基于迭代学习控制的电液力控制系统

2015-03-15万金鑫麦云飞

通信电源技术 2015年6期

万金鑫，麦云飞

（上海理工大学机械工程学院，上海200093）

0 引言

电液力控制系统是液压控制系统中的一个重要组成部分，由于其具有体积小，控制精度高，响应速度快，功率大，结构紧凑，适应性好，过载保护容易等优点，在工程中得到了广泛的应用。例如材料试验机、负载模拟器、振动台、结构疲劳试验系统等，都属于力控制系统。然而，电液力控制系统是典型的机、电、液一体化耦合的复杂系统，同一般的控制系统相比，存在非线性、参数时变，以及外界干扰引起的不确定性等因素［1］。

对于电液力控制策略，传统的方法是采用PID控制，但随着时代的进步，科技的飞速发展，生产自动化水平的提高，对力控制的动静态精度、使用指标等性能指标提出越来越高的要求［2］，本文在前人研究的基础上，将迭代学习控制应用到电液力控制系统当中，从而达到进一步改善系统的目的。

1 电液力控制系统数学模型

1.1 系统组成及工作原理

本文所研究的电液力控制系统如图1所示，该系统主要由伺服放大器、电液伺服阀、液压缸、力传感器以及负载系统构成。

图1 电液力控制系统原理图

当力控制信号ur与力传感器的反馈信号uf不等时，伺服放大器输出偏差电流i，控制电液伺服阀，电液伺服阀输出流量和压力，推动液压缸输出液压力Fg，当ur与uf相等时，液压缸的输出液压力Fg被控制在某一期望的输出力上。

1.2 系统传递函数

偏差电压信号为：

式中，Ur为指令电压信号；Uf为反馈信号。

伺服放大器动态可以忽略，控制电流信号

力传感器方程

式中，Ff为力传感器增益；Fg为液压缸输出力。

伺服阀传递函数可表示为

式中，Ksv为伺服阀增益；Tsv为伺服阀时间常数。

负载压降对伺服阀位移的传递函数为

式中，ωm为机械固有频率；ωr为转折频率；ω0为液压弹簧与机械弹簧构成的固有频率；ζm为机械阻尼比；ζ0为液压与机械阻尼比为总的压力增益。

力平衡方程为

式中，mc为负载质量；Bc为阻尼系数；Kc为负载弹簧刚度；FL为干扰力。

则由以上基本方程，可绘出驱动力控制系统方框图如图2所示。

图2 电液力控制系统方框图

由图可以直接写出驱动力控制系统开环传递函数为

令K=AKaKsvKf，a0=ω20ωrωsv，a1=ω20+2ζ0ω0ωr+2ζ0ω0ωrωsv+ω20ωrωsv，a2=ω20+2ζ0ω0ωr+2ζωωω+ωω ，a=ω+ω+ω，b=1，b=，00rsvrsv30svr01b2=，b3=0

则系统的闭环传递函数写成标准的形式为

2 迭代学习控制算法

迭代学习控制是智能控制中具有严格数学描述的一个分支，它以极简单的学习算法，在给定的时间区间上实现未知被控对象以任意精度跟踪一给定的期望轨迹这样一个复杂的问题。控制器在运行过程中不需要辨识系统的参数，属于基于品质的自学习控制，特别适合于具有重复运行的场合［4］。

迭代学习控制分为开环学习和闭环学习，开环迭代学习只利用了系统前次运行的信息，而闭环迭代学习则在利用系统当前运行信息改善控制性能的同时，舍弃了系统前次运行的信息。本文采用开环迭代学习控制［5］，其控制原理图如图3所示，只需改变迭代学习控制器中的算法，可实现不同的控制方案。

图3 开环PID迭代学习控制的结构图

3 仿真分析

3.1 仿真模型

在开环PID学习律中，当不考虑积分的作用时，可以得到PD的学习律，其表达式为：uk+1（t）=uk（t）+Lek（t）+T˙ek（t），其中ek（t）为系统的输出误差，L、T为学习增益矩阵。取K=30 1／s，ωm=80 rad／s，ω0=340 rad／s，ωr=1 rad／s，ωsv=1 000 rad／s，ζm=0.15，ζ0=0.1，Kp=1，Kd=0.005。图4为PD控制器仿真结构图，图5为系统整体仿真结构图。