崔世明

中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院 山西 太原 030006

1 技術(shù)特征與工作原理

本文介紹的是閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器位置控制技術(shù)，該技術(shù)充分發(fā)揮液壓系統(tǒng)與電動缸系統(tǒng)的優(yōu)勢，用閉式泵控液壓馬達(dá)取代電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠，在保證系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，同時間距運(yùn)行穩(wěn)定、效率高等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1所介紹的系統(tǒng)架構(gòu)，整個閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器控制系統(tǒng)主要包括馬達(dá)變量泵以及減速裝置等組成。在該結(jié)構(gòu)運(yùn)行期間，換向閥可以控制變量缸運(yùn)動，在變量缸中的活塞桿可控制變量泵調(diào)整排量，進(jìn)而控制馬達(dá)的運(yùn)行功率與方向。以活塞桿阻抗伸出的過程為例，馬達(dá)在減速器的作用下降轉(zhuǎn)矩傳遞至絲桿，但是因?yàn)榻z桿被固定，因此在力傳遞后只能沿著軸線方向做螺旋運(yùn)動而無法向右移動。在這種特殊的運(yùn)動模式下滾珠沿著絲桿做螺紋運(yùn)動，帶動螺母做直線運(yùn)動，最終控制伸縮桿的運(yùn)動過程[1]。在本次設(shè)計(jì)中，為確保動力源劑量維持在高效工作區(qū)，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通過安裝在位置控制系統(tǒng)上的傳感器獲得位置信號，通過位置信號反饋判斷液壓控制裝置的運(yùn)行位置是否符合運(yùn)動控制指令。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的設(shè)置

2.1 滑膜變結(jié)構(gòu)控制理論

滑模變結(jié)構(gòu)控制理論在實(shí)際上屬于非線性控制模式，主要表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性，這種控制策略的主要特征，就是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不恒定性，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該方法可以從機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的動態(tài)過程入手分析系統(tǒng)功能變化，根據(jù)運(yùn)行工況調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)后，使系統(tǒng)恢復(fù)至“滑動模態(tài)”的運(yùn)行軌跡。

為深入了解閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器控制系統(tǒng)的位置控制特征，本文在綜合考慮穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上構(gòu)建自適應(yīng)控制武器，通過滑膜變結(jié)構(gòu)控制的方法，根據(jù)機(jī)械運(yùn)動的狀態(tài)持續(xù)切換裝置的運(yùn)動控制變量，確保機(jī)械可以不斷切換控制變量做非線性控制[2]。在數(shù)據(jù)處理中，通過滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)之間連續(xù)切換函數(shù)的方法，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)滿足切換函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)即可從一個結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€結(jié)構(gòu)，并且任何形態(tài)下的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化也往往伴隨著不同程度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化。這種滑膜同時因?yàn)榛Ｃ婵梢宰灾髟O(shè)計(jì)，并且其運(yùn)動過程與對象參數(shù)擾動因素?zé)o關(guān)，因此可以確保整個滑膜控制過程具有良好的反應(yīng)速度，該方法與擾動與參數(shù)無關(guān)，確保系統(tǒng)滑膜運(yùn)動下具有理想的魯棒性。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該控制模式具有物理實(shí)現(xiàn)簡單以及反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 模型實(shí)現(xiàn)

2.2.1 非線性系統(tǒng)線性化方法。在該模型運(yùn)算中，根據(jù)非線性系統(tǒng)的特性將其改造成通用方程，整個方程的結(jié)構(gòu)如公式（1）所示：

在公式（1）的基礎(chǔ)上，在確保機(jī)械設(shè)備位置可控的情況下，設(shè)備運(yùn)行控制系統(tǒng)可以時刻輸出的控制信號，并且在上述信號傳播過程中同時存在可控制的輸入信號因此通過該方法可以確保信號驅(qū)動后系統(tǒng)可以輸出預(yù)期的數(shù)據(jù)值。

因此本文所建立的非線性數(shù)據(jù)模型類似于數(shù)據(jù)組織形式，通過采取數(shù)據(jù)驅(qū)動的控制方法可以組織、整理系統(tǒng)輸入與輸出數(shù)據(jù)，通過從其中挖掘數(shù)據(jù)信息的控制規(guī)律后，再將其整合為數(shù)據(jù)模型，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化規(guī)律識別機(jī)械設(shè)備的位置控制特性。

2.2.2 數(shù)據(jù)模型的控制規(guī)律。考慮到閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器行為控制的特殊性，通過自適應(yīng)控制方法生成系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)。此時數(shù)據(jù)模型的控制規(guī)律的目標(biāo)函數(shù)如公式（2）所示：

2.2.3 裝置運(yùn)行狀態(tài)處理。在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)處理中，在保證穩(wěn)定電信號輸入結(jié)果的基礎(chǔ)上，本次數(shù)據(jù)處理中按照方向閥的位移值輸出關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其函數(shù)表達(dá)方式如公式（3）所示：

在公式（3）的基礎(chǔ)上，考慮到閥芯的位移變化情況，在閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器運(yùn)動過程中為滿足變量缸活塞桿位移至控制設(shè)備的傳遞函數(shù)值。

