基于自适应PID模糊控制的电液随动系统的仿真研究

　　0　前言

　　为了克服常规PID控制的缺陷、提高系统的性能,将具有一定智能的模糊推理应用到PID参数自整定上来,在常规PID调节器的基础上,根据运行状态和响应要求,从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面特性考虑,在线自整定PID参数。将具有模糊自整定PID参数控制器运用在水轮机调速系统中,将模糊控制与常规控制有机结合起来,用一组模糊校正规则,实时地对水轮机调速系统中电液随动系统的PID控制器的参数进行在线调整,使PID控制器能根据输入位移和负载大小变参数调节,从而提高了系统对时变性和不确定性等的处理能力。

　　1　电液随动系统工作原理

　　该电液随动系统是由控制器、步进电机、转阀+滑阀+回路节流阀组成的二级数字伺服阀、液压缸、位移传感器等组成。系统的工作原理是由控制器控制步进电机的转角和转动方向;步进电机与转阀直接刚性连结,带动阀芯转动,通过回路节流阀控制滑阀的位移,而滑阀阀芯的移动位移与步进电机转角之间通过齿轮齿条传动构成闭环负反馈,保证了转阀控制滑阀位移的精确性;然后由滑阀驱动液压缸工作,液压缸上的位移传感器将液压缸的位移反馈给控制器,这样控制器就能够对整个系统进行控制。整个系统组成了一个闭环系统,其工作原理如图1所示。

　　2　电液随动系统的传递函数

　　该系统有两个输入一个输出,输入量分别是位移输入和负载输入。其中位移输入为根据水轮机调速器的需要而给定的液压缸移动的位移量,通过该电液随动系统对位移进行闭环控制;负载输入就是调速器的负载量。系统的输出量就是液压缸实际的位移量。电液随动系统的传递函数,分为如下几个环节:

　　(1)转阀控制滑阀的传递函数

　　对θv的传递函数为:

　　其中:XV为滑阀位移;θv为转阀的转角。

　　(2)滑阀控制液压缸的传递函数对XV的传递函数为:

　　其中:Xp为液压缸位移;XV为滑阀位移;Kp为滑阀压力增益;Ap为液压缸的有效作用面积;ωh为液压固有频率;ζh为液压阻尼比;FL为液压缸的负载。

　　(3)系统其他部分的传递函数

　　步进电机与控制器一起考虑。机械反馈的比例系数为1 000。位移传感器的比例系数为1。

　　(4)整个系统的传递函数

　　将各部分传递函数按照系统各个部分的关系组成系统的总的传递函数,如图2所示。

　　3　自适应PID模糊控制的建立

　　模糊控制采用Sugeno型模糊系统来实现对PID各参数进行控制。位移输入和负载输入分别是两个阶跃输入,液压缸位移为输出量,用示波器来显示。由于比例系数P只与负载有关,所以在仿真的时参数P的模糊控制只有负载一个输入量。而积分参数I和微分参数D的大小是由位移和负载两个输入量决定的,所以参数I和D的模糊控制器分别是由位移和负载两个输入量来控制。每个控制器都是从输入位移和负载两端引出变量,通过MUX输入模糊控制器中构成模糊控制器的两个输入,参数I和D分别是模糊控制器的一个输出,相应的参数与相应的环节用一个乘法器相连,即相当于每个参数与每个环节串连,得到最终的积分和微分环节。其他部分和传统的PID控制器控制相同。仿真结构如图3所示。在不同负载和不同输入位移下,通过大量的仿真试验进行寻优,得到PID各参数的值,最后构成各参数的模糊控制规则。