基于模糊PID的雙泵變頻液壓系統仿真分析*

劉顯暉，高 挺，李建強，楊 帆，單爭南

(1.廣西科技大學 自動化學院，廣西 柳州 545001；2.柳州泰姆預應力機械有限公司，廣西 柳州 545100)

0 引言

液壓傳動系統在工程領域中得到大量應用,雖然其具有傳動平穩、功率體積比大等優點,但液壓傳動系統最主要的缺點是其能量損耗大。變頻液壓技術省去復雜的變排量結構,采用變頻器、普通電機和定量泵的形式,通過控制變頻器輸入電壓來改變泵的輸出流量,從而提高系統能量利用率。

傳統的變頻液壓系統的動態響應性能不夠理想,并且低壓控制效果較差。文獻[1]為提高變頻調速液壓系統的調節范圍和響應速度,提出一種變頻液壓泵和定速液壓泵組合的液壓調速方案。文獻[2]采用粒子群算法優化PID控制器,并將其應用于雙泵直驅電液伺服系統的壓力控制。

本文采用變頻液壓技術與雙泵方案相結合,在AMESim/Simulink聯合仿真環境中分析系統性能,驗證雙泵變頻液壓系統在模糊PID控制下的優越性。

1 雙泵變頻液壓系統

1.1 液壓回路原理

雙泵變頻液壓系統原理如圖1所示。液壓油路由液壓缸、電磁換向閥、溢流閥、定量泵、異步電機、單向閥、變頻器以及油箱等組成。系統中,由定轉速電機6驅動定量泵3供油輸出恒定壓力,控制器輸出信號至變頻器4控制電機5變轉速驅動定量泵3改變供油流量輸出,變轉速電機5帶動定量泵來補充壓力輸出。

1-油箱;2-過濾器;3-定量泵;4-變頻器;5-變轉速異步電機;6-定轉速電機;7-溢流閥;8-單向閥;9,11-壓力變送器;10-電磁換向閥;12-液壓缸

1.2 控制原理

本液壓控制系統框圖如圖2所示。將液壓缸活塞桿實際位移X作為反饋信號,將液壓缸活塞桿實際位移X與期待值Xr之間誤差e作為控制器的輸入信號。控制器根據誤差值進行參數整定輸出電信號U至變頻器,再由變頻器輸出頻率信號給電機,電機驅動液壓泵輸出油液提升壓力p。由上述的步驟就完成了本液壓系統的壓力控制,模糊PID的加入會使控制器的輸出信號更能符合系統的需求。

圖2 雙泵變頻液壓控制系統框圖

2 雙泵變頻液壓系統仿真模型的建立

2.1 變頻器及電機部分[3,4]

變頻器恒壓頻比控制公式為:

f1=Kuuc.

(1)

其中:f1為電機電源頻率,Hz;Ku為電壓頻率轉換系數,Hz/V;uc為變頻器的控制電壓,V。

電機的轉矩公式為:

(2)

電機轉矩平衡公式為:

(3)

電機負載轉矩公式為:

(4)

2.2 雙泵變頻液壓模型

基于AMESim的雙泵變頻液壓系統仿真模型如圖3所示,雙泵變頻液壓系統主要參數如表1所示。

表1 雙泵變頻液壓系統主要參數

3 仿真分析

3.1 模糊PID控制系統設計

模糊控制器的輸入語言變量選擇為液壓缸活塞桿實際位移值與設定位移值之間的誤差E及其變化率EC,控制器輸出電信號至變頻器。

模糊量E、EC以及PID控制的比例、積分、微分系數Kp、Ki、Kd的隸屬度函數如圖4所示。

圖4 變量隸屬度函數分布圖

根據系統PID控制的輸出曲線并結合雙泵變頻液壓系統的特點,模糊控制輸出量ΔKp、ΔKi、ΔKd的規則如表2所示。

表2 模糊輸出規則表(ΔKp、ΔKi、ΔKd)

在MATLAB的Simulink模塊中搭建模糊PID控制系統,如圖5所示,利用AME2LCoSIM模塊與AMESim聯接。

圖5 模糊PID控制系統仿真模型

3.2 系統仿真分析

為模擬工程應用中負載突變干擾的影響,負載信號到10 s時加入一個幅值200 kN的突變力。仿真得到的液壓缸活塞桿位移輸出如圖6所示,無桿腔壓力輸出如圖7所示。

圖6 液壓缸活塞桿位移輸出

圖7 液壓缸無桿腔壓力輸出

由圖6可知:模糊PID的響應明顯優于PID控制,普通PID控制在8.32 s達到目標位移,而模糊PID控制在7.11 s達到目標位移,調節時間減少約17%;在10 s處加入干擾負載后,模糊PID控制的魯棒性明顯優于PID控制。干擾信號發生后,PID控制位移曲線從0.2 m跌落至0.124 m,模糊PID控制位移曲線僅跌落至0.16 m,模糊PID控制位移曲線在12.19 s恢復至正常,PID控制在13.71 s恢復,模糊PID控制調整時間比PID控制約少12.5%。

由圖7可知:模糊PID控制下壓力輸出更為及時穩定,普通PID控制到達壓力峰值時間為8.72 s,模糊PID控制所用時間為7.38 s,模糊PID控制相較于普通PID控制快了約18.2%,且在出現干擾負載后,模糊PID控制下的壓力輸出曲線在12.378 s恢復至峰值,而普通PID控制在13.9 s恢復至峰值,相較之下模糊PID恢復時間比PID控制減少約11%。

4 結論

本文設計了雙泵變頻液壓系統并進行了仿真分析,通過AMESim-Simulink聯合仿真平臺模擬工況,在出現階躍干擾信號后,得到液壓缸PID和模糊PID控制下的位移輸出曲線和壓力輸出曲線模型。通過對比分析,結果表明模糊PID控制極大地提升了系統的性能,模糊PID相對于普通PID控制響應速度更快,魯棒性更好,輸出更為穩定和及時。