基于模糊PID的双泵变频液压系统仿真分析.pdf

第期(总第 期)年 月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o D e c 文章编号:()基于模糊P I D的双泵变频液压系统仿真分析刘显晖,高挺,李建强,杨帆,单争南(广西科技大学 自动化学院,广西柳州 ;柳州泰姆预应力机械有限公司,广西柳州 )摘要:为提升变频泵控液压系统的动态特性及其压力输出性能,将定转速液压泵与变频液压泵相结合组成双泵系统,并且引入模糊P I D对系统进行控制.在AME S i m/S i m u l i n k联合仿真平台中对系统进行仿真分析,仿真结果表明:该双泵变频液压系统在模糊P I D控制下与P I D控制相比动态性能更为优秀,抗干扰能力更强,压力输出更为稳定及时.关键词:模糊P I D;双泵变频液压系统;仿真分析中图分类号:T P 文献标识码:A广西科技大学技术开发项目收稿日期:;修订日期:作者简介:刘显晖(),男,广西桂林人,教授级高工,本科,研究方向:智能建造及预应力技术.引言液压传动系统在工程领域中得到大量应用,虽然其具有传动平稳、功率体积比大等优点,但液压传动系统最主要的缺点是其能量损耗大.变频液压技术省去复杂的变排量结构,采用变频器、普通电机和定量泵的形式,通过控制变频器输入电压来改变泵的输出流量,从而提高系统能量利用率.传统的变频液压系统的动态响应性能不够理想,并且低压控制效果较差.文献 为提高变频调速液压系统的调节范围和响应速度,提出一种变频液压泵和定速液压泵组合的液压调速方案.文献 采用粒子群算法优化P I D控制器,并将其应用于双泵直驱电液伺服系统的压力控制.本文采用变频液压技术与双泵方案相结合,在AME S i m/S i m u l i n k联合仿真环境中分析系统性能,验证双泵变频液压系统在模糊P I D控制下的优越性.双泵变频液压系统 液压回路原理双泵变频液压系统原理如图所示.液压油路由液压缸、电磁换向阀、溢流阀、定量泵、异步电机、单向阀、变频器以及油箱等组成.系统中,由定转速电机驱动定量泵供油输出恒定压力,控制器输出信号至变频器控制电机变转速驱动定量泵改变供油流量输出,变转速电机带动定量泵来补充压力输出.控制原理本液压控制系统框图如图所示.将液压缸活塞杆实际位移X作为反馈信号,将液压缸活塞杆实际位移X与期待值Xr之间误差e作为控制器的输入信号.控制器根据误差值进行参数整定输出电信号U至变频器,再由变频器输出频率信号给电机,电机驱动液压泵输出油液提升压力p.由上述的步骤就完成了本液压系统的压力控制,模糊P I D的加入会使控制器的输出信号更能符合系统的需求.油箱;过滤器;定量泵;变频器;变转速异步电机;定转速电机;溢流阀;单向阀;,压力变送器;电磁换向阀;液压缸图双泵变频液压系统原理图图双泵变频液压控制系统框图双泵变频液压系统仿真模型的建立 变频器及电机部分,变频器恒压频比控制公式为:fKuuc()其中:f为电机电源频率,H z;Ku为电压频率转换系数,H z/V;uc为变频器的控制电压,V.电机的转矩公式为:TnmpU fRmpUnp fRKUKnp()其中:mp为极对数,mp;U为电机定子相电压,V;R为定子侧的转子每相电阻,;np为电机实际转速,r/m i n;KmpU R f;KmpU R f.电机转矩平衡公式为:dnpdt(TnTL TTd fKnp)K()其中:Tn为电动机的电磁转矩,Nm;TL T为电机的负载转矩,Nm;Td f为电机的非线性摩擦转矩,Nm;K BT,BT为电机转轴阻尼系数,Nm/(rm i n);K JT,JT为折算到电机轴的转动惯量,k gm.电机负载转矩公式为:TL TDpppKpp()其中:Dp为泵的排量,m/r a d;为机械传动效率,取 ;pp为泵出口压力,P a;KDp.双泵变频液压模型基于AME S i m的双泵变频液压系统仿真模型如图所示,双泵变频液压系统主要参数如表所示.仿真分析 模糊P I D控制系统设计模糊控制器的输入语言变量选择为液压缸活塞杆实际位移值与设定位移值之间的误差E及其变化率EC,控制器输出电信号至变频器.模糊量E、EC以及P I D控制的比例、积分、微分系数Kp、Ki、Kd的隶属度函数如图所示.根据系统P I D控制的输出曲线并结合双泵变频液压系统的特点,模糊控制输出量 Kp、Ki、Kd的规则如表所示.在MAT L A B的S i m u l i n k模块中搭建模糊P I D控制系统,如图所示,利用AME L C o S I M模块与AME S i m联接.