基于模糊控制器的液壓系統(tǒng)模糊控制的性能及應(yīng)用研究

作者：鄭春歧，高風(fēng)陽，張國(guó)忠

1、液壓系統(tǒng)控制的基本內(nèi)容

液壓系統(tǒng)是挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)和進(jìn)行自動(dòng)控制的基礎(chǔ)。從某種意義上來講，液壓系統(tǒng)的性能決定著挖掘機(jī)的質(zhì)量與工作效率?，F(xiàn)代挖掘機(jī)能夠根據(jù)工作環(huán)境和作業(yè)條件，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)分功率的變量與全功率變量，以保證任何情況下發(fā)動(dòng)機(jī)均不超載，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)且功率得到充分利用；還應(yīng)設(shè)置減速系統(tǒng)（AutoSlow）和負(fù)控制系統(tǒng)（Negative Control），以便當(dāng)其工作裝置不動(dòng)作時(shí)，使發(fā)動(dòng)機(jī)油門自動(dòng)減小，并使液壓泵排量減至最小以節(jié)省能量。根據(jù)挖掘機(jī)工況變化大而快這一特點(diǎn)，為有效利用以動(dòng)機(jī)功率，且保證安全，正常作業(yè)，現(xiàn)代挖掘機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)具有下列功能：

（1）速度傳感 檢查發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是否在輸出范圍內(nèi)，并控制液壓泵驅(qū)動(dòng)扭矩使二者匹配及防止發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

（2）負(fù)荷傳感 調(diào)節(jié)液壓泵排量，江中實(shí)際工作時(shí)每個(gè)執(zhí)行元件對(duì)流量的需求，節(jié)省能量并獲得精確操縱機(jī)器的效果。

（3）流量分配控制 為實(shí)現(xiàn)工作裝置的聯(lián)合動(dòng)作，需對(duì)每執(zhí)行元件（如斗桿液壓缸、鏟斗液壓缸等）提供不同的壓力和流量。當(dāng)液壓系統(tǒng)只有一臺(tái)主泵時(shí)，通過流量分配控制使各執(zhí)行元件同時(shí)動(dòng)作，滿足不同作業(yè)的要求。

（4）工作制式選擇 滿足不同工作方式的需要求，負(fù)括挖掘作業(yè)、挖溝、平整和精細(xì)動(dòng)作制式。

（5）行走馬達(dá)控制 設(shè)置高速、中速、低速行走自動(dòng)選擇系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器行走隨外載荷變化自動(dòng)無級(jí)調(diào)速，使行走速度與操縱手柄原位置相對(duì)應(yīng)。

（6）回轉(zhuǎn)停車制動(dòng)控制 當(dāng)機(jī)器停止時(shí)，回轉(zhuǎn)停車制動(dòng)器用以防止上部結(jié)構(gòu)因重力而回轉(zhuǎn)。作業(yè)時(shí)，回轉(zhuǎn)停車制動(dòng)應(yīng)在操縱手柄復(fù)位幾秒鐘后才能起作用，防止上部結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慢性力引起零部件的損壞。

（7）預(yù)熱 在液壓油溫低于某一界線時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)增高，液壓磁流量即隨之增加，液壓系統(tǒng)很快被加熱。

（8）突發(fā)增力 對(duì)主溢流閥施以背壓，使系統(tǒng)溢流額定壓力上升，短時(shí)間提高作業(yè)功率。

以上功率的實(shí)現(xiàn)，多與對(duì)液壓系統(tǒng)的控制有關(guān)。

由于液壓系統(tǒng)的信息具有模糊性、不確定性和偶然性，分析和實(shí)踐表明，模糊控制非常適用這一類系統(tǒng)控制。

2、液壓系統(tǒng)模糊控制

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，由模糊化、模糊推理、模糊判決（反模糊化）三部分組成，模糊控制工作原理見圖1，其中慮線部分表示模糊控制器；e、ec分別表示實(shí)測(cè)值與設(shè)定值的偏差及偏差變化率；E，EC為模糊化的偏差及偏差變化率；u表示模糊控制量，u*為標(biāo)度變換前的精確量；K1、K2、K3皆為標(biāo)度變換系數(shù)；r、y分別為輸入量和輸出量。

圖1 模糊控制工作原理

對(duì)于變負(fù)載工況的進(jìn)、回油旁路節(jié)流調(diào)速液壓系統(tǒng)，采用均勻分布的隸屬度函數(shù)曲線；控制總表生成時(shí)，首先將三個(gè)語言變量e、ec和u劃分為7擋，即用7個(gè)模糊子集；正大（PL），正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NL）表示。e、ec相應(yīng)于各模糊子集的取值，即為隸屬度。它不示某一確定量對(duì)模糊子集的隸屬程度。

控制規(guī)則確定了輸入量e和ec與輸出量u之間的某種關(guān)系，是由“IF.。..THEN.。.”的條件語句來描述的：

IF e is A AMD （or） ec is B，THEN u is C.

其中A、B、C代表模糊子集，經(jīng)離線推理，得到模糊總控制表，如表1所示。

表1

3、控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及模糊控制的計(jì)算機(jī)仿真

由前所述，現(xiàn)化挖掘機(jī)控制系統(tǒng)至少應(yīng)包括8個(gè)主要部分，其中某些方面需要通過液壓閥、電液閥實(shí)現(xiàn)，而大部功能需經(jīng)過由計(jì)算機(jī)、傳感器及控制執(zhí)行元件組成各個(gè)子控制系統(tǒng)來完成。由于液壓泵的的恒功率控制是液壓挖掘機(jī)的重要控制內(nèi)容，故本文以此為例著重探討模糊控制邏輯及方法在該領(lǐng)域的應(yīng)用問題。

根據(jù)國(guó)外挖掘機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出挖掘機(jī)液壓控制系統(tǒng)如圖2所示。

假定所髟液壓油為理想液體，且伺服系統(tǒng)中各元件密封良好，則可得到伺服活塞位移與伺服閥控制電流原線性關(guān)系。亦即得到了液壓泵流量與伺服閥控制電流的線性關(guān)系。由此，根據(jù)前述模糊控制策略和方法，對(duì)圖2所示系統(tǒng)進(jìn)行的計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果示于圖3、圖4。其中設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率為94kw，如圖3中直線所示；設(shè)定液壓泵的正常工作壓力為 16MPa，變化范圍為16－－5MPa及16－－32MPa。圖中的曲線為液壓泵壓力在上述變化范圍內(nèi)變化時(shí)，由模糊控制策略及方法得到的發(fā)動(dòng)機(jī)功率的變化規(guī)律。圖4中的曲線為伺服液壓缸控制電磁閥控制電流的變化規(guī)律。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化曲線

圖4 伺服控制電磁閥電流變化曲線

由圖3、圖4可以看出，當(dāng)外載荷變化使液壓泵輸出壓力在系統(tǒng)溢流閥調(diào)定壓力范圍內(nèi)變化時(shí)，由模糊控制可得到接近發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率的變化規(guī)律，且最大的差值不超過5%。而一般的工程機(jī)械用發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)為1.06－－1.14左右。因此，由模糊控制委動(dòng)機(jī)自身特性的結(jié)合，完全可以使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定正常的工作。

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