電液力伺服系統模型參考控制方法

王 韜，馬訓鳴，劉 霞，齊雪婷

（西安工程大學機電工程學院，陜西西安 710048）

電液力伺服系統模型參考控制方法

王 韜，馬訓鳴，劉 霞，齊雪婷

（西安工程大學機電工程學院，陜西西安 710048）

針對彈性負載情況下的電液力伺服系統非線性的問題，首先，以車用板簧力伺服系統為研究對象，對電液力伺服系統進行控制系統設計；其次，選擇一階參考模型跟隨自適應控制算法作為控制策略對系統進行Simulink仿真分析；最后，對板簧進行力伺服控制實驗.結果表明，電液力伺服系統力輸出波形失真問題得到改善，取得良好的控制效果.該方法對模外動態和外加干擾都不敏感，可以抑制不確定性因素對系統的影響，具有較高的動態跟蹤性能.

一階參考模型；自適應控制；電液伺服系統

0 引 言

電液力伺服系統通常是不確定的非線性系統.在電液伺服系統中最常用的控制方法是PID或PI控制［12］，這些方法對具有非線性和不確定性系統的控制非常有限.在受到負載變化大，液壓系統漏損等因素影響時，系統的模型不僅復雜而且參數變化較大，傳統控制算法難以取得滿意的控制效果［3］.為了解決控制對象參數在大范圍變化時的控制問題，文獻［4］提出了構造自適應控制器的設想.模型參考自適應控制系統［4］是目前應用廣泛的一類自適應控制系統.在系統運行中，自適應控制器依靠不斷采集的控制信息，確定被控對象當前工作狀態，產生自適應規律，實時地調整控制器結構或參數，使系統始終工作在最優的運行狀態，從而使整個控制系統獲得滿意的性能［5］.

彈性負載情況下的電液力伺服系統也是不確定的非線性系統.對這類系統的控制問題，使用傳統控制理論和方法難以實施.目前常用控制方法為模型參考自適應控制方法（MRAC），在應用MRAC方法時，推導自適應律中大多使用的是李亞普諾夫函數法，或者用Popov超穩定理論或魯棒控制法、模糊集方法來設計自適應律.目前，在應用中大多是對一階和二階系統的自適應控制，當系統階數較高時，自適應算法趨于復雜，對高階系統常常采用先降階再推導自適應律的方法.液壓伺服系統一般都是三階以上，所以大多數液壓伺服系統自適應控制都是位置控制系統，如何設計較高階的液壓速度伺服系統和液壓力伺服系統正是所關注的重點.本文選擇一階參考模型跟隨自適應控制控制算法作為控制策略，改善了電液力伺服系統力輸出波形失真問題，取得良好的控制效果.

1 控制系統設計

電液力伺服系統是由計算機控制的機—電—液一體化裝置［6］，系統原理圖如圖1所示.

圖1 電液力伺服系統原理圖Fig.1 Electro hydraulic servo system schematic diagram

本系統按功能分為液壓系統、計算機控制系統、信號調理電路、電氣控制系統4個部分.液壓系統主要包括液壓源、控制動力源、油箱及附件、過濾部件組和閥控液壓缸；計算機控制系統由工控機和數據采集卡組成，通過A／D采集板采集被控對象的輸出及其他外部信息，供控制器作出決策，按照一定的控制算法計算控制量，并將控制量送至D／A轉換器，經伺服放大器轉換為伺服閥電流；對整個系統進行監控，完成必要的保護功能［7］；計算機控制系統軟件由Labview軟件進行控制，軟件的功能模塊由系統自檢、增益調整、波形選擇和運行分析［8］組成.控制系統框圖如圖2所示.

2 一階參考模型跟隨自適應控制算法

當采用一階參考模型時，被控對象與參考模型的狀態空間表達式［9］為

圖2 計算機控制系統框圖Fig.2 Computer control system block diagram

式中，Xp（k）為可調并聯系統一維狀態矢量，Xm（k）為參考模型一維狀態矢量，ym（k）為參考模型輸入，yp（k）為被控對象輸出，up為被控對象輸入，um為參考模型輸出，ap，bp為系統參數，am，bm為常數，Ku為放大器放大系數，Km為調整信號，Kp為控制信號，一階系統自適應算法結構框圖如圖3所示.