图双泵变频液压系统仿真模型表双泵变频液压系统主要参数主要参数参数值液压泵额定排量(m L/r)定转速电机转速(r/m i n)溢流阀设定压力(MP a)液压缸最大行程(mm)液压缸直径(mm)活塞杆直径(mm)负载(k N)图变量隶属度函数分布图表模糊输出规则表(Kp、Ki、Kd)EECN BNMN SZ OP SPMP BN BP B/N B/P SP B/N B/N SPM/NM/N BPM/NM/N BP S/N S/N BZ O/Z O/NMZ O/Z O/P SNMP B/N B/P SP B/N B/N SPM/NM/N BP S/N S/NMP S/N S/NMZ O/Z O/N SN S/N S/Z ON SPM/N B/Z OPM/NM/N SPM/N S/NMP S/N S/NMZ O/Z O/N SN S/P S/N SN S/P S/Z OZ OPM/NM/Z OPM/NM/N SP S/N S/N SZ O/Z O/N SN S/P S/N SNM/PM/N SNM/PM/Z OP SP S/NM/Z OP S/N S/Z OZ O/Z O/Z ON S/P S/Z ON S/P S/Z ONM/PM/Z ONM/P B/Z OPMP S/Z O/P BZ O/Z O/N SN S/P S/P SNM/P S/P SNM/PM/P SNM/P B/P SN B/P B/P BP BZ O/Z O/P BZ O/Z O/PMNM/P S/PMNM/PM/PMNM/PM/P SN B/P B/P SN B/P B/P B 系统仿真分析为模拟工程应用中负载突变干扰的影响,负载信号到 s时加入一个幅值 k N的突变力.仿真得到的液压缸活塞杆位移输出如图所示,无杆腔压力输出如图所示.由图可知:模糊P I D的响应明显优于P I D控机 械 工 程 与 自 动 化 年第期制,普通P I D控制在 s达到目标位移,而模糊P I D控制在 s达到目标位移,调节时间减少约;在 s处加入干扰负载后,模糊P I D控制的鲁棒性明显优于P I D控制.干扰信号发生后,P I D控制位移曲线从 m跌落至 m,模糊P I D控制位移曲线仅跌落至 m,模糊P I D控制位移曲线在 s恢复至正常,P I D控制在 s恢复,模糊P I D控制调整时间比P I D控制约少 .图 模糊P I D控制系统仿真模型图 液压缸活塞杆位移输出由图可知:模糊P I D控制下压力输出更为及时稳定,普通P I D控制到达压力峰值时间为 s,模糊P I D控制所用时间为 s,模糊P I D控制相较于普通P I D控制快了约 ,且在出现干扰负载后,模糊P I D控制下的压力输出曲线在 s恢复至峰值,而普通P I D控制在 s恢复至峰值,相较之下模糊P I D恢复时间比P I D控制减少约 .结论本文设计了双泵变频液压系统并进行了仿真分析,通过AM E S i m S i m u l i n k联合仿真平台模拟工况,在出现阶跃干扰信号后,得到液压缸P I D和模糊P I D控制下的位移输出曲线和压力输出曲线模型.通过对比分析,结果表明模糊P I D控制极大地提升了系统的性能,模糊P I D相对于普通P I D控制响应速度更快,鲁棒性更好,输出更为稳定和及时.图 液压缸无杆腔压力输出参考文献:周创辉,张庆阳,卿绿军,等一种双泵组合变频液压调速系统J机床与液压,():王波,熊瑞平,赵亚文,等基于AM E S i m MA T L A B联合仿真的双泵直驱电液伺服系统压力控制J液压与气动,():彭天好,朱刘英,胡佑兰,等基于AME S i m的泵控马达变转速系统仿真分析J液压与气动,():王野液压变频系统压力特性研究D大连:大连理工大学,:S i m u l a t i o nA n a l y s i s o fD o u b l e P u m pV a r i a b l eF r e q u e n c yH y d r a u l i cS y s t e mB a s e do nF u z z yP I DL I UX i a n h u i,G A OT i n g,L I J i a n q i a n g,Y A N GF a n,S H A NZ h e n g n a n(S c h o o l o fA u t o m a t i o n,G u a n g x iU n i v e r s i t yo f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,L i u z h o u ,C h i n a;L i u z h o uT a i m uP r e s t r e s s i n gF o r c eM a c h i n e r yC o,L t d,L i u z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o i m p r o v e t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n dp r e s s u r e o u t p u t p e r f o r m a n c e o f t h e v a r i a b l e f r e q u e n c yp u m p c o n t r o l l e dh y d r a u l i cs y s t e m,t h e f i x e d s p e e dh y d r a u l i cp u m pa n dv a r i a b l e f r e q u e n c yh y d r a u l i cp u m pa r e c o m b i n e d t o f o r mad u a l p u m ps y s t e m,a n df u z z yP I Di si n t r o d u c e d t oc o n t r