模糊切換在泵閥并聯(lián)電液伺服系統(tǒng)中的應用

宋亦靜，柏艷紅，趙志誠，吳斌

(太原科技大學電子信息工程學院，山西太原 030024)

0 前言

電液伺服控制系統(tǒng)有閥控和泵控兩種基本回路類型，前者動態(tài)響應快、精度高，但能效低；后者能效高，但動態(tài)響應慢、精度低。大型重載長行程單出桿液壓缸控制系統(tǒng)要求控制系統(tǒng)響應快、控制精度高，泵控系統(tǒng)難以滿足要求，所以目前仍采用閥控技術。但閥控技術帶來的問題是系統(tǒng)發(fā)熱嚴重，需要附加復雜的冷卻系統(tǒng);長時間運行，系統(tǒng)的能耗也非常大。針對該問題，本文作者提出可以兼顧高性能和高能效的泵閥并聯(lián)控制回路，但是在泵和閥兩個回路切換的過程中存在沖擊。

為解決各類系統(tǒng)中存在的沖擊問題，國內外眾多學者對模糊切換進行了研究。姜慶豐和曾文杰將模糊切換應用于多模型的壓水堆堆芯功率開關控制，使系統(tǒng)抗擾能力更強，取得了良好的控制效果。史爽將模糊控制理論應用于時間依賴信號的切換控制中,使切換更加靈活，適應性更強。單文桃和王鑫將模糊滑模切換控制應用于表貼式永磁同步電主軸的控制，有效抑制了定子電流振蕩以及電磁轉矩脈動，并且使參數調節(jié)更加便捷。崔鑫等人將模糊切換應用于機械臂滑模控制器，對抖動有很好的消除作用，并且具有更優(yōu)的控制性能。焦尚彬等在高頻開關電源的控制中應用了模糊切換，通過模糊控制減弱了抖振，同時保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。XIE等提出一種新的多瞬間模糊切換控制器，提高了對不可靠通信信道的適應性。汪洪波等針對電動助力轉向系統(tǒng)，提出了一種模糊切換控制策略，并設置了模糊切換控制器，實現了多種模式的平滑切換，進一步提高了系統(tǒng)性能。FU等將模糊切換控制器應用于主動/半主動混合隔離系統(tǒng)，有效地抑制了振動。

為減小并聯(lián)回路切換過程對系統(tǒng)的沖擊，本文作者設計協(xié)調控制策略并建立模糊切換控制器，以減小切換時的沖擊，進一步提高系統(tǒng)的性能和效能，并進行仿真驗證。

1 泵閥并聯(lián)回路結構和控制方案

1.1 泵閥并聯(lián)回路結構

針對重載、長行程單出桿液壓缸應用場合，提出將閥控回路與泵控回路并聯(lián)驅動的回路原理，取長補短，使系統(tǒng)兼?zhèn)浔每叵到y(tǒng)的節(jié)能高效和閥控系統(tǒng)的高動態(tài)響應、高精度的優(yōu)點。所提出的閥控回路和泵控回路并聯(lián)驅動回路原理如圖1所示。

圖1 泵閥并聯(lián)驅動非對稱缸回路

在液壓缸運動過程中，以泵控回路為主、閥控回路為輔；泵控回路提供主要流量，完成回路的主控制，閥控回路提供較小流量，完成回路的定位調節(jié)。并聯(lián)回路系統(tǒng)在工作時，雙向定量泵的流量調節(jié)可以通過改變伺服電機的轉速來實現，伺服閥的流量調節(jié)通過改變閥的開口度來實現。泵閥并聯(lián)回路可以實現以泵控回路、閥控回路、泵閥并聯(lián)回路等多種回路進行控制。

1.2 回路控制方案

在液壓缸運動過程中，泵控回路和閥控回路分別通過PID控制。在兩種回路切換的過程中，以泵控閉式回路為主、閥控開式回路為輔為原則，設計模糊切換策略如圖2所示，主要包括：回路切換策略、泵和閥各回路的PID控制、單出桿缸泵閥并聯(lián)驅動回路。其中，單出桿缸泵閥并聯(lián)驅動回路中僅畫出主要部分。

圖2中，由液壓缸桿的位移偏差和速度作為切換判斷條件，進而根據模糊切換得出兩個回路的切換系數，即泵控系數和閥控系數。通過切換系數與PID控制信號相乘，得出回路控制信號。泵控系數與閥控系數的和為1，當泵控系數為1時，閥控系數為0，此時只有泵控回路工作；同理,當閥控系數為1時只有閥控回路工作統(tǒng)；當泵控系數和閥控系數都在0～1之間時,泵閥回路共同工作。

