PID控制器在电液伺服系统中的应用

第24卷 第3期 湖 南 城 市 学 院 学 报 （自然科学版） V ol. 24 No.32015年9月 JOURNAL OF HUNAN CITY UNIVERSITY （Natural Science ） Sep. 2015PID 控制器在电液伺服系统中的应用吴明华（安徽交通职业技术学院，安徽 合肥 230001）摘 要：根据电液位置伺服系统的工作原理和组成，建立了系统的数学模型。

为了满足电液位置伺服系统多变性、不确定性和强负载干扰的特点，设计了单神经元自适应PID 控制器。

仿真结果表明系统响应速度快，稳态误差小，实时的在线调节PID 参数，控制效果良好。

关键词：电液位置伺服系统；自适应PID 控制；单神经元；仿真中图分类号：TH411 文献标识码：A doi: 10.3969/j.issn.1672-7304.2015.03.066 文章编号：1672–7304(2015)03–0159–02电液位置伺服系统实际应用中由于液压系统本身参数变化(如系统中的温度、粘度、阀口位置等变化)以及作动筒受气动载荷变化等因素都会对控制系统的性能产生影响。

PID 控制由于算法简单，稳定性能好，可靠性高等优点在工业应用中十分广泛。

PID 控制器的控制效果好坏取决于PID 参数的整定。

这里存在着两个问题：第一：系统的数学模型与实际系统的动态性能有差距；第二：Ziegler-Nichols 设计法是半经验式的，往往不能满足不同系统的不同要求，很难适应电液位置伺服系统的多变性、不确定性和强负载干扰。

传统的PID 调节器和单神经元结合，能够在一定程度上解决传统PID 调节器很难在线实时整定参数、不易对大多复杂过程和参数时变系统做出形而有效的控制的不足的缺点。

以此为基础设计出了单神经元自适应PID 控制器，为解决电液伺服位置系统控制提供了一种可行的方法。

1 电液位置伺服系统的建模如图1示：主要由位置传感器、伺服放大器、液压缸和伺服阀以及控制器构成电液位置伺服系统。

R 是给定值，Y 是液压缸输出位移，Y 通过位置传感变送器和R 作比较，得出误差信号[1]。

技术要求：工作台重量1000m kg =；最大行程50S cm =；最高速度8/v cm s =；总负载力3500F N =；频带宽度315dB f Hz -=；供油压力 6.3s P MPa =。

在只考虑负载惯量和油液弹性的情况下, 采用的系统频宽相对较窄、电液伺服阀的固有频率相对较高的时候，电液伺服阀能够近似为比例环节[2]，电液位置伺服系统开环传递函数为：22(21)hh h hK G sss ξωω=++ （1）其中，液压固有频率h ω=，液压阻尼22c h tK mA ξω=，开环增益/h a q f t K K K K A =图1 电液位置伺服系统（1）液压缸面积t A ：负载压力L P 取供油压力的23则：238.32t L sF F A cm P P === （2） 液压缸两腔总容积[3]：2415t t V A S cm == （3）取油液弹性模量27000/e kgf cm β=，伺服阀流量压力系数50.278/()c K cm s N = 则：67/h rad s ω=，0.138ξ= （4）（2）电液伺服阀的流量增益q K ：选择QDY2—C10A 型号的电液伺服阀，由手册得额定流量10/min n Q L =，额定电流10n I mA =，频宽160Hz >，则：/1/(min )q n n K Q I L mA == （5）（3）位移传感器增益f K ：设指令电平为10n V V =±，对应的行程为：作者简介：吴明华（1982-），女，安徽合肥人，讲师，研究方向：机械工程。

湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版） 2004年第1期160/225L S cm =±=±则： /0.4/f n K V L V cm == （6）4) 电子伺服放大器增益a K ：由劳斯稳定判据得23/a K mA V ≤=，则：16.8/h K rad s = （7）（4）、（7）代人（2）得系统的开环传递函数222()(21)75415(184489)hh hhK G s sss s s s ξωω=++=++ （8）2 单神经元自适应PID 控制原理单神经元自适应PID 控制系统图见图2。

r ()p G s图2 单神经元自适应PID 控制系统图里转换器的输入设定值()r k 与输出()y k 的差，转换器的输出是神经元学习控制所需要的状态量1x 、2x 、3x 。

123()()()()()()()()2(1)(2)x k r k y k e k x k e k x k e k e k e k =-=⎫⎪=∆⎬⎪=--+-⎭（９） 1()()()()()z k x k r k y k e k ==-=是性能指标与递进信号，因性能指标函数里有输出误差平方项，所以很容易出现为了满足性能指标函数所造成控制增量过大的情况，这种情况在实际控制中大多是不允许出现的。

所以运用二次型性能指标[5]去计算控制率能够获得所期望的优化效果，采用最优控制中二次型性能指标的思维，在加权系数调整过程中采用二次型性能指标，间接完成对输出误差和控制增量加权的约束控制[4]。

性能指标假设是：221(){(()())()}2E k P r k y k Q u k =-+∆（10）Q ，P ，依次为控制增量的加权系数与输出误差，()y k ，()r k 是k 时刻的参考输出与输入。