圖3 一階系統自適應算法結構圖Fig.3 Adaptive algorithm structure diagram for first order system

定義輸出誤差為

設計參數為θ，｜θ｜＜1，有

式中，W為嚴格正實，要求系統滿足模型完全可跟隨條件，即

除要求｜θ｜＜1外，還要求

以Km＝－（am＋θ）K，則Ku＝bmK，模型可跟隨條件變形為

當bp≠0時，上式有解，模型完全可跟隨條件自動滿足，實際可調參數只有兩個，因此對式（4）取z變換得

由于z／（z－θ）對應1／（s＋α），為嚴正實函數，W（z）／ε（z）的嚴正實性取決于bp的符號，補償器D應為

3 仿真與實驗

電液力伺服系統傳遞函數是零型三階系統，根據文獻［10－11］提供的參數可計算得出電液力伺服系統的開環傳遞函數為

為了便于分析，設電液伺服系統的傳遞函數為

其一階環節的轉角頻率為1rad／s，二階環節固有頻率約為15.3rad／s.取參考模型為

其轉角頻率為1rad／s，被控對象中固有頻率15.3rad／s的二階環節作為模外動態，采樣周期為0.8s，輸入方波信號周期為48s，幅值為1.在t＝160s時，過程輸出有一幅值為0.1的擾動.采用Simulink仿真［12］，結果如圖4所示.

仿真時Gp（s），Gm（s）均按帶有零階保持器的情況進行離散，過程和模型的離散傳遞函數為

另取參考模型為Gm（s）＝2／（s＋2），其轉角頻率為2rad／s，采樣周期為0.75s，過程和參考模型的離散傳遞函數為

圖4 方波信號輸入仿真圖Fig.4 Square wave signal input simulation

圖5 正弦信號輸入仿真圖Fig.5 Simulation of sinusoidal signal input

以正弦信號sin0.2t作為參考輸入，仿真結果如圖5所示.從圖4～圖5可以看出，上述一階系統算法對模外動態和外加干擾都不敏感，系統的曲線與模型所表示的線性系統曲線非常接近，具有良好的跟隨精度.

彈性負載的一種典型代表就是車用鋼板彈簧，車用鋼板彈簧由多層鋼板疊合，板簧的剛度是非線性變化的，所以彈性構件的實際彈簧剛度并非常數.

文中選擇5Hz，10Hz和20Hz的頻率進行了采用模型跟隨自適應算法前后的力伺服控制實驗.實驗中，試件預緊力為1 200N，力幅值為600N.實驗結果顯示，采用自適應方法前波形失真度分別為40%，55.6%和76.3%，采用該方法后波形失真度分別為9.3%，14.8%和6.3%，電液力伺服系統力輸出波形失真問題得到改善，取得良好的控制效果.

4 結束語

一

階參考模型跟隨自適應控制算法對模外動態和外加干擾都不敏感，可以抑制不確定性因素對系統的影響，保證受控系統響應特性與參考模型動態性能的一致性，對于改善電液力伺服系統力輸出波形失真的問題，取得了良好的效果.

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編輯、校對：趙 放

Control method of electro－hydraulic force servo system model

WANG Tao，MA Xunming，LIU Xia，QI Xueting
（School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi′an Polytechnic University，Xi′an 710048，China）

The electro hydraulic servo system with elastic load has a nonlinear problem.To solve the problem，firstly，laminated spring force servo control system was taken as the object of study，the control system of electro－hydraulic force servo control system was designed.Secondly，with first－order reference model algorithms taking as control strategy，Simulation analysis of the system was carried out.Finally，spring force servo control system was tested.This method is insensitive to the external dynamics and the external interference，the influence of the uncertainties on the system can be restrained，and it has high dynamic tracking performance.

first－order reference model；adaptive model following control；electro－hydraulic force servo control system

TP 273.2

A

1674－649X（2015）05－0589－05

10.13338／j.issn.1674－649x.2015.05.013

2015－06－11

馬訓鳴（1963—），男，陜西省渭南市人，西安工程大學教授，研究方向為機電控制.E－mail：1538719183＠qq.com