CN106707753A - 一种泵用直线电机自适应控制方法 - Google Patents

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聂松林
黄叶青
郭曰伟
李芹
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance

Abstract

本发明公开了一种泵用直线电机自适应控制方法，该方法结合传统PID控制策略与模糊PID控制策略，能够在系统负载或者运行速度出现变化时，对直线电机PID参数进行自适应调节，提高直线电机驱动式柱塞泵系统的鲁棒性，实现减振降噪的目的。首先设定一个额定速度偏差比例常数作为对比参考；再根据额定工况设置好PID控制及模糊PID控制策略参数；计算出速度反馈系统的控制比例偏差；最后将计算出的控制比例偏差值与预先设定的偏差比例常数对比分析，判定所述控制比例偏差是否大于所设定速度偏差比例常数，若是，则采用模糊PID控制策略；若否，则采用PID控制策略。本发明对实现直驱式柱塞泵低振动、低流量脉动的特性具有重要意义。

Description

一种泵用直线电机自适应控制方法
技术领域
本发明涉及泵用直线电机控制技术领域，具体涉及一种应用于直驱式柱塞泵的直线电机自适应控制方法。
背景技术
直线电机驱动柱塞泵是一种利用直线电机作为动力源直接驱动柱塞做往复运动的新型柱塞泵。直线电机驱动柱塞泵由于不需要中间传动装置，相对于传统的“旋转电机+传动装置”的结构具有多方面的优势，如：振动小、噪声低，智能伺服控制等。泵用直线电机在大推力输出、位置精度等方面有特殊要求，这也就对伺服控制系统的要求越来越高。
为了实现高速度高精度的控制效果，需要寻求合理有效的控制方法。泵用直线电机的伺服系统需要满足指令无超调、无延时的跟踪、对各种扰动的抑制以及对负载变化的自适应性等要求。经典控制策略中，PID控制应用最为广泛，根据不同的被控对象采用适当的Kp、Ki、Kd这三个参数，即可以得到较为满意的控制效果。将PID控制策略与其它智能控制方法相结合，形成新型的智能复合控制，实现直线电机驱动柱塞泵系统对PID参数的自校正，使得直线电机伺服系统的鲁棒性得到增强。
随着直线电机驱动技术的发展，直线电机驱动柱塞泵的应用前景将更加开阔。直线电机驱动柱塞泵自适应智能控制方法，能够针对负载的变化情况，调整对应的伺服控制方法，对实现直驱式柱塞泵低振动、低流量脉动的特性具有重要意义。
发明内容
本发明针对直线电机驱动式柱塞泵具有负载多变、高度非线性等特点，提出一种泵用直线电机自适应控制方法。
本发明结合传统PID控制策略与模糊PID控制策略，能够在系统负载或者运行速度出现变化时，对直线电机PID参数进行自适应调节，提高直线电机驱动式柱塞泵系统的鲁棒性，实现减振降噪的目的。
本发明按如下方法实现：
一种直线电机驱动柱塞泵恒流量运动规划及控制方法，该控制方法包含了PID控制策略和模糊PID控制策略。具体包括以下步骤：
S1：预先设定一个额定速度偏差比例常数；
S2：按照额定工况设置好PID控制参数及模糊PID控制策略；
S3：计算所述永磁同步直线电机的速度反馈系统的控制比例偏差；
S4：判定所述控制比例偏差是否大于所设定速度偏差比例常数，若是，则采用模糊PID控制策略；若否，则采用PID控制策略。
本发明一种泵用直线电机自适应控制方法的有益效果在于，结合了传统PID控制策略和模糊PID控制策略，根据实际工况的负载及速度变化情况实时切换智能伺服控制方法，动态调整直线电机的控制参数。当直线电机跟随误差较大时则采用模糊PID控制策略代替传统PID控制策略，从而使直线电机获得较好的速度响应和抗干扰能力，获得良好的控制效果，对直线电机驱动式柱塞泵的减振降噪具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种泵用直线电机自适应控制方法的实施流程示意图。
图2是模糊PID控制器模型示意图。
