电液位置伺服系统的三维模糊PID控制

　　电液伺服系统由于具有控制精度高，响应速度快，输出功率大，信号处理灵活，易于实现各种参量的反馈等优点，现已广泛应用于各个技术领域。近代电液伺服由于工作环境和任务复杂，静动态特性要求较高以及微机控制和数字化困难等问题，普遍存在较大程度的参数变化和外负载干扰以及非线性因数。这些不确定的非线性因数和时变参数(如液压阻尼系数hξ 在系统零位时最小，而流量放大系数ceK 却最大)，使得电液伺服系统很难建立其精确的数学模型，传统的控制策略已不能满足其精确控制要求。随着人工智能控制的发展，模糊控制以不依赖于被控对象精确数学模型的逻辑控制方式的特点很适合于电液伺服系统的控制。模糊控制是一种反映了人类智慧思维的智能控制，其结构简单，稳定性好，它正随着模糊数学理论的研究进程而发展。Matlab/Stimulink是建立仿真模型的理想环境，它不仅直观、便捷、准确，而且Matlab工具箱为实现多种控制策略提供了可能。本文使用Matlab中的FUZZY工具箱，仿真系统的单位阶跃响应，对仿真结果进行可视化分析，使研究更富有效率。

　　1 动力学模型

　　本文以要求液压压力机精确控制压印深度的电液伺服系统研究对象，采用阀控非对称液压缸，其物理模型如图1所示。

　　伺服阀的流量方程为

　　取活塞向上运动(>0)为负;活塞向下运动( <0为正）。

　　非对称油缸负载流量方程为

　　联立以上各式化简整理，得电液位置伺服系统的开环传递函数为

　　数值量化后得系统传递函数为

　　L0P 为工作点处的负载压力;sP为液压油源压力;eβ为液压油的体积弹性模量;meA 为平均活塞面积; x为伺服阀阀芯位移;y为活塞位移;Cd为流量系数;tC为泄漏系数;η为伺服阀两腔流量比;dA为活塞杆截面积;Uy为位移传感器满量程电压;Yy为位移传感器量程;svK为伺服阀增益;hξ为液压阻尼系数;ω为伺服阀窗口面积梯度;hω为液压固有频率;eV为油缸的等效面积。

　　2 模糊控制器的设计

　　模糊控制系统的核心是模糊控制器，控制效果的优劣直接由它决定。在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器的结构型式。这类控制器都是以系统误差E 和误差变化率EC为输入语句变量，输出为控制量的增量，具有类似于常规PD控制器的作用。采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性，而静态特性不能令人满意，且在工作点附近易产生小范围的振荡，这是由于E 和EC 被量化环节离散分档后，丢失部分信息，形成不连续而造成调节死区所致。增加模糊控制器的维数，控制就越精细，但控制算法的实现越困难。由控制理论可知，积分作用能消除稳态误差，但动态响应慢，比例控制作用既能获得较高的稳态精度，又具有较高的动态响应。