 0 O 0 0 O 0 0 O 0 0 0 、 下 上 ． 3 0 机床与液压 第 3 8卷 始相位为 一 2 ，P I D I参数为 K 5 0 、K i 5 、 1 0 ；G a i n 3 为 0 ． 5 0 ；P I D 2参数 为 3 0 ． 0 6 2 5 、K i 2 、K 5 ；G a i n 2为 0 ． 8 0 ，仿真时间为 l 0 s ，采样时 间为 0 ． 1 S 。仿真曲线如 图 9 1 0所示 。 8 积分分 离式 P I D控制 S i m u l i n k模型图 l 一输 入 正弦 信号 2 一 缸1 活塞 杆位 移 昌】 | 里． 1 ． 曼 匿 -7, 0 2 4 6 8 l O 0 2 4 6 8 l 0 时 间， s 时间／ s 图 9 双缸同步跟踪曲线 图 1 0 同步误差曲线 可 以看到 ，尽管两液压缸在负载相差较大时也能 够实现较好的控制，但时间延迟较大，幅值跟踪误差 较大 ，且误差 仍有 7 m m 之多 。为 了改善 此种 情况 ， 进一步减弱对不 同负载 的敏感性 ，将算法改进为 F u z z y P I D。 2 ． 2 ． 3 F u z z y P I D控制算法模 型 1 F u z z y P I D算法设计 利 用 M a t l a b的 F I S E d i t o r工具 编 辑 模糊 控 制 算 法 ，用 S i m u l i n k 与 F I S工具联合设计模 糊控制器 。其 输入为系统当前的偏差 E和偏差变化 E C ，输出分别 为 P I D控制器的 3 个参数 ，这是 一个双输入三输出的 系统。在该系统的设计过程中，为了简化运算，忽略 3个输出之间的耦合关系，将双输入三输出的推理器 简化为双输 入单输 出的子推理器 ，从而使问题求解 的 难度大大降低。同时，为弥补一般模糊控制分档造成 的阶梯变化 ，该系统模糊推理器的输出是控制器参数 的修正值 A K A K i 和 △ 。模糊输入、输出量划分 为 { 负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}7 个模 糊 子 集 ，记 为{ N B，N M，N S ，0，P S ，P M， P B} 。E、E C的模糊论域为 [ 一 3 ，3 ] ，为了便于控 制，将两输入量在 N B处论域扩展为 [一 1 0 0 ，一 2 ] ， 朋 处论域扩 展 为 [ 2 ，1 0 0 ] ，且隶 属 函数 设 为三 角 函数；控制的修正量的模糊论域均为 [一 6 ，6 ] 。其 他各处隶属 函数均采用高斯 函数 ，其模糊控制规则如 文献 [ 5 ]所述。 解模糊方法 清晰化选取面积平 分 B i s e c t o r 法 ，这种方 法能 充分利 用模糊 子集 所 有的信息量，非线型度好 ，有利于联合仿真的顺利执 行。其在 S i m u l i n k中模型如 图 1 1 所示 。 图 1 1 F u z z y P I D控制 S i m u l i n k模型图 F u z z y P I D子系统 的结构 图如 图 l 2示 ，加 了随机 扰动 ，使仿 真模型更加贴近实际。 l 0 ． 点0 ． 登 o ． 0 0 ． 图 1 2 F u z z y P I D子系统结构图 P I D子系统的结构 图如 图 1 3示 。 图 1 3 P I D子系统结构图 2 参数设置及结果分析 l 一输 入 正弦 信号 2 一缸 l 活塞 杆位 移 3 一缸2 活塞 杆位 移 0 2 4 6 8 1 0 时间， s 图 1 4 F u z z y P I D双缸 同步跟踪曲线 I 1 ．0 ． 1 ． 0 ．3 ． 0 匣 -5 ． 0 0 图 1 5 2 4 6 8 l 0 时间， s F u z z y P I D双缸 同 步跟踪误差曲线 正弦信号 、缸 l 负载不变，缸 2 负载为2 0 0 0 k g ， F u z z y P I D子 系统参数 为 E的量化 因子为 3 0 ． 0 ，E C 的量化因子为0 ． 1 5 ， 3个修正量的比例因子为0 ． O 1 1 ， 下转第 4 7页 第 1 4 期 李宏伟 等脑机接口视觉刺激器的设计与实现 4 7 字脑 电图仪对诱发电位 信号进行放大和数据采集 ，送 人计算机进行基于 S WT的去噪处理和基于 S T F T的特 征提取 ，检测诱发电位信号 ，用于判断受试者所注 视的 目标 。实验 结果显 示系 统对 S S V E P的识 别效 果 相当明显，图4 a 一 f 分别对应刺激频率为 l O H z 、 1 5 H z 、1 8 H z 、2 0 H z 、2 3 H z 、2 5 H z 的视觉诱发 电位 频谱图。可看出该刺激器能够诱发出有效的视觉诱发 电位信号 ，系统 的刺激源具备稳定 的刺激效果 。 一 一 一 枷 ． 频率／ Hz a t OHz ． 0 1 0 2 0 3 0 频率／ Hz b l 5Hz 图4 6种不同刺激频率的视觉诱发电位频谱图 4结束语 作者设计开 发 了用 于 脑机接 口系统 的视 觉刺 激 器。该刺激器通过控制电路产生不同的频率驱动 6个 不 同的发光 L E D，产生不 同的闪烁频率 ，并搭建 了基 于稳态视觉诱发 电位 的脑机接 口实验 系统 ，实验结果 表明，该刺激器能够诱发出有效 的视觉诱发电位信 号，既方便调整闪烁频率又能获得较好的刺激效果， 验证了该视觉刺激系统的有效性。该系统的成功开发 为基于脑 机接 口的智能轮椅导航及 载人飞船舱外机械 臂导航系统奠定 了基础 。 参考文献 【 1 】S c h a l k G ， B r u n n e r P ， G e r h a r d t L A， e t a 1 ． B r a i n c o m p u t e r i n t e rf a c e s B C I s d e t e c t i o n i n s t e a d o f c l a s s i fi c a t i o n [ J ] ． J N e u r o s c i Me t h o d s ， 2 0 0 8 ， 1 6 7 1 5 1 6 2 ． 