图3是常规PID速度响应曲线。
图4是模糊PID控制速度响应曲线。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细地说明。
一种泵用直线电机自适应控制方法，具体包含了PID控制策略和模糊PID控制策略两部分。首先设定一个额定速度偏差比例常数作为对比参考；再根据额定工况设置好PID控制及模糊PID控制策略参数；开始运行直线电机驱动式柱塞泵系统，根据采集到的反馈信号，得到系统实时的跟随误差值，计算出速度反馈系统的控制比例偏差；最后将计算出的控制比例偏差值与预先设定的偏差比例常数对比分析，判定所述控制比例偏差是否大于所设定速度偏差比例常数，若是，则采用模糊PID控制策略；若否，则采用PID控制策略。主要包括以下步骤：
S1:预先设定一个额定速度偏差比例常数；
根据实际工程经验，设定一个额定速度偏差比例常数。额定速度偏差比例常数的设定关系到自适应控制系统的控制精度。若过大，则会造成系统控制效果很差，无法实现提高系统鲁棒性的功能；若过小，则会使系统过于灵敏，影响系统的正常功能。
S2：按照额定工况设置好PID控制参数及模糊PID控制策略；
泵用直线电机的PID控制参数设置需要根据特殊的应用工况调试。模糊PID控制器的设计也需根据直驱泵系统实际运行经验，进行设计和完善。
S3：计算所述永磁同步直线电机的速度反馈系统的控制比例偏差；
完成伺服控制系统的设置及调试后，运行直线电机驱动式柱塞泵系统，根据采集到的实时位置反馈信号及速度信号，得到系统实时的跟随误差值，计算出速度反馈系统的控制比例偏差；
S4：判定所述控制比例偏差是否大于所设定速度偏差比例常数，若是，则采用模糊PID控制策略；若否，则采用PID控制策略。
实施例：
本实施例以额定流量50L/min，额定工作压力4MPa的直线电机驱动式柱塞泵系统为控制对象，具体实施方法如下：
S1：预先设定一个额定速度偏差比例常数；
额定速度偏差比例常数的设定关系到自适应控制系统的控制精度。若过大，则会造成系统控制效果很差，无法实现提高系统鲁棒性的功能；若过小，则会使系统过于灵敏，影响系统的正常功能。根据以往系统试验经验，本实施例中额定速度偏差比例常数设置为5％。
S2：按照额定工况设置好PID控制参数及模糊PID控制策略；
泵用直线电机的PID控制参数设置需要根据特殊的应用工况调试，调试完毕后得到系统运行状态良好的Kp、Ki、Kd(Kp代表比例增益，Ki代表积分增益，Kd代表微分增益)等控制参数；
模糊PID控制器的设计则需要完成模糊语言的变量选取和论域划分、模糊规则设计、模糊化运算、解模糊化和控制器模型搭建几部分。
采用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}来定义7模糊语言值(七个变量即为negativebig、negative middle……及positive big的缩写，用来定义模糊变量集合中的各个元素)，来定义模糊变量E和Ec；
速度误差E和速度误差变化率Ec作为输入量，PID参数比例增益，微分增益和积分增益变化量作为模糊控制器的输出；
解模糊化运算采用最大隶属度法。
当隶属度函数为连续函数时，其公式为：
X0——模糊变量最大值；
X——模糊量集合；
μA——隶属度函数。
当隶属度函数为不连续函数时，其公式为：
xi为第i个变量。
将模糊控制器的输出与PID控制器相结合，进而完成直线电机的伺服控制。
Kvff——为速度反馈增益
根据实际工况，设计完成的模糊PID控制器模型如附图2所示。
S3：计算所述永磁同步直线电机的速度反馈系统的控制比例偏差；
采集系统运行时实时位置反馈信号及速度信号，得到系统实时的跟随误差值，计算出速度反馈系统的控制比例偏差；
S4：判定所述控制比例偏差是否大于所设定速度偏差比例常数，若是，则采用模糊PID控制策略；若否，则采用PID控制策略。
最终得到常规PID控制策略与模糊PID控制策略的响应曲线，如附图3和附图4所示。

Claims (4)

