基于AMESim的PDF控制器封装与参数的优化

　　液压伺服系统由于具有响应速度快，功率体积比大等一系列优点而在工业军事方面得到了广泛的应用。 然而由于液压系统的复杂属性(如非线性等)使得系统的分析和设计非常的麻烦和困难。 随着计算机技术的发展，在产品的设计开发阶段大量的采用数值成型的方法，即通过建立系统的数值模型，利用计算机仿真来缩短产品的研制周期，降低研究成本，可以说仿真技术已成为科学研究中不可缺少的技术之一。 AMESim 是法国 Imagine 公司于1995 年推出的液压 / 机械系统建模、 仿真及动力学分析软件。 AMESim 为用户供了一个时域仿真建模环境，可使用已有模型(或)建立新的子模型元件，来构建优 化设计所需实际原型， 采用易于识别的标准 ISO 图标和简单直观的多端口框图，方便用户建立复杂系统及用户所需的特定实例，修改模型和仿真参数可进行稳态及动态仿真，能够研究任何元件或回路的动力学特性。 本文利用 AMESim 对 PDF(Pseudo Derivative Feedback) 控制器进行封装、液压系统建模，并对控制器参数进行优化。

　　1 PDF 控制器及其封装

　　1.1 PDF 控制策略的基本思路

　　如果从误差的微分中获取被控变量的微分，则同时引入了对参考变量的微分量，这就增加了系统微分方程右边的强迫项，为了避免这个问题，在控制器的前向通路中只用一种运算，即只采用积分运算。 但为了保证控制系统的稳定性以及理想的控制特性，又需要提供被控变量的微分量，为此，把被控变量的微分项全部放在反馈回路中，这就是伪微分控制策略的基本思路。 已有研究表明 PDF 是一种响应速度快，超调量小，鲁棒性强的的控制策略，同时具有结构简单，便于工程实现的特点。

　　1.2 PDF 模块封装

　　AMESim 元件库中没有现成的 PDF 控制模块，AMESim 准许用户自己封装功能模块来扩展元件库。在 sketch 模式下搭建 PDF 控制器结构如图 1 所示，借助 AMESim 的 supercomponents 功能对其进行封装并自己设计图标，封装后的 PDF 模块见图 2。

　　2 液压位置系统建模

　　进入 AMESim 环境，利用 Sketch 模式调用系统所提供的液压库、机械库和信号库建立如图 3 所示的系统模型。

　　位移传感器将液压缸的位置信号分为两路：一路送到控制器中与指令信号做运算后，其输出经放大器放大后作为三位四通电液比例换向阀的输入信号来控制阀的开度，从而按比例地控制液压缸的运动;另一路与指令信号做比较后，并将此误差信号作为函数模块的输入，为控制器的参数优化做准备。 进入 Submodel 模式，为每个元件选择所需要的子模型。 进入 Parameter 模式为各模型设定参数。 系统主要参数设定如下：输入为 0.2 阶跃信号，三位四通伺服阀各路流量为 7L/min、 额定电流为 100mA;液压缸惯性质量为 500kg、 泄露系数为 0.1L/min/MPa、粘性摩擦系数为 100N(m / s)，位置传感器增益设定为 10，伺服放大器增益为 10，饱和环节上下限值设定为伺服阀的额定值 150，设定仿真时间为 6s，真步长 0.001，Ki=40、Kd1=25、Kd2=1，活塞阶跃响应和速度仿真曲线如图 4，从中可见系统无超调，但达到稳态值的所用时间大于 3s,上升时间较长。