变转速液压动力源的负载前馈-反馈复合补偿控制

李　昭　谷立臣　马　玉

西安建筑科技大学，西安，710055



变转速液压动力源的负载前馈-反馈复合补偿控制

李昭谷立臣马玉

西安建筑科技大学，西安，710055

摘要：研究了前馈控制和反馈控制的原理及优缺点，提出采用负载前馈-反馈复合补偿控制策略实现液压动力源在典型工况下的恒流量控制。以变转速机电液系统实验平台为基础，建立变转速液压动力源的Simulink仿真模型，分别在简单PID反馈控制和复合补偿控制策略下进行仿真和实验，结果证明了该复合补偿控制策略在液压动力源恒流量控制中的可行性和有效性，其抗负载扰动性能明显优于简单PID反馈控制。

关键词：反馈控制；负载前馈；液压动力源；抗负载扰动性

0引言

将永磁同步电动机节能、调速性能好与齿轮油泵不能调速但可靠性好的技术特点相结合，文献[1]提出了一种节能型液压动力系统，即通过永磁同步电机驱动定量泵，从而调节泵的输出流量。这种液压动力源具有结构简单、可靠性高、调速范围宽、节能低噪、容易实现闭环控制等优点，在大功率、大惯性工况下呈现出广阔的应用前景[2]。这种液压动力源在出现负载扰动时，系统瞬时流量波动较明显。目前在控制策略上仍然广泛采用简单PID反馈控制，反馈控制主要起校正偏差的作用，消除系统扰动和不确定性引起的响应误差，但缺点是对元件特性变化不敏感；而前馈控制是针对某一特定的干扰进行补偿，控制作用发生在干扰作用的瞬间而不需等到偏差出现以后，比反馈控制更加及时、有效[3]。文献[4]中通过控制电液比例溢流阀输出流量来控制液压执行元件动作，加上前馈-反馈复合控制环节，提高了控制系统的动态响应品质和静态控制精度，该方法在三一重工SY5253THB37型混凝土泵车上得到应用，取得了良好的控制效果。文献[5]为了提高电液加载系统控制精度，针对摩擦问题提出了基于LuGre摩擦模型的前馈补偿方法，实验结果表明,前馈补偿器可将摩擦产生的控制误差有效地降至未补偿时的30%左右。

针对变转速液压动力源在负载压力扰动变化时，系统流量会出现较大的瞬时波动这一状况，结合简单PID反馈控制和前馈补偿控制的优点，笔者提出采用负载前馈-反馈复合控制策略来实现典型工况下的液压动力源系统恒流量控制。

1液压动力源系统结构和原理

本实验台采用永磁同步电动机拖动定量泵的液压动力源结构形式，液压动力源系统原理如图1所示。变转速液压动力源通过电机变频调速的方式来改变液压泵的输出流量，其控制原理为：通过研华工控机上的上位机LabVIEW编程软件，使研华PCI-1711多功能数据采集卡模拟量输出端口输出0~10 V的电压信号，将此信号通过研华PCLD -8710接线端子板上的输出端子与伺服控制器上的转速模拟量输入控制端子相连接，将转速控制方式改为外部控制，电机可以根据外部模拟输入信号实现无级调速，从而调节系统输出流量。液压系统压力加载形式采用比例溢流阀模拟加载。测控系统实现对液压系统的流量、压力和温度等的监测以及对电机转速、模拟加载的控制。

1.散热器　2.比例溢流阀　3.齿轮马达　4.电磁换向阀5.压力/流量传感器　6.单向阀　7.安全阀　8.齿轮泵9.永磁同步电机　10.霍尔电压/电流传感器11.截止阀　12.过滤器图 1　液压动力源系统原理图