o l t h e s y s t e m T h e s y s t e mi s s i m u l a t e da n da n a l y z e d i n t h eAM E S i m/S i m u l i n k j o i n t s i m u l a t i o np l a t f o r m T h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f t h ed u a l p u m pv a r i a b l e f r e q u e n c yh y d r a u l i c s y s t e mu n d e r f u z z yP I Dc o n t r o l i sb e t t e r t h a nt h a tu n d e rP I Dc o n t r o l,t h e a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y i s s t r o n g e r,a n d t h ep r e s s u r eo u t p u t i sm o r e s t a b l ea n d t i m e l y K e y w o r d s:f u z z yP I D;d o u b l ep u m pv a r i a b l e f r e q u e n c yh y d r a u l i c s y s t e m;s i m u l a t i o na n a l y s i s(上接第 页)D e s i g no fE v a l u a t i o nF u n c t i o nf o r I m a g eD e f i n i t i o nf o rM i n i L E DC h i pC a r r i e rB o a r dL UZ h e n w e i,T A N GH u i,L I NZ h i h a n g,WUS h i r u i,L I A N G M i n g h u,O UX i a o x i a n(S c h o o l o fE l e c t r o m e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,G u a n g d o n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,G u a n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e rp r o p o s e sa w i n d o w i n g m e t h o df o r M i n i L E Dc h i pc a r r i e rb o a r d T h ee f f e c t so fv a r i o u st r a d i t i o n a li m a g es h a r p n e s se v a l u a t i o n f u n c t i o n sa r e c o m p a r e da n dt h e t r a d i t i o n a l e v a l u a t i o n f u n c t i o n i s i m p r o v e da c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e dw i n d o w i n gm e t h o d T h ei m a g ec l a r i t ye v a l u a t i o nf u n c t i o np r o p o s e di nt h i sp a p e ri sc o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a le v a l u a t i o nf u n c t i o n T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e de v a l u a t i o nf u n c t i o np e r f o r m sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a le v a l u a t i o nf u n c t i o n,a n dc a nc o m p l e t e t h ec a m e r as f o c u so nt h eM i n i L E Dc h i pc a r r i e r f a s t e ra n dm o r ea c c u r a t e l y K e y w o r d s:e v a l u a t i o nf u n c t i o nf o r i m a g ed e f i n i t i o n;M i n i L E D;c h i p;c a r r i e rb o a r d 年第期机 械 工 程 与 自 动 化