神经元输出是：31()(1)()()i i i u k u k K w k x k ==-+∑31()()/()i i i i w k w k w k ==∑ (1,2,3)i =3110111()(1)()()(()())()I i i i w k w k K Pb z k x k QK w k x k x k η=⎡⎤=-+-⎢⎥⎣⎦∑3220221()(1)()()(()())()P i i i w k w k K Pb z k x k QK w k x k x k η=⎡⎤=-+-⎢⎥⎣⎦∑3330331()(1)()()(()())()D i i i w k w k K Pb z k x k QK w k x k x k η=⎡⎤=-+-⎢⎥⎣⎦∑（11）K 是神经元比例系数，0K >。

对比例P 、微分D 以及积分I 依次采用不同的学习速率P η、D η、I η，由算法可见，单神经元自适应PID 控制器的本质是PID 算法，但三个系数1()w k 、2()w k 、3()w k 在线调整，同时还加有适应机构K 在线调整控制量，因此具有较强的自学习和自适应能力，可以适应环境的变化或模型的不确定性，增强系统的鲁棒性[6]。

3 系统动态性能仿真结合式(8)表达的电液位置伺服系统数学模型，仿真的时候取K =0.02，P =2，Q =1，微分、积分、比例三部分加权系数学习速率依次取D η=30，P η=20，I η=5，1(0)w 、2(0)w 、3(0)w 取随机数。

分别对系统进行了位置跟踪和余弦跟踪，如图（3）和图（4）所示，在位置跟踪中外加了负载干扰。

结果表明, 采用单神经元自适应PID 控制，系统响应速度快，稳态误差小，PID 参数可以在线调整，具有良好的控制性和抗干扰性。

时间（Sec ）系统输入、输出参数W 1参数W 2时间（Sec ）参数W 3（a ）系统阶跃响应曲线（外加干扰）（b ）PID 控制过程中权值变化图3 单神经元自适应PID 位置跟踪时间（Sec ）系统输入、输出参数W 1参数W 2时间（Sec ）参数W 3（a ）系统余弦响应曲线 （b ）单神经元PID 控制过程中权值变化图4 单神经元自适应PID 余弦跟踪（下转第179页）何忠菊，张金邦：多媒体模拟化学实验方法及其实现第24卷179有一定的优势，但其终归是模拟，还有诸多的地方无法发挥真实试验的作用。

计算机模拟并不能完全代替实践操作实验，因为多媒体没有情感，教育者不管怎样精心设计课件，都无法激起学生的情感共鸣，无法培养学生在实验中的思维能力、操作能力、观察能力，意思学生的毅力、情绪等品质。

参考文献：[1]黄永忠. 信息网络环境下化学多媒体教学实验研究[D]. 长沙:湖南师范大学, 2001.[2]汪晓勇. 多媒体技术对化学教学的作用[D]. 上海: 上海师范大学, 2011.[3]程作慧, 杜慧玲, 张金桐. 多媒体化学教学的优势与问题分析[J]. 山西农业大学学报(社会科学版), 2011(04): 357-359+363.Multimedia simulation of chemical experiment method and itsimplementationHE Zhong-ju, ZHANG Jin-bang(Bozhou vocational and technical college, Bozhou Anhui 236800)Abstract: The chemical science is for material composition, properties, structure and its change law in-depth analysis and study. The multimedia simulation chemistry experiment, which can solve the leak shortcoming of the traditional teaching, can make the abstract knowledge visualization, improve teaching efficiency and stimulate students' interest in learning.Key words: multimedia; Simulation of chemical experiment; Higher vocational education; Chemistry teaching（责任编辑：廖建勇）（上接第160页）4 结论因为电液位置伺服系统具有比较严重的参数时变性、非线性以及外负载干扰，因此开发与研究先进的控制策略对近代电液伺服控制的发展具有非常重要的作用。

简单实用的单神经元自适应PID控制器算法能够满足适应电液位置伺服系统的多变性、不确定性和强负载干扰，是一种可行的控制策略。

参考文献：[1]肖体兵, 吴百海. 高精度电液比例阀控缸位置伺服系统控制器的设计[J]. 机床与液压, 2005(11): 53-55.[2]邵俊鹏, 韩桂华, 董玉红, 等. 电液位置伺服系统模型辨识及其控制方法[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2008(2): 333-337.[3]李宏伟, 宋晓燕. 电液位置闭环采样控制系统的建模与仿真[J]. 工矿自动化, 2009(11): 56-58.[4]赵勇. 单神经元自适应PID算法在液位控制系统中的应用[J]，西安邮电学院学报, V ol.14 No. 3: 52-54.[5]王锐, 赵昊阳. 船用舵机电液伺服单元单神经元自适应PID控制的研究[J], 齐齐哈尔大学学报,V ol.25, No.5:2-4.[6]刘学军. 单神经元PID控制的防摆定位系统[J]. 微计算机信息, 2007 (12): 65-66.Application of Single Neuron Adaptive PID Controlin Electro-hydraulic Position Servo SystemWU Ming-hua（Anhui Communications V ocational & Technical College,Hefei Anhui 232001）Abstract: According to the composition and principle of Electro-hydraulic position servo control system ,the mathematic model was built. For adapting to characteristics of polytropy uncertainty and load interference,The Single Neuron Adaptive PID Controller was designed. The simulation results show that the system not only has good control effect with fast response speed and small static error but also tune PID parameters in real time on line.Keywords: Electro-hydraulic Position Servo System; Adaptive PID Control; Single Neuron；simulatio（责任编辑：张洪玮）。