2负载前馈-反馈复合补偿控制原理及控制器设计

2.1负载前馈-反馈复合补偿控制原理

图 2　负载前馈-反馈补偿控制原理图

负载前馈-反馈复合补偿控制原理如图2所示，系统采用比例溢流阀模拟加载，通过给定不同的加载电压Up，模拟不同的加载工况。反馈控制是通过流量传感器获取系统流量信号，与目标流量信号qset进行对比并计算偏差，偏差经过PID控制器运算，输出电压信号Ub给伺服控制器，进而控制电机转速，从而达到调节液压源输出流量的目的。负载前馈-反馈复合补偿控制是在反馈控制的基础上，由压力传感器获取系统压力值，经过负载前馈控制器作用转化为流量前馈补偿量qf，再将其转化为前馈补偿电压值Uf。此时，将反馈控制输出电压信号Ub与前馈控制输出电压信号Uf共同输给伺服控制器，实现改变液压源输出流量的目的。

2.2反馈控制器设计

反馈控制是根据误差进行调节的，将传感器或变送器检测到的控制量与给定值进行比较、计算得到偏差e(t)，并通过PID控制器调节：

(1)

式中，KP为比例系数；KI为积分系数；KD为微分系数。

最终使偏差e(t)趋近于零，从而使控制过程达到稳态。

实际工程中，PID的三个参数是根据各自环节的作用以及系统的实际响应，不断进行调整而确定的。其中，微分环节的作用是使抑制误差作用的变化“超前”，在工程上一般用于系统存在较大的滞后或延迟，同时微分作用对噪声干扰有放大作用，对系统抗干扰不利。在满足系统响应速度和稳态精度要求的情况下，由于本系统中的延迟并不明显，因此令KD=0。

2.3负载前馈控制器的设计

前馈控制器是由系统对象的扰动通道特性和控制通道特性决定的，而要实现对干扰的完全补偿，必须十分精确地知道被控对象的干扰通道特性和控制通道的特性，这在工业过程中是十分困难的，也是不现实的。实践证明，大部分工业过程都是具有非周期与过阻尼特性，常常可表示为一阶或二阶惯性加纯延迟环节[6]。假定系统的控制通道的传递函数为

(2)

干扰通道的传递函数为

(3)

式中，KP1、KP2分别为控制通道和干扰通道比例环节比例系数；T1、T2分别为控制通道和干扰通道惯性环节时间常数；τ1、τ2分别为控制通道和干扰通道延迟时间。

则前馈控制器的传递函数可有如下形式：

(4)

其中，Kff=KP2/KP1，τ=τ2-τ1。

本实验中的控制通道和干扰通道的纯迟延的差别并不明显，为了简化前馈补偿装置，可采用如下简化形式：

(5)

当T2≠T1时，称为动态前馈控制，适用于对动态误差控制精度要求很高的场合，同时由于动态前馈控制的输出信号是时间的函数，必须采用专门的控制装置，所以实现起来较为困难。当T2=T1时，称为静态前馈控制，目标是在稳态下实现对扰动的补偿作用，使被控量的静态偏差接近或等于零，而不考虑由于两通道时间常数的不同而引起的动态偏差。工程上常将反馈控制的误差不变性与静态前馈控制的稳态不变性结合起来应用，这样的系统既能消除静态偏差，又能满足工艺上对动态偏差的要求。

变转速液压动力源系统在反馈控制下，流量输出会逐渐达到稳态。本文在此基础上，利用前馈控制对由加载扰动引起的流量波动进行补偿，使系统响应的静态偏差趋于0。结合动态前馈控制和静态前馈控制各自的适用工况以及本实验的特点，本研究选用静态前馈控制器，其传递函数最终可简写为

Gff(s)=-Kff

(6)

则系统压力p和流量前馈补偿量qf之间的关系为

qf=Kffp

(7)

由于伺服控制器的输入为电压控制信号，所以必须将qf转换为电压信号Uf。

由定量泵流量和转速的关系可知：

qf=Vpnf

(8)

式中，Vp为泵的排量；nf为电机补偿转速值。

再由伺服控制器输入电压信号值与电机理想转速值的关系可知：

nf=KUf

(9)

