双液压缸同步精确控制技术研究

2014-10-10宋云艳

制造业自动化 2014年14期

宋云艳

SONG Yun-yan

(长春职业技术学院工程技术分院，长春 130000)

0 引言

大型机械设备因布局、结构等原因，常需要采用两个液压缸共同带动负载进行工作，因此要求两个液压缸速度保持一致，即需对其进行同步控制。图1为双缸液压提升系统结构，由于元件结构误差、压力波动、外部干扰，流固耦合等因素的影响，常常出现同步误差，使系统工作性能大大下降，甚至发生事故。为此，采用何种控制方式及控制策略，提高同步控制精度，是目前最受关注的问题。

图1 双缸液压提升系统结构

目前应用于液压同步上的控制方法很多，大部分都采用主从控制方式[1]，即以一个执行元件的输出信号为目标，对其他执行元件进行控制，实现同步的目的，这种方法可以取得较好的控制效果，但不适合负载变化很大的场合。在控制策略上，应用最多的是PID控制[2]，该方法简单，易实现，但因不能实时在线调整参数，在应用上受到很大的局限。本文以双缸液压提升系统为对象，对其同步控制方法进行了深入研究，针对液压传动非线性、时变性的特点，提出采用交叉耦合控制方式，并把传统PID与神经网络相结合，即单神经元PID控制策略。仿真与实验结果表明，所采用的方法可以获得较好的同步精度，取得了预期的效果，有一定应用价值。

1 双缸液压驱动系统数学模型

双液压缸提升系统是由两个电液比例伺服阀控制完全相同的两个液压缸，实现对负载的提升，活塞与负载之间采用钢索连接。为保证负载平稳上升和下降，要求两个液压缸提升速度完全一致。为降低同步误差，提高同步控制精度，首先对系统的动态特性进行研究。对图1中系统的负载进行了受力分析，建立系统的数学模型[3,4]。

1.1 负载受力方程

式中：F1，F2为液压缸的提升力；x0为负载质心位移；m为负载质量；

L1，L2分别是两液压缸提升力对负载质心的力臂；θ为负载绕质心的转角。

液压缸的流量连续性方程：

式中：V1,V2为液压缸有杆腔、无杆腔容积；Cig,Ceg为缸体内、外泄漏系数；

βe为流体弹性模量；Q1,Q2为进、出液压缸流体流量。

2 双缸同步控制策略研究

2.1 控制方式的选取

针对液压系统非线性，时变性特点，采用交叉耦合控制方式，即两个液压缸都以一个理想的输入为目标，进行跟踪控制[5,6]；再把两个输出结果的差也作为一个附加的信号反馈到输入端，从而实现输入信号和偏差信号的耦合，如图2所示。

图2 采用交叉耦合方式的双缸同步控制系统方框图

2.2 控制策略

2.2.1 神经元控制

人工神经元基于人脑神经元的结构与特征，可以看用是一种多输入到单输出的映射关系[7]，若定义：为神经元的输入，θ为神经元的阙值，为连接权强度，则总的输出为：

式中：K为控制器的比例系数；

ωi( k )为对应于 xi( k)的连接权系统。

2.2.2 神经元PID控制

PID控制是目前应用较多的一种控制策略，具有结构简单、易于实现的特点，但其本身不具备在线调整参数的功能，所以单纯采用PID控制难以保证其控制精度。针对这一问题，采用神经元控制与PID控制相结合的控制策略，图3为交叉耦合控制方法的单神经元PID控制器结构[8]。

图3 采用交叉耦合形式的单神经元PID控制器结构

在这个系统中，把两个液压缸活塞的位移偏差、速度偏差和无杆腔压力差三个反馈信号，经转换后作为单神经元PID控制器的输入，连接权系数通过有监督Delta学习规则进行调整[9,10]，其规则表达式为：

则可以得到单神经元PID控制器的表达式为：

3 仿真与实验

3.1 仿真分析

为了验证控制策略的的合理性，把单神经元与PID相结合的控制策略应用于双液压缸同步控制系统，并与传统PID控制相对比，进行MATLAB仿真。假设两组提升系统中元件的结构和参数完全相同，选取液压泵排量为135mL/r，液压缸直径100mm，发动机的转速1000r/min，负载500Kg，采用不同的控制策略和研究目标进行仿真。

1）以两个液压缸活塞的位移差作为控制变量

控制器利用两个活塞的位移差分别去控制两个比例阀的开口，改变进入液压缸流量，使活塞位移向理想目标调整，位移差逐渐为零，实现同步控制。分别采用传统PID和单神经元PID策略进行仿真，结果如图4所示。