基于ga的液压机多pid控制器参数优化-赵劲松.pdf

第47卷第8期2016年8月中南大学学报(自然科学版)Journal of CentraI South University(Science andrechnoIogy)Vbl47 No8Aug2016DOI：1011817jissn1672-7207201608016基于GA的液压机多PID控制器参数优化赵劲松1一，张阳2，曹晓明2，姚静1，2(1燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室，河北秦皇岛，066004；2燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，河北秦皇岛，066004)摘要：为了解决四通道独立负载口独立控制快锻液压机系统中多个PID控制器参数与不同工况的匹配问题，提高液压机在改变工况后的锻造精度，采用改进的GA(遗传算法)对多PID控制器参数进行整定，建立不同工况下参数调整数据库。首先，建立06 MN快锻液压机系统的机理模型，在此基础上，通过系统辨识方法得到其实际的数学模型。其次，针对不同锻造行程和锻造频率，利用改进遗传算法对多PID控制器参数进行优化。最后，基于06 MN快锻液压机实验平台对仿真结果进行实验验证。研究结果表明：通过遗传算法进行多PID控制器参数优化使快锻液压机系统在多个锻造频率和锻造行程下的锻造精度达到了±1 mm，提高快锻液压机对不同工况的适应性。关键词：快锻液压机；系统辨识；遗传算法；多PID控制器；参数优化中图分类号：TP271+3；TG3168 文献标志码：A 文章编号：16727207(2016)082650_1lMultiPID controUer parameters optimiZation offast forging hydrauHc press based on GAZHA0 Jinson91一，ZHANG 1内n92，CAO Xiaomin92，YAO Jin912(1Key Laboratory ofAdvanced Fo唱ing&stamping Tectulology and Science，Minis竹of Education of China，Yanshan UniVersi吼QiIllluangdao 066004，China；2Hebei Provincial Key Laborato可of Hea、，y Machinery F1uid Power rIhnsmission and Control，Yanshan Universi吼Qillll啪gdao 066004，China)Abstract：Parameters optimization method ofmultiPID con仃oller based on impmVed genetic algorimm was presented inresponse to the mismatch problems between PID parameters and working conditions and the impmVement in fo略ingprecisionTlle eXpen da诅base of parameter a由usnent was established for di虢rent working conditions to optimizespeed fo玛ing hydmulic prcss control characteristicsFirstly，me mathematical model of electrD_hydmulic servo systemcon仃olled independently by Four_chaIlIlel-10ad ports was founded based on the mechanism modeling methodOn thisbasis，me identification experiment based on 06 MN fast fo唱ing hydraulic press elec仃o-hydraulic servo systemexperimental platfom was completedSecondly，the pammeters of PID controller were optimized by impmVed geneticalgofithm uIlder di仃erent working conditions，and me e彘ctiveness of the genetic algorithm was analyzed via simulationFinally，the con仃ol e虢ct of optmzed PID was verified on 06 MN fast fo唱ing hydraulic press elec仃0-hydraulic servosystem eXperimental platfbnllThe results show that multiPID coIIh011er optimized by genetic algorithm makes