电液速度伺服系统的增益调度控制

　　0 前言

　　对于动态特性随工作点而变化的过程, 要求控制器在各种工况下均能满足指定的性能指标。为了补偿过程参数变化与非线性等不确定因素的影响, 可针对过程的不同工作状态, 将系统在一些特定的工作点进行线性化处理, 然后在这些工作点采用合适的线性化设计方法设计相应的控制器, 使闭环系统在各工作点的邻域内满足性能要求。在系统运行时, 根据调度变量通过调度控制器增益使系统在不同的区域运行不同的控制律, 以处理系统的非线性问题, 这就是增益调度。增益调度控制器简单适用, 在处理非线性系统方面获得了广泛的应用。

　　1 系统组成及控制器结构

　　液压系统的组成如图 1 所示, 由伺服阀和液压马达构成速度调节单元, 液压泵为系统提供能源, 溢流阀则调节伺服阀的入口压力。

　　增益调度控制器结构如图 2 所示, 它由上、下两层构成, 上层属于事件驱动层, 完成模态调度及参数调整, 系统的运行工况改变后, 通过该层予以识别, 进行模态切换; 下层属于误差驱动层, 由选定的模态直接实现控制作用。图中, GP(s)、Y、R、U、F 分别表示被控过程、输出值、设定值、操纵变量及扰动, Ci、Ui(i=1,2, ,N)为各模态的控制律及其输出值。一般情况下, 为了使控制律的设计简单, 各模态的控制律均可采用 PID 形式。但在实际中, 对于复杂系统, 单纯采用 PID 控制难以获得好效果 , 此时, 多模态控制器可根据系统在各工况下的运行特征, 实施 PID 控制、模糊控制、预估补偿控制等多种控制策略联合使用的控制方式。

　　2 控制器设计

　　针对所研究的系统, 采用插值方式实现增益调度。增益调度的插值实现是指预先选定系统的几个典型工作点, 通过现场整定或在线优化确定好各工作点的控制器参数, 构成一个调度表。系统实际运行时, 根据调度变量的变化, 补偿器的参数在工作点之间通过内插来确定, 从而生成全局的补偿器。

　　对于所研究系统, 可采用传递函数为

　　的 PID 调节器。式中, KP, KI和 KD分别为比例增益、积分增益和微分增益。

　　调速系统的负载压力容易测量, 能较好地反映系统的运行条件, 且与调速系统的动力学特性变化又有明确的关系, 所以可选负载压力 p 作为调度变量。现按额定负载的百分数将系统的运行工况分割为 4 个区段: 0～20%, 20%～55%, 55%～80%, 80%～100%, 各段中的 15%, 35%, 75%, 90%点是该系统的典型负荷点,作为各模态的中心点, 在各区段分别设计好相应的控制律。这样, 便可按下列步骤得到增益调度表(表 1)。