K由伺服控制器特性确定，此处K=200 r·min-1·V-1。

由式(8)、式(9)可得

(10)

Uf=Kq-Uqf

(11)

由式(7)、式(11)可得出前馈补偿电压信号值与系统压力值之间关系为

Uf=Kq-UKffp

(12)

3液压动力源前馈-反馈复合补偿控制的仿真分析

根据液压动力源的数学模型[7-8]以及前馈控制器、反馈控制器的设计结果，在MATLAB/Simulink环境中搭建液压动力源前馈-反馈复合控制的仿真模型，如图3所示。

图3　负载前馈-反馈复合补偿控制仿真模型

图3中的PMSM子系统为永磁同步电机的仿真模型；PUMP子系统为液压齿轮泵的软测量模型，描述了液压齿轮泵的输出转速、油液压力与输出流量之间的耦合关系；PID control子系统为反馈控制器，PID反馈控制器的参数KP=5，KI=500，KD=0；Load Feedforward子系统为负载前馈控制器，前馈控制器参数Kff=20。设定目标流量值从0.02 s开始由0阶跃升至0.4 m3/h，系统稳定后在0.05 s施加0.2 MPa加载压力。系统流量响应如图4所示。

图 4　流量阶跃和负载阶跃系统流量响应曲线

仿真结果中，在目标流量阶跃变化时，由于PID反馈控制器选取了较为合适的参数，系统流量经过调整后达到稳态，没有出现超调，控制精度在±2%以内。在负载压力阶跃处，由于液压系统泄漏量和油液体积压缩量的突然增加，输出流量会突然减少，但由于系统是闭环控制，通过PID调整又重新回到目标流量稳态值。在此基础上加入前馈补偿控制作用，在压力加载的同时，负载压力值经过前馈控制运算后与PID输出量相加，此时电机模拟输入量增大，电机转速增大，液压动力源输出流量增大，使系统流量快速恢复到稳态值。仿真曲线中在负载前馈-反馈复合补偿控制策略下负载压力阶跃流量响应的调整时间由简单PID控制时的0.011 s减少到0.006 s，流量波动由简单PID控制下的0.36 m3/h减小到复合控制下的0.06 m3/h，系统的抗负载扰动性能得到明显提升，但出现了较小的超调量，可以通过共同调节PID参数和前馈控制器参数，达到更好的控制效果。

仿真结果表明，在负载压力阶跃变化时，负载前馈-反馈复合补偿控制策略在减小系统流量波动以及缩短调整时间上的可行性和有效性，且控制效果优于简单PID反馈控制。

4实验分析

本实验研究的液压动力系统采用11 kW永磁同步电机和排量为11 mL /r齿轮泵作为液压动力源，通过P71200压力传感器和LWZY智能涡轮流量传器将系统压力信号和流量信号传送给多功能数据采集卡的模拟输入端口，通过LabVIEW8.6软件平台编写的控制程序计算偏差，同时加入前馈控制量，通过伺服控制器调节电机转速，进而控制液压动力源的输出流量。

采用上述变转速机电液系统实验平台进行实验，PID控制参数为KP=1.0，KI=0.01，KD=0；前馈控制器参数Kff=0.0067 V/MPa，设定目标流量为0.5 m3/h，系统流量稳定后，用电磁比例溢流阀分别模拟加载：①阶跃载荷(加载电压由0阶跃至3.5 V，系统压力由2 MPa阶跃至5 MPa，温度为23.5 ℃)；②斜坡载荷(加载电压由0斜坡升到3.5 V，系统压力由2 MPa斜坡升至5 MPa，斜率为1 MPa/s，温度为23.9 ℃)；③正弦载荷(加载电压峰值大小为3.5 V、频率为0.125 Hz，温度为23.7 ℃)。

