基于偏差—環形耦合的多通道液壓伺服系統同步控制

劉芳璇　李益民　崔晶

摘 要：為研究多通道參數不同的液壓系統在工況中的同步性能，以液壓控制機構原理為基礎，提出了在偏差-環形耦合控制方式下采用貓群算法對控制參數進行優化的同步控制方案。相比偏差耦合同步控制策略，采用偏差-環形耦合優化后的系統應用于同步控制時，具有良好的抗干擾性和同步控制精度，能夠實現輸入信號的跟蹤控制。

關鍵詞：同步控制；貓群算法；偏差耦合；偏差-環形耦合

0 引言

在多通道液壓控制系統中，采用算法優化控制參數可有效提升液壓系統運行時的動態響應指標及抗擾性能，結合一定的控制策略，可以實現多通道液壓系統的同步控制。對于優化算法，可選用文獻[1]中優化火箭炮泵控缸位置伺服系統參數時所采用的BP神經網絡，文獻[2]中應用于優化煤礦井下工作面所采用的自適應遺傳算法，而文獻[3]中將粒子群算法應用于多弧離子鍍膜溫度控制中，文獻[4]則采用蟻群算法對PID參數進行二次優化，文獻[5]則采用一種比較新穎的貓群算法進行圖像分類的研究。實際上，該算法也可應用于控制參數的整定，本文將會對此方面的應用展開研究。

復雜系統控制對象內部常包含非線性，變負載及時變性，單一的控制策略只能應對其中某種特性，而若需要對系統中每個特性都能加以控制，則需要同時應用多種控制策略。因此，本文融合了偏差耦合及環形耦合控制策略，在此基礎上研究了多通道不同參數的伺服閥-液壓馬達位置控制系統的同步性能，對每個伺服閥、液壓馬達的控制參數采用貓群算法進行優化，并與采用偏差耦合控制策略的系統優化結果進行比較。由仿真結果可知，采用偏差-環形耦合控制策略的液壓控制系統對單位階躍信號響應快速，無超調，并具有良好的抗干擾性和同步控制精度。

1 多通道液壓控制系統

系統由指令裝置、伺服閥、液壓馬達、減速齒輪、滾珠絲杠等五部分構成。工作機理如下：當指令裝置接收到經由信號通道的外部控制信號，經比例放大后驅動電液伺服閥，帶動液壓馬達閥芯做往復運動，通過控制液壓馬達進出口閥門的開閉而控制液壓馬達負載端的運動，通過帶動減速裝置及滾珠絲杠控制工作臺的進給。

貓群算法將控制參數的組合作為解空間的個體，根據適應度函數計算每一組參數的適應度值，通過搜尋模式和跟蹤模式對貓群位置進行尋優，迭代生成新個體，通過與舊個體進行比較確定符合性能指標的最優個體，對應可得控制參數的最優解。采用自適應貓群算法分別對每個通道的伺服閥、液壓馬達和位移反饋三個閉環環節的控制參數進行優化。采用實數編碼，加入濾波小組，以降低初始局部收斂的概率；采用半掃描篩選方式篩選初始種群，防止比例系數加大引起超調量的增加；采用聯賽法進行選擇操作；構造動態自適應單點交叉概率與自適應變異概率，并輔以精英策略和保優運算。為獲取滿意的過渡過程動態特性，采用ITAE性能指標作為參數選擇的最小目標函數。

2 仿真分析

為驗證設計控制效果，針對工作臺電-液位置伺服系統進行了仿真研究。采用貓群算法對每個通道的相關PID控制參數進行優化。三通道液壓控制系統在單位階躍信號作用下，分別選用偏差耦合、偏差-環形耦合同步控制策略，并在15秒時引入幅值為10000的負載擾動，取適當的耦合系數，并設定誤差限△=0.02，得系統的跟蹤響應曲線如圖1所示。

由圖1可知，當系統采用偏差耦合控制策略時，約在3.5秒時達到穩態。加入擾動后，約在15.6秒時恢復穩態；采用偏差-環形耦合控制策略時，上升時間、調整時間等動態指標雖無明顯變化，但跟蹤曲線間距更為均勻。加入擾動后，約在15.3秒時達到穩態。相比之下，采用偏差-環形耦合控制策略的系統擾動恢復時間縮短了0.3秒，各通道之間的同步誤差近似相等；系統響應無超調量，并能夠對輸入信號實現無偏跟蹤，抗擾動性能較好。

參考文獻：

[1]高強， 金勇， 王力， 等. 泵控缸電液位置伺服系統建模研究[J]. 兵工學報， 2011.32（8）： 950-956.

[2]張曉光， 阮殿旭， 劉旭東. 基于自適應在線遺傳PID的監測網絡拓撲控制研究[J]. 中國礦業大學學報， 2012，41（1）：95-101.

[3]胡志超， 凌云. 基于粒子群優化的多弧離子鍍膜溫度控制模糊系統[J]. 湖南工業大學學報， 2011，25（5）：74-79.

[4]陳洋， 涂琴， 張海如. 基于蟻群算法的PID參數的二次整定和優化[J]. 微計算機信息， 2009，25（04-1）：59-61.

[5]王光彪， 楊淑瑩， 馮帆， 等. 基于貓群算法的圖像分類研究[J]. 天津理工大學學報，2011，27（05）：35-39.