2.2.4 仿真驗(yàn)證。為驗(yàn)證本次仿真結(jié)果的合理性，本文將在免疫離子群算法的基礎(chǔ)上，通過P-MFAC控制器模式，通過橫向?qū)Ρ鹊姆椒ㄅ袛喔黝悢?shù)據(jù)的合理性，并且在縱向上通過手動調(diào)整參數(shù)的P-MFAC控制器，通過MATLAB編寫的算法來描述P-MFAC控制器的參數(shù)優(yōu)化情況[3]。

在參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，通過設(shè)置500次最大迭代次數(shù)，假設(shè)慣性權(quán)重因子0.75，學(xué)習(xí)因子0.5，初始群體個體數(shù)量為50。采用上文采用的方法對P-MFAC控制器進(jìn)行離線優(yōu)化，取最大優(yōu)化次數(shù)為20次，即同一種優(yōu)化算法將被重復(fù)運(yùn)行20次得到20組優(yōu)化結(jié)果，通過這種方法可以尋找到最滿意的數(shù)據(jù)結(jié)果。而當(dāng)同一種優(yōu)化算法將重復(fù)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化之后，獲得最優(yōu)解集。整個數(shù)據(jù)計(jì)算過程以“算法達(dá)到最大優(yōu)化次數(shù)”為終止標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)確定實(shí)現(xiàn)最大次數(shù)優(yōu)化后即可終止設(shè)計(jì)。根據(jù)上述仿真驗(yàn)證的處理結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本文所介紹的閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器位置控制方法具有技術(shù)優(yōu)勢；當(dāng)調(diào)節(jié)誤差為2%時，其調(diào)節(jié)時間為23ms，最大超調(diào)量為0.64%，穩(wěn)態(tài)誤差值＜10-3，這一結(jié)果說明模型控制方案具有技術(shù)可行性。

3 系統(tǒng)仿真測試

3.1 仿真測試條件

在本次系統(tǒng)仿真中，采用絕對值編碼器檢測馬達(dá)轉(zhuǎn)過的角度，其轉(zhuǎn)角對應(yīng)的活塞桿位置不同，在數(shù)據(jù)處理中通過與目標(biāo)位置的對比后，減少偏差信號值。為驗(yàn)證本文所介紹的閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器功能的合理性，采用動態(tài)位置控制特性，并且本次仿真試驗(yàn)結(jié)果選擇在數(shù)據(jù)模型中簡化裝置運(yùn)動控制過程，最終以簡化后的物理模型實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程的仿真。本次系統(tǒng)仿真的條件如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真條件數(shù)據(jù)表

系統(tǒng)仿真過程中設(shè)計(jì)外負(fù)載力為20kN，在機(jī)械設(shè)備方向不發(fā)生改變的情況下，機(jī)械設(shè)備的接受常值荷載；本次設(shè)計(jì)中馬達(dá)與變量泵的容積效率為0.9，機(jī)械效率為0.9。

3.2 時域分析

在系統(tǒng)仿真視域分析中，仿真測試內(nèi)容包括：

3.2.1 當(dāng)輸入信號為階躍信號時，1s目標(biāo)位置上升至100mm，從上述系統(tǒng)裝置運(yùn)行過程可以發(fā)現(xiàn)，在1s時間內(nèi)系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速、平穩(wěn)的特征；隨著時間的推移，裝置進(jìn)一步抬升，直至1.4s時抵達(dá)最大值，系統(tǒng)經(jīng)歷短暫振蕩后恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。同時系統(tǒng)超調(diào)量小，檢測結(jié)果顯示系統(tǒng)的最大超調(diào)量控制在1.28～1.30mm之間，穩(wěn)態(tài)誤差值幾乎為0。

根據(jù)本次仿真曲線的數(shù)據(jù)檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器系統(tǒng)在負(fù)載系統(tǒng)中單純采用PD控制器后則難以消除其中的數(shù)據(jù)誤差，但是控制器的積分項(xiàng)有助于消除誤差，提示該技術(shù)方案具有可行性。同時從本次閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器運(yùn)行控制過程可以發(fā)現(xiàn)，積分時間常數(shù)偏低或者積分作用強(qiáng)的問題會導(dǎo)致超調(diào)量問題發(fā)生，最終導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)整時間延長；相比之下，采用增加積分時間的方法有助于減少超調(diào)量，并且本次仿真中也證實(shí)該方法可以消除各類數(shù)據(jù)誤差，提升數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度。

3.2.3 通過將輸入信號更正為正弦信號后，將閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器系統(tǒng)仿真條件設(shè)置為頻率0.1Hz，幅值50mm，系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)仿真數(shù)據(jù)證明，系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)，活塞桿的位置曲線變化平緩，幾乎無超調(diào)，能夠很好地跟蹤正弦信號的變化。這一結(jié)果也證明，上述仿真設(shè)計(jì)結(jié)果具有可行性。

4 結(jié)束語

根據(jù)上述仿真結(jié)果可以認(rèn)為，本文所介紹的閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器在性能上具有優(yōu)勢，該裝置在閉環(huán)位置控制特性受負(fù)載干擾變化的影響小，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)動狀態(tài)下，其面對負(fù)載的隨機(jī)變化不明顯，這一結(jié)果也證明整個閉式泵控新型液壓-機(jī)械執(zhí)行器控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。