基于模糊PID控制的新型压电型电液伺服阀研究

　　电液伺服阀是机器人与自动化领域中的重要执行器件,在航空航天、导弹发射以及军用行走设备中有着重要的应用。作为闭环控制系统的伺服控制环节,电液伺服阀性能的优劣对整个系统起着决定作用。传统电液伺服阀的电-机械转换器通常采用力矩马达。这种驱动方式的电液伺服阀分辨率不高,工作频宽较窄,应用范围受到限制。压电叠堆型执行器具有体积小,控制精度高,响应速度快和驱动力大等优点,在密驱动中有着广泛的应用[1-2]。我们利用这种执行器作为电液伺服阀的电-机械转换器,研制出一种新型的压电型电液伺服阀。

　　针对新型压电型电液伺服阀,本文进行了控制系统的设计与研究。经实验研究发现,新型压电型电液伺服阀具有迟滞非线性,开环控制时控制精度不高,因而采用反馈控制方法提高控制精度。传统的PID控制器结构简单,易于设计,被广泛应用于反馈控制系统中。然而,PID控制器本质上是一种线性控制器,对于非线性对象难以取得很好的控制效果。模糊控制器因其不需要建立对象的数学模型,具有良好的鲁棒性及非线性控制特性而得到较为广泛的应用。常规模糊逻辑控制器相当于一种具有PD控制律的非线性控制器,缺少积分作用,系统输出易出现稳态误差,甚至会导致在给定点附近出现振荡现象。PID控制器的积分作用可消除系统的稳态误差,具有较高的控制精度,于是把模糊控制器和PID控制器相结合形成模糊-PID复合型控制器,对于复杂控制系统和高精度伺服系统能够取得较好的控制效果[3]。基于上述思想,本文提出自适应模糊PID控制法,取得了很好的控制效果。实验结果表明,新型电液伺服阀比传统电液伺服阀具有更优异的性能。

　　1 新型电液伺服阀结构及工作原理

　　图1为直动式一级压电型电液伺服阀结构图。压电叠堆执行器的输出位移通过右端延长杆作用到滑阀,并通过左端延长杆使弹性回复板发生形变。当输入电压增加时,压电叠堆执行器伸长推动滑阀向左运动;当输入电压减小时,由弹性回复板的回复作用力使滑阀向右运动。

　　由于压电叠堆执行器的受压能力远大于受拉能力,因此在应用时不能将滑阀刚性固定在压电叠堆执行器的位移输出端,只能采用夹紧的工作方式。以往采用双侧加压电叠堆执行器的方式来实现滑阀的双向运动,一方面增加了制作成本,另一方面增加了控制的难度。本文运用弹性板提供滑阀向右移动的回复力,采用单个压电叠堆执行器就能实现滑阀的双向运动控制。图2为研制的直动式一级压电型电液伺服阀样机。