在加载工况下，当系统压力上升时，泵的泄漏量增加，油液压缩增大，使泵的输出流量减小；同理在系统压力下降时，泵的输出流量增大。由于系统是闭环控制的，所以通过PID调整控制电机的转速来补偿泵的泄漏，使系统流量恢复稳态。加入负载前馈控制后，在系统压力变化的同时，把压力值的变化量经过前馈控制器运算后与PID输出量相加，此时电机模拟输入量增大，电机转速升高，液压动力源输出流量增大，目标流量和系统流量偏差变小，PID输出量和前馈控制输出量之和逐渐稳定，电机转速波动减小，进而使系统流量快速恢复到稳态值。

由于PID反馈控制器和负载前馈控制器都选择了较为合适的参数，所以系统流量控制精度较高。在阶跃加载工况下，采用反馈控制时控制流量调整时间为7 s，流量波动为0.02 m3/h，如图5所示。复合控制时流量调整时间为2 s，相比PID反馈控制调整时间缩短5 s，流量波动为0.01 m3/h，如图6所示。在斜坡加载工况下，反馈控制流量调整时间为6 s，流量波动为0.014 m3/h，如图7所示。复合控制时流量调整时间为2 s，相比PID反馈控制调整时间也缩短4 s，流量波动为0.006 m3/h，如图8所示。正弦加载工况下，从调整时间和流量波动上看，复合控制效果并没有明显优于反馈控制，如图9、图10所示。具体流量响应控制性能指标如表1所示。

图 5　反馈控制阶跃加载流量响应

图 6　负载前馈-反馈复合控制阶跃加载流量响应

图 7　反馈控制斜坡加载流量响应

图 8　负载前馈-反馈复合控制斜坡加载流量响应

图 9　反馈控制正弦加载流量响应

图 10　负载前馈-反馈复合控制正弦加载流量响应

名称调整时间(s)流量波动(m3/h)阶跃加载反馈控制70.02复合控制20.01斜坡加载反馈控制60.014复合控制20.006正弦加载反馈控制40.01复合控制30.01

实验结果(见表1)表明：在阶跃加载和斜坡加载工况下，负载前馈-反馈复合补偿控制策略能够有效减小流量波动，缩短调整时间，同时保证了较高的控制精度；在正弦加载工况下，由于液压实验台动力源的频率响应较低、正弦加载频率较高，以及压力传感器的滞后等因素，使复合控制效果并没有明显优于反馈控制。

在系统加载压力不变工况下，当目标流量阶跃上升时，系统流量在PID反馈控制下也逐渐上升，最后达到稳态。在系统流量上升的同时，由于比例溢流阀的阀口开度不变，导致系统压力上升，此时若加入负载前馈补偿控制作用，则使电机转速输入模拟量增大，可加快系统流量的响应速度；同理，当目标流量阶跃下降时，加入负载前馈控制作用，也可加快系统流量的响应速度。在加载电压恒2 V工况下，简单PID反馈控制流量响应时间为9 s，无超调，如图11所示。复合控制时的响应时间为8 s，流量响应时间缩短1 s，但出现了较小的过补偿，如图12所示。当目标流量下降时，流量响应调整时间由反馈控制下的10 s减小到复合控制时的9 s。

图 11　反馈控制目标流量阶跃系统流量响应

图 12　前馈-反馈控制目标流量阶跃系统流量响应

实验结果表明，在加载压力恒定不变的情况下，负载前馈-反馈复合控制利用系统流量上升时系统压力也上升的特点，加快了流量响应速度，控制效果优于简单PID反馈控制，但由于前馈控制相当于开环补偿控制，如果参数选择不合适，可能会出现欠补偿或过补偿，所以可通过共同调节PID控制器和前馈控制器参数，达到更好的控制效果。

5结论

(1)在负载扰动变化时，本文所提出的复合补偿控制策略在液压动力源恒流量控制中使调整时间缩短到简单PID控制时的30%，流量波动量减小到简单PID控制时的50%，系统抗负载扰动性明显优于简单PID反馈控制，系统的鲁棒性能得到提升。

