压电型电液伺服阀控制方法研究

　　压电驱动器是利用压电材料的逆压电效应制成的驱动器,它具有响应速度快,功耗低,输出力大,电磁干扰及易微型化等特点,因而被广泛用于航空、航天、精密测量、微电子工业等领域。在液压领域,早期的压电驱动器主要用于功能单一的开关阀中,特别是在高速、精密的气体控制中得到了良好应用。压电驱动型电液伺服阀(压电型电液伺服阀)最早出现于日本^[1](1989年),而后的德国亚琛工业大学流体传动及控制研究所(IFAS)^[2]、美国加利福尼亚州CSA机构^[3](2002年)、中国吉林大学通讯工程学院^[4](2004年)等院所都对压电型电液伺服阀伺服阀进行了研究,并取得了较好的效果。以往的压电型电液伺服阀的阀芯驱动主要用一个压电驱动器和一个弹性回复板来驱动,控制较简单;但弹性回复板易疲劳,降低了压电型电液伺服阀的使用寿命。为此,本文对双压电驱动器驱动的压电型电液伺服阀进行了研究。

　　1 建立压电型电液伺服阀实验系统

　　1.1 压电型电液伺服阀控制系统

　　压电型电液伺服阀控制系统如图1所示。控制器(工控机)输出的控制信号经D/A转换后到达压电陶瓷驱动电路,通过该电路放大后作用于压电陶瓷驱动器;压电陶瓷驱动器的输出位移被位移传感器检测后通过A/D到达控制器,实现闭环控制。本控制系统所用液压试验台如图2所示。

　　1.2 压电型电液伺服阀

　　本文研究的压电型电液伺服阀(滑阀阀芯两端各用一个压电陶瓷堆驱动)的内部结构如图3所示。其实物如图4所示。工作时需要对阀芯两端的压电陶瓷堆加偏置电压,当阀芯向一端运动时,该端的压电陶瓷堆两端的电压就要降低,同时另一端压电陶瓷堆两端的电压要升高;原则上要保证一端压电陶瓷堆缩短的距离等于另一端压电陶瓷堆的伸长量,这样才能保证阀芯快速、精确、平稳的运动。

　　2 压电型电液伺服阀控制算法研究

　　2.1 常规PID解耦控制原理和算法^[5]

　　图5为该压电型电液伺服阀的常规PID解耦控制系统框图。该系统由2个PID控制器构成,控制算法为

　　式中T为采样时间;u₁、u₂为系统控制量;e₁(k)=r₁(k)-y₁(k);e₂(k)=r₂(k)-y₂(k),r₁、r₂为参考输入,y₁、y₂为系统输入量。

　　2.2 压电型电液伺服阀DRNN网络整定PID解耦控制^[5-8]

　　图6为该压电型电液伺服阀的DRNN网络整定的PID解耦控制系统框图。其控制器由神经网络辨识器DRNN1、DRNN2和经典PID1和PID2控制器构成。控制器PID1和PID2分别对左、右压电陶瓷驱动器进行闭环控制,其6个参量K_p1(k)、K_i1(k)、K_d1(k)、K_p2(k)、K_i2(k)、K_d2(k)由辨识所得被控对象的Jacobian信息(DRNN1、DRNN2在线辨识)在线调整; DRNN网络可根据系统的运行状态,按照学习算法在线调整PID控制器的参数,使得给定性能指标最优,即不断修正两个PID控制器的6个参数,直到满足整体控制性能指标的要求。