电液位置伺服系统的规则自校正模糊PID控制器

    电液位置伺服系统具有响应速度快、控制精度高、动态位置刚度和稳态刚度大、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于各种工业过程控制领域[1]。但是，液伺服系统是典型的非线性系统，存在不确定性、时变性、外界干扰和交叉耦合干扰，另外还受到如油液黏度、温度、现场工况等多种参量因素的影响[2 3]。采用传统的 PID 算法时，控制参数选择较困难，系统存在抗干扰能力低、超调量大等缺点；若只采用模糊控制算法，虽然能避免 PID 算法的某些不足，但仍存在稳态精度较低，动态性能欠佳，控制效果也很不理想等缺点[4 5]。模糊 PID 控制算法将模糊控制和 PID 控制相结合的方法，模糊控制规则在线调整 PID 控制器参数，构成模糊变系数 PID 控制器，既可以保留 PID 控制器没有静差的特点，又能获得模糊控制鲁棒性强的优点。然而，模糊控制规则是根据人们的经验总结出来的，往往具有一定的片面性，普通模糊控制器的控制规则一旦确定便不能改变，这就不能很好地适应系统动态特性的变化或随机干扰的影响，从而影响模糊控制的效果[6 8]。为此，本文作者在研究模糊 PID 控制器的基础上，对模糊控制器的结构进行改进，提出一种基于模糊控制规则自校正的模糊 PID 复合控制算法；利用实时工作间(RTW)的半物理仿真环境和 MATLAB 系统辨识工具箱，对电液位置伺服系统进行模型辨识；以辨识的模型为对象设计出电液位置伺服系统规则自校正模糊 PID 控制器，并在 MATLAB 下进行数字仿真。

    1 电液位置伺服系统的系统描述

    电液位置伺服系统原理方框图如图 1 所示。此系统是典型的阀控对称缸系统，主要由控制器、放大器、伺服阀、液压缸和位置传感器等组成。电液伺服阀的额定压力为 21 MPa；额定流量为 30 L/min；液压缸的额定压力21 MPa，行程为正负 100 mm；负载为 750 N；负载刚度 K 为 115~5 000 N/mm。图 1 中，R 为给定值，Y 为液压缸的位移。计算机向伺服阀输入控制信号，与位移传感器反馈信号进行比较，差值经控制器处理、放大给伺服阀以电流信号控制其开口，通过伺服阀的流量化来控制液压缸的位移，实现位置闭环控制。

    根据液压控制理论可推导电液位置伺服系统的数学模型，系统的简化传递函数为：

式中：Ka为伺服放大器比例增益；Kv为电液伺服阀流量增益；Kq为液压伺服缸的流量增益；Kf为位移传感器的电压 位移比例环节；ωk为液压缸液压固有频率；ξk为液压缸液压阻尼比；ωv为电液伺服阀的固有频率；ξv为伺服阀阻尼比；s 为系统的传递函数。

    2 基于 MATLAB 的模型辨识