(2)在加载压力恒定不变、目标流量阶跃变化时，负载前馈-反馈复合控制也能加快系统流量的响应速度，效果优于简单PID反馈控制。在不改变PID反馈控制比例项值的前提下，成为加快液压源流量输入响应速度的一种新方法。

参考文献：

[1]贾永峰，谷立臣．永磁同步电机驱动的液压动力系统设计与实验分析[J]．中国机械工程，2012，23(3)：286-290．

JiaYongfeng，GuLichen．SystemDesignandExperimentalAnalysisforHydraulicPowerUnitwithPermanentMagnetSynchronousMotorDrive[J].ChinaMechanicalEngineering, 2012，23(3)：286-290．

[2]彭天好，徐兵，杨华勇.变频液压技术的发展及研究综述[J].浙江大学学报，2004，38(2)：215-221．

PengTianhao，XuBing，YangHuayong.DevelopmentandResearchOverviewonVariableFrequencyHydraulicTechnology[J].JournalofZhejiangUniversity，2004，38(2)：215-221．

[3]彭天好.变频泵控马达调速及补偿特性的研究[D]. 杭州：浙江大学，2003．

[4]周翔，石培科，黄罡．前馈-反馈控制方法在电液比例调速系统中的应用[J]．工程机械，2009，40(5)：59-62．

ZhouXiang，ShiPeike，HuangGang.ApplicationofFeedforwardandFeedbackControlMethodtoElectro-hydraulicProportionalSpeedRegulationSystem[J].ConstructionMachineryandEquipment,2009，40(5)：59-62．

[5]王晓东，焦宗夏，谢邵辰．基于LuGre模型的电液加载系统摩擦补偿[J]．北京航空航天大学学报，2008，34(11):1254-1257．

WangXiaodong，JiaoZongxia，XieShaochen.LuGre-basedCompensationforFrictioninElectro-hydraulicLoading[J].JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2008，34(11):1254-1257．

[6]刘文定，王东林．MATLAB/Simulation与过程控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2012．

[7]涂永航，谷立臣，马玉．变转速液压动力源恒流量模糊控制方法研究[J]．机械设计与研究，2015，31(1)：102-105．

TuYonghang，GuLichen，MaYu.ResearchonFuzzyControlMethodforConstantFlowofVariableSpeedHydraulicPowerSource[J].MachineDesignandResearch，2015，31(1)：102-105．

[8]谷立臣， 贾永峰． 永磁伺服电机驱动定量泵流量、 压力间接测量系统.中国，201210124031.9[P]．2012-08-08．

(编辑王旻玥)

Load Feedforward and Feedback Compounded Compensation Control for Variable Speed Hydraulic Power Supply

Li ZhaoGu LichenMa Yu

Xi’an University of Architecture&Technology,Xi’an,710055

Abstract：The principles and characteristics of feedforward control and feedback control were studied，a method called the load feedforward and feedback compounded compensation control strategy was proposed herein to realize the constant flow control of hydraulic power supply under typical operating conditions. Based on the experimental platform of mechanical-electrical-hydraulic system, a Simulink model of variable speed hydraulic power supply was established. The simulations and experiments were carried out respectively under a simple PID feedback control and a compounded compensation control strategy. The results verify the compounded compensation control strategy is efficient and feasible in constant flow control of hydraulic power supply,and the resistance to load disturbance of the compounded compensation control strategy is superior to the simple PID control .

Key words：feedback control; load feedforward; hydraulic power supply; resistance to load disturbance

作者简介：李昭，男，1989年生。西安建筑科技大学机电工程学院硕士研究生。主要研究方向为机电液一体化设计。谷立臣，男，1956年生。西安建筑科技大学机电工程学院教授、博士研究生导师。马玉，女，1978年生。西安建筑科技大学机电工程学院讲师、博士研究生。

中图分类号：TP273

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.018

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275375)；陕西省教育厅专项研究项目(15JK1412)

收稿日期：2015-05-13