【 2 】H o f f ma n n U， V e s i n J M， E b r a h i mi T， e t a 1 ． A n e ffic i e n t P 3 0 0 一 b a s e d b r a i n c o m p u t e r i n t e rf a c e f o r d i s a b l e d s u b j e c t s [ J ] ． J N e u r o s c i Me t h o d s ， 2 0 0 8 ， 1 6 7 1 1 1 51 2 5 ． 【 3 】 朱文明， 高诺． 脑机接口技术研究概述[ J ] ． 信息技术与 信息化 ， 2 0 0 8 6 2 6 2 8 ． 【 4 】 C h e n g M， G a o X R ， G a o S K ． D e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f a b r a i n c o m p u t e r i n t e rf a c e w i t h h i g h t r a n s f e r r a t e s [ J ] ． I E E E T r a n s B ME ， 2 0 0 2 ， 4 9 1 0 1 1 8 1 1 1 8 6 ． 【 5 】Mi d d e n d o r f M， M c M i l l a n G ， C a l h o u n G， e t a 1 ． B r a i n c o m p u t e i n t e rf a c e s b ase d o n t h e s t e a d y - s t a t e v i s u a l -- e v o k e d r e s p o n s e [ J ] ． I E E E T r a n s R e h a b i l E n g ． ， 2 O O 0 ， 8 2 2 1 1 2 1 4 ． 【 6 】 S u t t e r E E ． T h e b r a i n r e s p o n s e i n t e r f a c e C o m m u n i c a t i o n t h r o u g h v i s u a l l y - i n d u c e d e l e c t r i c a l b r a i n r e s p o n s e [ J ] ． Mi e r o c o mpu t e App ．， 1 9 92， 1 5 314 5． 【 7 】 黄漫玲， 吴平东， 殷罡， 等． 基于稳态视觉诱发电位的脑 一 机接口实验研究[ J ] ． 北京理工大学学报， 2 0 0 8 ， 2 8 1 1 9 5 7 9 6 1 ． 【 8 】卫兵， 吴小培， 吕钊． 基于诱发脑电的人机交互系统的设 计与实现[ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 0 9， 2 2 2 2 5 2 7 ． 【 9 】边琰， 赵丽， 崔世钢， 等． 基于稳态视觉诱发电位的多自 由度机械手实时控制系统[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9， 3 7 8 3 2 03 2 2 ． 上接第 3 0页 其 P I D参数分别为 1 9 5 、1 0 、 3 ，G a i n 6为3 ． 1 8 5 ； F u z z y P I D子系统 1 参数为E的量化因子为3 0 ． 5 ，E C的量 化因子为0 ． 0 5 ，3 个修正量的比例因子为0 ． 0 1 2 3 ，其 P I D参数分别为 1 7 0 、1 0 、 3 ，G a i n 6为3 ． 4 3 5 。 综 合分析各 图可以得 出采用 F u z z y P I D控制算 法 ，尽管误差 曲线 变化 较 大 ，但 同 步误 差较 小 ，在 4 ． 5 m i l l 之内，时间延迟较小 ，幅值跟踪误差较小， 对负载差值变化不敏感 ，抗干扰能力 比较强 ，鲁棒性 较好，基本满足同步精度要求。 3结束语 利用 A M E S i m软件建立液压缸双缸同步起竖系统 模型及同步跟踪系统模型，利用 S i m u l i n k设计了积分 分离式 P I D以及 F u z z y P I D控制算法，采用 A M E S i m 软件与 S i m u l i n k 联合仿真的方法，对两者进行了仿真 研究 。仿真结 果表明 ，系统 能够克服 摩擦阻 力不等 、 两缸负载不均衡以及变负载等因素造成的影响，实现 了较高精度的同步控制。提出的双缸同步控制策略对 其他设备中液压同步控制系统的设计研究有很好的参 考价值 。 参考文献 【 1 】A M E S i m帮助文件． 【 2 】陈宏亮， 李华聪． A M E S i m与 M a t l a b ／ S i m u l i n k 联合仿真接 口技术应用研究[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 6 1 1 4一l 6 ． 【 3 】江玲玲 ， 张俊俊． 基于 A M E S i m与 M a t l a b ／ S i m u l i n k 联合 仿真技术 的接 口与应用研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 1 1 4 81 4 9 ． 【 4 】石辛民， 郝整清． 模糊控制及其 M A T L A B仿真[ M] ． 北 京 清华大学出版社 ， 北京交通大学出版社 ， 2 0 0 8 ． 3 ． 【 5 】陶永华． 新型 P I D控制及其应用[ M] ． 2 版． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 1 1 2 71 2 8 ．