液压伺服系统智能PID控制

ｓｙｓｔｅｍ ｍｕｓｔ ｂｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｔｏ ｈａｒｄ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ．Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆｌｏａｄ ｈａｓ ａ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ，ａｎｄ
ａｌｓｏ ｗｉｔｈ ｖｅｒｙ ｓｔｒｏｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｍｏｍｅｎｔ．Ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ
随着我国现代化建设的向前推动，随动系统在我国工农业生产、国防与科学 技术各个部门越来越得到广泛的运用。广泛采用随动系统，既节省人力，又提高 效率和工作质量。
液压传动与控制是以液体（油、高水基液压油、合成液体）作为介质来实现 各种机械量（力、位移或速度等）的传递。
液压传动与单纯的机械传动、电气传动和气压传动相比，具有传递功率大、 结构紧凑、体积小重量轻等特点．因而被广泛运用于各种机械设备及精密的自动 控制系统中。
首先，改进了ＰＸ．８电液伺服系统的硬件。主要工作是选用性能更加优异的信号 反馈元器件和电子元器件，重新设计了伺服放大器。伺服放大器的主要功能是将计算 机的控制信号按照系统需要的丌坏增益放大，具有足够的能力推动执行机构运行，还 能完成速度、加速度、角度位置反馈信号的检测和调整。同时，还设计完成了一些辅
本文改进了Ｐｘ一８电液伺服系统，对伺服放大器进行了重新设计。考虑到系统在 工作中，常规ＰＩＤ控制方法难于获得始终良好的控制效果，本文尝试了一种基于遗传 算法和神经网络的智能ＰＩＤ控制方法，并进行了系统仿真和实验台实验研究。
仿真和实验结果表明，本文所提出的智能控制方法具有很好的自适应性和鲁棒 性，可以有效的抑制负载变化和外界干扰对系统的不利影响，具有较好的控制效果。
在控制理论方面，伺服系统的智能控制理论系统是一门跨学科、需要多学科提供 基础支持的技术科学，因而智能控制系统必然是一个综合集成智能系统。当前，国内 外智能控制技术研究领域主要分为以下几类：
１．符号处理与数值计算的结合
硕１‘论文
液胝伺服系统智能ＰＩＤ控制
专家控制是这种情形的典型例子，它的上层是专家系统，采用符号表达和知识推 理的方法，下层是传统的控制系统，采用的仍是常规数值计算．因此在整个控制系统 中所用的数学工具是两种方法的结合。
过去凝专“年来，对线性、嚣时变和具有不确定参数靛对象进行瓣议和鑫适应控制 静磅突避淑褥了缀大逶震。对予ｊ≥线性系统静瓣谖稳强适应控铡闻越，往往鬻要有关 被辨谈系统的结构形式等各种先骏知识和假设，因此，它们基本上是针对浆些特殊非 线性系统而进行的。如何进行确效地菲线性模型辨识，一直为人们所关注。
？Ｏ年代末，控制理论向着“大系统理论”和“智能控制”方向段鼹，前者楚 控制理论在广发上的开拓，压者憝控制理论在深度上的挖掘。“大系统理论”是掰
南京理工大学 硕士学位论文 液压伺服系统智能PID控制 姓名：江小平 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：陈机林
20030301
坝Ｉ‘论义
液慷伺服系统智能ＰＩＤ控制
摘要
现代武器系统对伺服控制系统的快速性、准确性和稳定性提｝｛＿：；了很高要求，同时 系统还必须对恶劣环境有较强的适应能力。由于武器系统的负载转动惯量和阻力矩变 化大，并且存在很强的干扰力矩作用，系统的模型参数变化很大。
液压能源
图１．１．１ 液压伺服系统的构成
由液压动力装置作为驱动元件所构成的伺服系统叫液压伺服系统。液压伺服 系统一般由偏差检测装置、转换放大装置（包括能源装置）、执行机构和控制对象 四个部分组成。
液压伺服系统与其他类型的伺服系统相比，具有许多优点。它的功率一重量
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ｖｅｒｙ ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｏｂｕｓｔ，ｉｔ Ｃａｌｌ ｉｎｈｉｂｉｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓ ｃａｕｓｅｄ姆ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃｈａｎｇｅ
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ａｎｄ ｓａｔｉｓｌｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ，Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，
古典控制理论主要是解决单输入单输出问题，藏要采用传递函数、频率特性、 根轨迹为基础的频率分析方法。所研究的系统多半怒线性定常系统，对非线性系 统，分析时采用的糨平西法～般也不超过两个变羹，古典控制理论能够缀好地解 决堂产过程中鹣攀输入擎输蹬目蔻。
由于计算梳的飞速发震，推动了空闻技术的发袋。古典控制遴论中的高阶微 分方程可转化为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即所谓的状态空间 法。这种方法可以解决多输入多输出问题，系统可以是线性的、定常的，也可以 是非线性、时燮魏。
长期以来，交流伺服电机控制特性的缺陷和控制方法的复杂，一直是制约交流伺 服系统发展的障碍。近年来，随着电子技术的发展，交流电机控制理论的完善，特别 是计算机技术和微电子技术的发展，永磁交流伺服系统的研制已成为电气传动领域的 热点，交流随动系统大有取代直流伺服系统的趋势。
