阀控电液比例位置伺服系统BP-PID控制仿真与实验研究

摘要

针对液压控制领域中伺服阀控制系统抗污染能力差，伺服元件加工制造困难，系统成本过高等缺陷，结合电液比例控制技术的最新发展趋势，采用电液比例方向阀构建了阀控电液比例位置伺服系统。运用计算机仿真与虚拟仪器技术，对阀控电液比例位置伺服系统的核心元件性能和系统智能控制方法进行了仿真与实验研究，为电液比例位置伺服系统的自适应控制提供了理论依据与实践基础。
　　 对阀控电液比例位置伺服系统工作原理及组成结构进行了讨论，针对这类系统的复杂性以及传统建模方法的局限性，采用Sim-Hydraulic建模技术完成了CQYZ-D电液比例控制实验台各元件的单元模型建立与参数设置，从而实现了系统物理网络模型的构建。对所建立模型进行了开环阶跃响应和正弦曲线跟踪分析，结果表明阀控非对称缸引起的正反方向响应特性存在明显差异。
　　 采用PID控制对系统位置阶跃信号、不同频率的正弦波与方波信号响应进行了仿真研究，获得了PID控制器参数对系统响应特性的影响规律。仿真结果表明普通PID控制在快速响应的同时系统会出现超调量过大，而保证稳态误差和稳定性时响应速度大幅下降。普通PID控制难以满足复杂非线性的电液比例伺服系统控制要求。
　　 提出将BP神经网络与普通PID控制相结合，形成BP-PID复合智能控制器。对BP神经网络自学习整定PID控制器参数的算法进行了研究，根据系统控制要求完成了BP-PID控制器设计。对阶跃信号，不同频率的正弦和方波信号进行了BP-PID控制仿真。结果表明系统BP-PID控制效果无论从响应速度，控制精度都有很大改善。BP神经网络的自学习和非线性表达能力能够根据系统运行状态调整BP网络权值，实现了在线整定PID控制器参数，缓解了系统响应快速性和稳态精度要求的矛盾。
　　 基于Labview开发了集数据采集、保存和控制信号发送于一体的控制平台。完成了电液比例控制系统核心元件--电液比例方向阀的动、静态性能的测试。在此平台上开发了BP-PID控制程序，进行了电液比例位置伺服系统的普通PID与BP-PID控制方法实验研究，对系统阶跃信号、不同频率正弦波和方波信号响应结果进行了分析。结果表明PID控制下系统响应速度慢，稳态误差较大，且滞后现象较为严重。与PID控制实验结果相比，BP-PID控制系统阶跃响应速度快并无明显超调，稳态误差明显减小，稳定后无微小振荡，正弦跟踪过程中迟滞现象基本消除。由于实验系统中比例阀的死区、迟滞及压力增益特性，定量泵的泄漏以及液压缸的滞后等因素影响，致使实验结果中响应滞后明显，系统响应速度与仿真结果相比明显变慢，在同一控制参数下系统实验结果超调量很小，稳态误差大于仿真结果。BP-PID控制实现了PID控制器参数的实时整定，克服了电液比例位置伺服系统中普通PID控制超调量大，调整时间长，滞后现象明显等缺陷，控制效果明显提高。