fo玛ingprccision of f瓠t fo唱ing hydraulic press system inlpmVed t0±1 mm，which can widely improVe me adaptability indi虢rent work conditionsKey words：fast fb唱ing hydraulic press，system identification，genetic algoritlllll，multi-PID con仃oller'parameteroDtimization收稿日期：2015一lO_09：修回日期：20151228基金项目(Foundati仰item)：国家自然科学基金资助项目(51575471，51505412)；燕山大学青年教师自主研究计划项目(14LGB004)(Projects(5157547l，51505412)supponed by the Nalional Namral science Foundation of china；Projec“14LGB004)supponed by Ind印endent stIldy Pmgram forY撕ng Teachers in Y柚shan uniVersity)通信作者：姚静，博士，副教授，从事重型机械电液伺服控制系统研究；Email：jyaoysueducn万方数据第8期 赵劲松，等：基于GA的液压机多PID控制器参数优化 2鲍J快锻液压机是一种用于金属锻压成型的重型机械设备，由于锻造速度快、控制精度好、自动化程度高、工艺范围广而被广泛用于航空、航天、船舶、冶金等领域的工业生产中。随着现代化工业的迅速发展，研制速度快、精度高、自动化程度高的现代化重型锻压机械具有重要的现实意义和应用价值2。快锻液压机电液伺服系统是一种典型的非线性、时变系统，且不同工艺对应的活动横梁行程、压下量、锻造频率等特征参数也不相同3_5。研究适合快锻压机工艺和负载特性的PID控制器，不仅可以提高快锻液压机的自动化程度，而且可以使其在不同工况和时变负载扰动下具有较强的鲁棒性，进而提高控制性能和锻件质量671。近年来，模糊控制、神经网络、专家系统等已经成为解决控制难题的新方法。杨俊等【8呻】为了提高水压机的控制精度，采用模糊PID控制算法用于提高间隙补偿精度，减小瞬变负载干扰下的鲁棒性；廖芳芳等【lo】提出了基于BP神经网络的PID参数整定方法；张静等11】针对温室环境控制问题，采用了改进的多目标进化算法对双PID控制器的参数进行了优化整定，并证明了该方法的有效性；CHEN等【I 2】针对四旋翼飞行器所受外界风的干扰问题采用分散PID神经网络控制以提高飞行器操纵性；梁春英等【l 3J针对农机电液伺服系统PID控制器参数进行了优化和设计。邵俊鹏等14】在对电液伺服控制系统辨识的基础上提出了自校正模糊PID控制器，改善了控制系统的性能。上述相关研究大多是在特性工况下提高系统的控制精度或P(，)>0：提高鲁棒性，很少是针对不同工况下PID控制器参数匹配，以达到系统的最优控制性能。因此，适应性强、控制性能更优的PID控制器设计成为控制领域一个具有研究意义的课题。为了提高快锻液压机在不同工况下控制器的控制性能，满足不同锻造工艺要求，本文作者主要研究内容是基于遗传算法的06 MN快锻液压机多PID控制器参数整定，提高控制器在不同工况下的适应性，进而为工程应用提供指导作用。快锻液压机液压系统建模11 06 MN快锻液压机系统建模06 MN快锻液压机电液伺服系统为非对称组合阀控制非对称液压缸系统，其简化原理如图l所示。该系统主要包括定量泵、压下缸、回程缸、比例阀、卸荷溢流阀和位移传感器。非对称组合阀是指独立控制液压缸进油腔和回油腔的2个比例换向阀开口度不同。由于快锻液压机系统采用负载口独立控制来补偿非对称缸的流量不对称特性。负载口独立控制系统增加了液压阀的控制自由度，提高了负载口独立控制系统的节能和控制特性。在快锻液压机压下和回程2个运行过程中，为达到良好的控制效果，快锻液压机一般采用多阀对压机实施独立节流口控制。4个比例阀分别安装在有杆腔和无杆腔回路上，模拟压下缸进液一定量泵；2一变频电机；3一卸荷溢流阀；4一快锻比例阀；5一PID控制器6一M程缸；7一压下缸：8一拉线式位移传感器。图1锻造液压机独立负载口控制原理图万方数据2652 中南大学学报(自然科学版) 第47卷阀、排液阀和回程缸进液阀、排液阀，构成负载口独立控制，解决了电液伺服系统的进、排油口节流面积相关联的问题，提高伺服阀控系统自由度。工作过程中，快锻阀41和44开启，配合实现压下动作，快锻阀42和43开启，配合实现回程动作。活动横梁侧面配有拉线式位移传感器，实时反馈活动横梁的位移变化。12 06 MN快锻液压机电液伺服系统数学建模采用经典控制理论建立负载口独立阀控制非对称液压缸的数学模型，为06 MN快锻液压机压下和回程阶段电液伺服系统控制策略研究奠定基础。根据图1可知：压机压下过程时，比例阀41为压下缸进液阀，比例阀44为回程缸排液阀。假设供油压力胁恒定，压下缸压力为p1，回程缸压力为p2，回油压力为po。比例控制阀的线性化流量方程分别为：Q1=j毛1x1一Kpl(p。一p1) (1)Q4=K44确一Kp4(p2一po) (2)其中：Q1和Q2分别为比例阀1和4流量，m3s；1和肠分别为比例阀1和4流量增益，m2s；zl和柏分别为比例阀1和4阀芯位移，m；局。