与电气伺服系统相比，电液伺服系统输出功率大、抗负载刚度大等突出优点。通 过油管，能量的传输非常方便。随着六七十年代有关电液伺服技术理论的日趋完善， 电液随动系统的应用达到了前所未有的高潮。以至在今天，在大功率伺服系统中，电 液系统仍占有重要地位。
随着控铡过程复杂性静提离，传统控铡理论的残璃嗣盏广泛。越是，传统控豢《壤 论的实鼯运用不鼹脱离被控对黎静数学模型。然蕊，柱多数情｝兔下，被黢ｊｃ尊象的数学 模型是不明了的。并且在难常运行期间，模型的参数魑变化的。因此，利用传统控制 理论去解决实际问题时，首先必须建立被控对象的数学模型。能否精确地建立被控对 象的数学模型，戏了传统控制联论能否成功运用予实际的关键之一。
回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代 进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能自动化时代。
１．３伺服系统智能控制国内外现状
在短短的几十年里，电气伺服系统经历了交磁扩大机一直流电动机系统、ＰＷＭ 控制直流系统和交流系统几个发展阶段。
早期扩大机伺服系统的驱动装置是交流电机扩大机，由于其频率响应差、电气时 间常数大、系统笨重和功率消耗大等缺点，除了一些特殊场合外，现己不再使用。
２．神经元网络以及模糊集理论 神经元网络以及模糊集理论是介于符号推理和数值计算之间的方法。神经元网络 通过简单的逻辑关系的组合可实现复杂的分类和决策功能，可以看成是一种介于逻辑 推理和数值计算之间的工具和方法。而模糊集理论形式上利用规则进行逻辑推理，但 其逻辑取值可在０与１之间连续变化，其处理的方法是基于数值的方法而非符号的方 法。由此可见神经网络和模糊集理论两种方法在某些方面（如逻辑关系不依赖于模型） 类似于人工智能的方法，而在另外一些方面（如连续取值、非线性动力学特性）则类似 于通常的数值算法即传统的控制理论的数学工具，由于它们介于符号逻辑和数值计算 两者之间，因而更有可能成为今后智能控制研究的主要数学工具，目前人们已将两者 联系在一起形成了模糊神经元控制和神经元模糊控制，同时又将专家系统渗入到模糊 理论和神经元网络中，形成了更为高级的智能控制系统。 ３．多学科的交叉研究 当前的智能控制方法已从单学科发展到多学科的交叉研究。应用领域也在不断拓 宽。目前在两个方面展开了大量的研究：一是智能方法之间的结合：二是智能控制与 传统控制的结合。如模糊逻辑与神经网络技术，利用神经网络的自学习自适应功能， 为模糊控制提供控制规则，而利用模糊控制具有的仿人决策推理能力完成对目标的控 制，两者相得益彰，功能进一步加强。智能方法与传统方法的结合，能取长补短，形 成更大的优势。
关键词：电液伺服系统，智能ＰＩＤ控制，遗传算法．人工神经网络
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ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｎａｔｉｏｎａｌ ｄｅｆｅｎｓｅｓ，ｔｈｅ ｓｐｅｅｄｉｎｅｓｓ，ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｍｕｓｔ ｈａｖｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ，ａｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ
七十年代以来，随着电力电子技术的突飞猛进，出现了全控型半导体器件，如可 关断晶闸管（ＧＴＯ）、大功率晶体管（ＧＴＲ）、场效应晶体管（ｐ－ＭＯＳＦＥＴ）和绝缘栅 双极型晶体管（ＩＧＢＴ）等，并向大容量、高频化、易驱动等方面发展，这使得脉宽 调制技术（ＰＷＭ）的广泛运用成为可能。同时，稀土永磁材料的发展与电机制造技 术的进步，给高性能伺服电动机研制创造了条件。
一——
滋移力矩一横羹跑犬，傍递载力（或力蹩＞秘凑察缀大。因嚣霉以缀黢毒搴积枣、
重墼轻、加遮能力强和快速韵｛乍的伺服系统。硝时，液雎执行元僻的响成速度快，
在伺服控制中采用液压执行元件可以使回路增益提高，频带加宽。由于油液的压
缩性很小，所以液压执行元件的刚度较高。除了这魃主要优点外，液愿控制系统
还具霄元件润滑牲好、寿命长：调速范围宽、低速稳定性好；借锄油镣，动力传
ｃｈａｎｇｅ ｗｉｄｅｌｙ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｅｓｓ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌｅｄ ＰＸ一８ ｗａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ
ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗａｓ ｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆｔｈｅ ｈａｒｄ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ，ｉｔ’Ｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔＯ ｏｂｔａｉｎ ｓａｔｉｓｆｉｅｄ ｒｅｓｕＲｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｉ ｍｅｔｈｏｄｓ，Ｓｏ ｌ搬嬲ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ＰＩＤ
１．４论文研究的主要内容
ＰＸ一８电液伺服系统是八十年代为某国防预研课题而设计的，在当时的控制理论 和实验设备支撑下，该系统能满足设计要求。但是，随着计算机技术和控制理论的发 展，当时的设计要求已经不能满足现代国防对伺服系统快速响应、高精度和大变负载 的要求。因此，在导师的指导下，对该系统进行了彻底的改进设计。