泵控电液伺服系统多模态可拓控制研究

　　1 引言

　　泵控电液伺服系统是近些年发展起来的一种新型电液伺服系统，具有高效节能、易实现高精度控制、便于调节等特点，被广泛的应用于工业控制领域。但是该系统属于非线性系统，存在时变参数以及外干扰引起的不确定性，使得系统的动态特性十分复杂。在泵控电液伺服系统中，所选择控制策略的好坏直接影响到系统的控制效果，理想的控制策略要求能同时兼顾系统的快速性、稳定性和准确性。PID 调节器具有结构简单、易于实现、能够消除稳态误差等优点，但对于具有延迟、非线性和参数时变的控制系统，PID 调节器难以获得最优控制效果。模糊控制对于动态特性时变、数学模型具有不确定性和存在复杂干扰的非线性系统非常适用，其鲁棒性强，动态品质良好。但模糊控制也存在稳态控制精度较差，难以达到较高控制精度的缺点。针对这一矛盾，本文提出了一种基于可拓控制的多模态控制方法。利用控制信息的关联度作为切换控制模态的依据，在不同的论域内采用不同的控制方式来实现分段控制，使每一种控制策略在其能进行有效控制的范围内达到理想的控制效果。从而兼顾控制系统对多种性能指标的要求，以期使泵控电液伺服系统达到快速、平稳、准确定位的目标^[1]。

　　2 泵控电液伺服系统的数学模型

　　系统主要由交流调速环节和泵控动力机构两部分组成。控制系统框图见图1。

　　整个系统的传递函数方块图见图2。泵控电液伺服系统的建模不是本文重点，关于建模方法请参看文献[2]、[3]。

　　3 多模态可拓控制泵控电液伺服系统

　　根据泵控电液伺服系统的控制目标，在控制论域内采用三种控制模态：Bang-Bang 控制、模糊控制和PID 控制。利用可拓关联函数设计多模态可拓控制切换器，实现在不同控制论域采用不同控制方式的分段控制。在偏差较大的启动段先采用简单的Bang-Bang 控制，Bang-Bang 控制能加快系统响应速度，以满足快速性的要求。经过Bang-Bang 控制，偏差减小到模糊控制器的有效控制范围内，在偏差不太大的过渡段采用模糊控制接近控制目标。由于模糊控制的鲁棒性和抗干扰能力强，能够保证系统具有良好的动态特性。但模糊控制的缺点是很难完全消除稳态误差，在偏差很小的时候系统控制精度下降，控制效果不理想，常常会在平衡点附近有小的振荡现象，消除时间长。因此，在偏差很小的时间段采用擅长消除稳态误差的PID 控制器，以实现准确定位。控制模态的切换由多模态可拓控制切换器实现。多模态可拓控制泵控电液伺服系统框图见图3，图中给定量是位置s，控制器输入量是位置偏差e和活塞杆移动速度v (即位置偏差e 变化率的负值)，输出是活塞位移y。