摘要:在对国外引进的某大型水压试验机控制系统改造中,针对其液压伺服系统具有参数变化大、外部干扰不稳定等特点,将滑模控制与模糊控制相结合,设计了基于模糊-滑模控制的伺服控制系统.通过在滑模控制中引入一连续的模糊边界层,有效地消除“抖动”现象,并在实际生产中取得了较好效果,优于传统的PID控制.
关键词:滑模控制;模糊控制;水压试验机;液压伺服系统
滑模控制(SlidingMode Contro,l SMC)是一种鲁棒控制的方法,尤其是在模式的不确定性因素及外在的干扰状况下,可借指定的滑动面和迫使状态轨迹在面上的滑动达到抗干扰和满足低灵敏度要求,特别适合应用于伺服系统.模糊控制(Fuzzy LogiContro,l FLC)的设计不依赖控制对象精确的数学模型,具有较强的处理不确定信息的能力,但缺乏系统的分析和设计方法[1].
在本项目中,大型水压试验机的控制系统由于其大惯性和“水锤”上冲效应以及环境等各环节的非线性特性,采用PID控制很难获得其最优参数.故将SMC与FLC相结合来获得系统的稳定性和满意的动态性能,这也是当今控制研究的一个活跃领域[2-3].在控制策略上设计分为两部分: 1)根据系统已知部分设计滑模控制的等效部分; 2)鲁棒控制设计以解决系统的不确定因素和外部干扰[4].
本文结合水压机伺服系统的控制要求,提出了液压伺服控制的FSMC控制器设计方法,将模糊控制理论应用到滑模控制器的设计中,即用一个模糊控制器将控制命令与状态到滑模面之间的距离模糊化,削弱传统的滑模控制存在的抖动.在实际应用中,有效地改善了系统的动态性能,特别是针对各种大小钢管试压时,末段高压的上冲及振荡效应明显改善.
本项目中的大型钢管水压试验机,可对直径200~2 400 mm的钢管进行水压测试,测试压力最高可达20MPa.工作时,向钢管内注高压水,档板油压伺服系统开启高压油泵跟随水压并夹紧钢管,达到测试水压后保持一段时间,以此来检测钢管是否合格.
系统中,伺服阀控制的油压、水压的压差是一个关键信号,压差过大可能造成钢管弯曲甚至伤亡事故;压差过小,会造成漏水,达不到检测目的.不同种类的钢管试验时所采用的油、水压差区别很大,特别在高压段,高速升压、参数不当及干扰使控制困难.该水压机电液伺服控制系统执行时,建模包括水阀、油压阀流量及它们相互之间的压力关系[5].油缸的有效面积即为活塞杆的面积,而水管横截面积即为水压作用于档板的有效面积.
本文通过将滑模控制与模糊控制相结合的办法,解决了实际项目中液压伺服控制中对超调、振荡等的控制要求.通过对模糊-滑模控制原理的分析,给出了FSMC控制器的设计方法.通过仿真结果表明,利用模糊理论将控制命令与状态到控制滑动面的距离模糊化,可以有效地消除SMC控制中的“抖动”,并在实践中证明了FSMC针对液压伺服的阶跃控制效果优于传统PID控制,适合于非线性、时变及干扰多的液压伺服系统.
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