基于偏差—环形耦合的多通道液压伺服系统同步控制

    刘芳璇　李益民　崔晶

    摘 要：为研究多通道参数不同的液压系统在工况中的同步性能，以液压控制机构原理为基础，提出了在偏差-环形耦合控制方式下采用猫群算法对控制参数进行优化的同步控制方案。相比偏差耦合同步控制策略，采用偏差-环形耦合优化后的系统应用于同步控制时，具有良好的抗干扰性和同步控制精度，能够实现输入信号的跟踪控制。

    关键词：同步控制；猫群算法；偏差耦合；偏差-环形耦合

    0 引言

    在多通道液压控制系统中，采用算法优化控制参数可有效提升液压系统运行时的动态响应指标及抗扰性能，结合一定的控制策略，可以实现多通道液压系统的同步控制。对于优化算法，可选用文献[1]中优化火箭炮泵控缸位置伺服系统参数时所采用的BP神经网络，文献[2]中应用于优化煤矿井下工作面所采用的自适应遗传算法，而文献[3]中将粒子群算法应用于多弧离子镀膜温度控制中，文献[4]则采用蚁群算法对PID参数进行二次优化，文献[5]则采用一种比较新颖的猫群算法进行图像分类的研究。实际上，该算法也可应用于控制参数的整定，本文将会对此方面的应用展开研究。

    复杂系统控制对象内部常包含非线性，变负载及时变性，单一的控制策略只能应对其中某种特性，而若需要对系统中每个特性都能加以控制，则需要同时应用多种控制策略。因此，本文融合了偏差耦合及环形耦合控制策略，在此基础上研究了多通道不同参数的伺服阀-液压马达位置控制系统的同步性能，对每个伺服阀、液压马达的控制参数采用猫群算法进行优化，并与采用偏差耦合控制策略的系统优化结果进行比较。由仿真结果可知，采用偏差-环形耦合控制策略的液压控制系统对单位阶跃信号响应快速，无超调，并具有良好的抗干扰性和同步控制精度。

    1 多通道液压控制系统

    系统由指令装置、伺服阀、液压马达、减速齿轮、滚珠丝杠等五部分构成。工作机理如下：当指令装置接收到经由信号通道的外部控制信号，经比例放大后驱动电液伺服阀，带动液压马达阀芯做往复运动，通过控制液压马达进出口阀门的开闭而控制液压马达负载端的运动，通过带动减速装置及滚珠丝杠控制工作台的进给。

    猫群算法将控制参数的组合作为解空间的个体，根据适应度函数计算每一组参数的适应度值，通过搜寻模式和跟踪模式对猫群位置进行寻优，迭代生成新个体，通过与旧个体进行比较确定符合性能指标的最优个体，对应可得控制参数的最优解。采用自适应猫群算法分别对每个通道的伺服阀、液压马达和位移反馈三个闭环环节的控制参数进行优化。采用实数编码，加入滤波小组，以降低初始局部收敛的概率；采用半扫描筛选方式筛选初始种群，防止比例系数加大引起超调量的增加；采用联赛法进行选择操作；构造动态自适应单点交叉概率与自适应变异概率，并辅以精英策略和保优运算。为获取满意的过渡过程动态特性，采用ITAE性能指标作为参数选择的最小目标函数。

    2 仿真分析

    为验证设计控制效果，针对工作台电-液位置伺服系统进行了仿真研究。采用猫群算法对每个通道的相关PID控制参数进行优化。三通道液压控制系统在单位阶跃信号作用下，分别选用偏差耦合、偏差-环形耦合同步控制策略，并在15秒时引入幅值为10000的负载扰动，取适当的耦合系数，并设定误差限△=0.02，得系统的跟踪响应曲线如图1所示。

    由图1可知，当系统采用偏差耦合控制策略时，约在3.5秒时达到稳态。加入扰动后，约在15.6秒时恢复稳态；采用偏差-环形耦合控制策略时，上升时间、调整时间等动态指标虽无明显变化，但跟踪曲线间距更为均匀。加入扰动后，约在15.3秒时达到稳态。相比之下，采用偏差-环形耦合控制策略的系统扰动恢复时间缩短了0.3秒，各通道之间的同步误差近似相等；系统响应无超调量，并能够对输入信号实现无偏跟踪，抗扰动性能较好。

    参考文献：

    [1]高强， 金勇， 王力， 等. 泵控缸电液位置伺服系统建模研究[J]. 兵工学报， 2011.32（8）： 950-956.

    [2]张晓光， 阮殿旭， 刘旭东. 基于自适应在线遗传PID的监测网络拓扑控制研究[J]. 中国矿业大学学报， 2012，41（1）：95-101.

    [3]胡志超， 凌云. 基于粒子群优化的多弧离子镀膜温度控制模糊系统[J]. 湖南工业大学学报， 2011，25（5）：74-79.

    [4]陈洋， 涂琴， 张海如. 基于蚁群算法的PID参数的二次整定和优化[J]. 微计算机信息， 2009，25（04-1）：59-61.

    [5]王光彪， 杨淑莹， 冯帆， 等. 基于猫群算法的图像分类研究[J]. 天津理工大学学报，2011，27（05）：35-39.