圖2 泵閥并聯(lián)回路控制方案

2 模糊切換控制器設計

協(xié)調控制策略為：位移偏差大且速度大時，系統(tǒng)中的泵控回路工作；位移偏差小或速度小時，系統(tǒng)中的閥控回路工作；在泵閥回路切換的過程中，兩個回路共同工作且逐漸向主要工作回路過渡。

本文作者根據回路的協(xié)調控制策略和模糊控制器的結構，設計如圖3所示的模糊切換控制器。此控制器設計包括兩個部分：(1)模糊控制算法的離線計算。該過程在MATLAB中離線計算編程實現，根據經典的二維模糊控制器結構，以位移偏差和液壓缸桿的速度作為輸入，通過模糊化、模糊推理和解模糊獲得模糊控制表。(2)在線模糊控制表查詢。在實際控制時，根據模糊量化后得到的輸入值，直接查詢這張控制表，從而得到相應的輸出控制量回路切換系數，乘以比例因子，得到最終的輸出量，并用此輸出量控制泵控回路和閥控回路的切換。

圖3 模糊控制器

3 仿真分析

利用AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真對所提出的模糊切換控制進行仿真驗證。在AMESim和MATLAB中搭建泵控系統(tǒng)和控制算法的仿真模型，如圖4所示。

圖4 AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真模型

在仿真框圖中，SC_1和SC_2分別為泵控回路和閥控回路的PID控制器。AMESim中液壓缸桿的位移偏差和速度分別作為MATLAB模型的輸入，MATLAB中根據模糊切換控制器得出的控制變量作為AMESim模型的輸入，為泵控回路和閥控回路的切換系數。

在AMESim仿真模型中主要元件的參數：泵的排量為1 L/r，液壓缸端口總載質量為10 000 kg，液壓缸的活塞直徑為0.25 m，液壓缸的桿直徑為0.18 m，液壓缸的行程長度為3 m。在MATLAB/Simulink中：=110、=60、=1/12。分別對系統(tǒng)應用直接切換和模糊控制切換進行仿真，并分析切換時的相關曲線。

3.1 沖擊分析

圖5所示為采用2種切換時的沖擊分析結果。

圖5 沖擊分析

在=5.45 s時，閥控向泵控切換。圖5(a)中液壓缸在直接切換下有一個增大的值為16.2 MPa的壓力沖擊，模糊切換下沒有沖擊；圖5(b)中電機扭矩在直接切換下有一個增大的值為170 N·m的沖擊，模糊切換下沒有沖擊；圖5(c)中伺服閥流量在直接切換下有一個增大的值為56.5 L/min的沖擊，模糊切換下有增大的值為24.6 L/min的沖擊，沖擊明顯減小。

在=15.21 s時，泵控向閥控切換。圖5(a)中液壓缸在直接切換下有一個減小的值為3.2 MPa的壓力沖擊，模糊切換下沒有沖擊；圖5(b)中電機扭矩在直接切換下有一個增大的值為27.5 N·m的沖擊，模糊切換下沒有沖擊；圖5(c)中伺服閥流量在直接切換下有一個增大的值為60.9 L/min的沖擊，模糊切換下有增大的值為26.9 L/min的沖擊，沖擊明顯減小。

因此，模糊控制切換可以有效減小系統(tǒng)中液壓缸、電機和伺服閥的沖擊。

3.2 響應性能分析

圖6所示為采用不同切換時的位移跟蹤曲線和液壓缸桿的速度曲線。在5～5.7 s，液壓缸由靜止開始運動，系統(tǒng)由閥控向泵控切換；在16～22 s，液壓缸由運動到靜止，系統(tǒng)由泵控向閥控切換。

圖6 響應性能分析結果

由圖6可知：在泵閥回路切換的過程中，模糊切換下的位移跟蹤精度更高、切換響應速度更快，模糊切換可以提高回路在切換過程中的性能。

3.3 系統(tǒng)效能分析

圖7所示為系統(tǒng)效率對時間積分的曲線。可知：=35 s時,直接切換和模糊切換下系統(tǒng)效率的積分分別為896.2和875.1，模糊切換可以進一步提高系統(tǒng)效能。

圖7 效率積分

4 結論

本文作者以泵閥并聯(lián)控制回路為研究對象，為解決回路切換時的沖擊問題，設計了模糊切換控制器。相較于直接切換，該方法減小了切換過程中回路壓力、電機扭矩、伺服閥流量的沖擊，同時在一定程度上，進一步提高了系統(tǒng)動態(tài)響應性能和系統(tǒng)效能，具有良好的控制效果，且有一定的工程應用價值。