1.一种泵用直线电机自适应控制方法，其特征在于：该控制方法包含了PID控制策略和模糊PID控制策略；具体包括以下步骤：
S1：预先设定一个额定速度偏差比例常数；
S2：按照额定工况设置好PID控制参数及模糊PID控制策略；
S3：计算所述永磁同步直线电机的速度反馈系统的控制比例偏差；
S4：判定所述控制比例偏差是否大于所设定速度偏差比例常数，若是，则采用模糊PID控制策略；若否，则采用PID控制策略。
2.根据权利要求1所述的一种泵用直线电机自适应控制方法，其特征在于：具体包含了PID控制策略和模糊PID控制策略两部分；首先设定一个额定速度偏差比例常数作为对比参考；再根据额定工况设置好PID控制及模糊PID控制策略参数；开始运行直线电机驱动式柱塞泵系统，根据采集到的反馈信号，得到系统实时的跟随误差值，计算出速度反馈系统的控制比例偏差；最后将计算出的控制比例偏差值与预先设定的偏差比例常数对比分析，判定所述控制比例偏差是否大于所设定速度偏差比例常数，若是，则采用模糊PID控制策略；若否，则采用PID控制策略。
3.根据权利要求2所述的一种泵用直线电机自适应控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1:预先设定一个额定速度偏差比例常数；
根据实际工程经验，设定一个额定速度偏差比例常数；额定速度偏差比例常数的设定关系到自适应控制系统的控制精度；若过大，则会造成系统控制效果很差，无法实现提高系统鲁棒性的功能；若过小，则会使系统过于灵敏，影响系统的正常功能；
S2：按照额定工况设置好PID控制参数及模糊PID控制策略；
泵用直线电机的PID控制参数设置需要根据特殊的应用工况调试；模糊PID控制器的设计也需根据直驱泵系统实际运行经验，进行设计和完善；
S3：计算所述永磁同步直线电机的速度反馈系统的控制比例偏差；
完成伺服控制系统的设置及调试后，运行直线电机驱动式柱塞泵系统，根据采集到的实时位置反馈信号及速度信号，得到系统实时的跟随误差值，计算出速度反馈系统的控制比例偏差；
S4：判定所述控制比例偏差是否大于所设定速度偏差比例常数，若是，则采用模糊PID控制策略；若否，则采用PID控制策略。
4.根据权利要求2所述的一种泵用直线电机自适应控制方法，其特征在于：
S1：预先设定一个额定速度偏差比例常数；
额定速度偏差比例常数的设定关系到自适应控制系统的控制精度；若过大，则会造成系统控制效果很差，无法实现提高系统鲁棒性的功能；若过小，则会使系统过于灵敏，影响系统的正常功能；
S2：按照额定工况设置好PID控制参数及模糊PID控制策略；
泵用直线电机的PID控制参数设置需要根据特殊的应用工况调试，调试完毕后得到系统运行状态良好的Kp、Ki、Kd，Kp代表比例增益，Ki代表积分增益，Kd代表微分增益控制参数；
模糊PID控制器的设计则需要完成模糊语言的变量选取和论域划分、模糊规则设计、模糊化运算、解模糊化和控制器模型搭建几部分；
采用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}来定义7模糊语言值，七个变量即为negative big、negative middle……及positive big的缩写，用来定义模糊变量集合中的各个元素，来定义模糊变量E和Ec；
速度误差E和速度误差变化率Ec作为输入量，PID参数比例增益，微分增益和积分增益变化量作为模糊控制器的输出；
解模糊化运算采用最大隶属度法；
当隶属度函数为连续函数时，其公式为：
x 0 = ∫ xμ A ( x ) d x ∫ μ A ( x ) d x
X0——模糊变量最大值；
X——模糊量集合；
μA——隶属度函数；
当隶属度函数为不连续函数时，其公式为：
x 0 = Σx i μ A ( x i ) Σμ A ( x i )
xi为第i个变量；
将模糊控制器的输出与PID控制器相结合，进而完成直线电机的伺服控制；
K p = K p 0 + k 3 * Δ K p K i = K i 0 + k 4 * Δ K i K d = K d 0 + k 5 * ΔK d K v f f = K d
Kvff——为速度反馈增益
根据实际工况，设计完成的模糊PID控制器模型；
S3：计算所述永磁同步直线电机的速度反馈系统的控制比例偏差；
采集系统运行时实时位置反馈信号及速度信号，得到系统实时的跟随误差值，计算出速度反馈系统的控制比例偏差；
S4：判定所述控制比例偏差是否大于所设定速度偏差比例常数，若是，则采用模糊PID控制策略；若否，则采用PID控制策略；
最终得到常规PID控制策略与模糊PID控制策略的响应曲线。
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