和翰分别为比例阀1和4流量一压力系数，m3(S·Pa)。忽略管道中压力损失及系统泄漏，可得到液压缸流量方程为：Ql=4詈+等訾 Q2=4詈+等訾 (4)其中：爿。和彳：分别为压下缸、回程缸有效面积，m2；y为活动横梁位移，m；成为油液的有效体积弹性模量，Pa。液压缸输出力与负载力平衡方程为p14lp2爿2=mfj；+B。夕+玉+R (5)其中：聊。为液压缸活塞的质量，埏；邬为黏性阻尼系数，N·sm；K为负载弹簧刚度，Nm；凡为作用在活塞上的任意外负载力，N。为了便于分析非对称阀控制非对称缸的动态特性，定义非对称液压缸的两腔有效面积比加=爿：从。(00现象，位移跟踪曲线存在时延。分析实验曲线以及相关数据，可以提取出1个周期内的波峰值以及与其相对应的时问，从而得到该周期内的锻造精度和时延。其锻造精度可以达到1 mm，时延01 s。说明整定后的多PID控制器在时变负载扰动下具有较强的鲁棒性，在该多种工况下具有一定的适应性，满足控制性能的要求。在锻造行程为40 mm不同频率的多种工况下，采用整定后PID参数进行实验得到的位移跟踪曲线如图10所示。经过计算，得出图10(a)，(b)和(c)所示锻造万方数据!鱼! ±塑奎兰堂塑!鱼鉴型!塑堕丝E三浍莲曼三漤jj时间5时间5三乓淤遵星三泣?_：时间5时间577Hz：(a)050；(b)0 75；(c)100：(d)l，251一给定11；7：移；2一跟踪位移。图8锻造行程为20 mm不同频率下系统位移实验曲线Fig8 Experimental curves。f displacement tracking under different行equencieswhen fo唱ing str。k。i8 20 mm三三逾毯E三澄芝时间5时间5三三淤?j兰三浍jj时间5时间3伊lz：(a)050；(b)075；(c)100；(d)1251一给定位移；2一跟踪位移。图9锻造行程为30 mm不同频率下系统位移实验曲线Fig9 Experimental cues of displacement tracking under diff色rent行equencies when fo娼ingstroke is 30 mm万方数据第8期 赵劲松，等：綦F GA的液压机多PID控制器参数优化 26595040漤30dj20105040蹬3020102 3 4 5 6时间s2 3 4时间s，7Hz：(a)050：(b)075；(c)100：(d)1251一给定位移；2一跟踪位移。图lO锻造行程为40mm不同频率下系统位移实验曲线Fig10 Experimental curves of displacement tracking under di虢rent frequencies when fo唱ing stroke is 40 mm频率下结果，其锻造精度可以达到l mm，时延在01 s之内。但图10(d)表明：随着锻造频率的提高，系统位移跟踪性能变差，当锻造频率为125 Hz时，系统压下位置误差达到25 mm，回程阶段由于活动横梁重力的影响，压机不能回到指定位置，误差为75 mm，且滞后现象严重，难以满足压机锻造性能要求。该现象可能由于定量泵流量不能满足负载要求以及液压动力元件负载不匹配原因造成的。通过06 MN快锻液压机电液伺服系统的结构参数以及实际工况的运动参数范围可以进行估算，结合相关元件样本，呵知定量泵流量远大于相应工况下活动横梁最大速度所需流量。对系统负载特性进行相关分析，在锻造行程为40 mm，频率为125 Hz的工况下，液压动力元件的输出特性曲线可以满足最大速度和最大负载力工况点要求，但是并不能满足系统负载特性最大功率点的要求，所以出现了相位滞后和幅值衰减现象。因此，对快锻液压机进行负载匹配设计是研究相关控制策略的前提条件。实验结果验证了多PID控制器参数优化后在不同锻造行程、频率的多种常见工况下是有效的。因此，在时变负载扰动下具有较强的鲁棒性，在不同工艺下具有一定适应性，提高了06 MN快锻液压机锻造精度和控制性能。5结论1)针对06 MN快锻液压机电液伺服系统，分析系统工作原理，基于机理建模方法，分别对快锻液压机压下和回程2个运行过程建立了参数化数学模型。2)对06 MN快锻液压机电液伺服系统进行了系统辨识，得到了系统频域参数及其模型，并分别在时域和频域对辨识出的数学模型的正确性进行验证，结果显示辨识得到的系统模型拟合度达到9002。3)对遗传算法的适应度函数进行了改进，针对典型工况的仿真结果表明基于适应度函数尺度变换改进的遗传算法提高了运行效率，有效地匹配了工况变化，万方数据2660 中南大学学报(自然科学版) 第47卷使快锻液压机系统在不同工况下的锻造精度达到了±1 mm，提高了其在不同工况下的适应性。参考文献：1 高峰，郭为忠，宋清玉，等重型制造装备国内外研究与发展【J】机械工程学报，2010，46(19)：92107GAO Feng，GU0 Wei吐ong，SONG Qing”，et al Currentdevelopment of heavyduty manufacturing equipmentsJ】Jo啪a1 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