三维非线性比例微分与小脑模型神经网络复合控制的变柔性负载电液力控制系统

查 询型自适应神经网络，可有效用于复杂动态环境下 的非线性实时控制。CMAC结构简单、学习速度快， 具有一定的范化能力，其结构如图5所示。 一 ’．， s ／ 口l Wl 寨≤； 口2 № 口3 呐 弋 ％ w4 吼 wc U 入空闯 a” ％ 图5 CMAC结构 CMAC网络将输入矢量墨通过杂凑编码映射 到物理可实现的存储器么中的c个单元，再将这些 存储单元中的内容加权求和得到网络的输出Y。在 每个控制周期结束时采用梯度下降学习法对相应权 值W进行修正，公式如下 fy：厶％ I r：I {以后)=w(k一1)+Aw(k)+6c[以后)一w(k一1)】(13) fAw(k)：珂盟 L’ ’ c 式中Aw是权重修正量；a为惯性量；瑁为网络学习 速率；e为系统误差；c为范化参数。 3．3复合控制器 对于变柔性负载电液力控制系统，在静态控制 时非线性PD控制器可以有效提高系统在参数大范 围变化时的稳定性、缩小系统稳定时间和超调量； 但在动态跟踪时，非线性PD控制器无法消除系统 输出信号存在的相位差。为了提高系统的跟踪性能， 减小跟踪相位差，加入CMAC前馈控制。在常规的 PID与CMAC控制算法中，PID的输出作为CMAC 的学习对象，经过一段时间的学习后，系统总的控 制信号由CMAC网络产生。一般而言，神经网络的 鲁棒性较差，当系统参数变化较大时容易引起系统 不稳定。本文中所采用的复合控制算法，其输出信 号始终由三维非线性PD控制器和CMAC控制器共 同产生，充分利用了三维非线性PD的大范围稳定 性和CMAC的非线性逼近能力。为了使CMAC的 学习仅依赖于当前误差值，三维非线性PD控制器 中并没有加入积分环节。复合控制器的结构如图6 所示。 图6非线性PD与CMAC复合控制结构 4变柔性负载电液力控制仿真和试验 4．1仿真 根据式(1)～(6)组成的系统非线性动力学方程 组，利用MATLAB中的SIMULINK建立系统的仿 真模型。通过仿真对该方法的效果进行初步验证。 如图7所示，仿真时采用三种不同的弹簧刚度 20、50、100kN／m来模拟不同的负载柔性。图7a"-- 7c是频率0．2Hz、幅值500N的正弦力跟踪曲线； 图7d～7f是频率O．2Hz、幅值1．8kN的正弦力跟踪 曲线。开始时CMAC网络处于学习阶段，跟踪误差 较大，经过学习后误差迅速减小。同时对于不同负 载刚度系统都具有较好的跟踪性能，这主要是因为 三维非线性PD对系统参数变化的不敏感，而 CMAC网络用于前馈起到了减小跟踪相位差的 作用。’ 图8是变柔性负载电液力跟踪仿真曲线，用来 模拟实际操作过程中负载刚度随时间变化时的系统 跟踪性能。从图8中可见，虽然负载刚度变化范围 达到了500％，但系统经过四分之一个周期的学习 时间后很快就跟上了给定信号，表明系统在时变参 数的整个变化范围内都具有较强的跟踪性能。 4．2试验 试验装置如图1所示，试验中所采用的弹簧刚 度为20kN／m和100kN／m。考虑到比例阀的死区， 在阀的控制信号上叠加了一个阶跃信号以减小死区 的影响，试验结果如图9所示。尽管负载刚度变化 达到了500％，但系统并没有出现不稳定，而且具 有较好地跟踪性能，证明了该方法的有效。试验结 果与仿真结果基本吻合，但也存在偏差，主要原因 是仿真时没有考虑液压缸的摩擦力、比例阀死区、 比例放大器的非线性等因素。 5结论 (1)电液力控制系统其本质上是一个高度非线 性且参数不确定的非线性系统；对于具有时变柔性 负载的电液力控制系统而言，其控制器的设计十分 复杂。 万方数据 148 机械工程学报 第45卷第3期 藿 R 曩 4．O 3．5 3．O 2．5 R2．0 丑 舞1．5 1．O O．5 0 2．5 2．0 1．5 1．0 0．5 0 时间f／s (a)负载刚度20kN／m，跟踪力的幅值500N (c)负载刚度100kN／m，跟踪力的幅值500N ● ／"N喇gL_ 时间f／s (e)负载刚度50l(N／m，跟踪力的幅值1．8kN 图7不同负载刚度、 时间，，s (a)力跟踪曲线 藿 R 暴 时间f／s (b)负载刚度50kN／m，跟踪力的幅值500N 时间f／S (d)负载刚度50kN／m，跟踪力的幅值1．8kN 时间r／s (f)负载刚度100kN／m，跟踪力的幅值I．8kN 负载力下的跟踪仿真曲线 p E 芝 ．譬 专 趟 毫 繇 蝠 图8变柔性负载电液力跟踪仿真曲线 时间以 (b)负载刚度变化曲线 |||||||||| || 一 || || || || || || || || 1 || || || || ．专栩醛 为匿穴丑霹 暮 z毒穴丑锥 万方数据 2009年3月 徐一鸣等：三维非线性比例微分与小脑模型神经网络复合 控制的变柔性负载电液力控制系统 149 (2)提出了新的三维非线性PD控制方法，将其 与CMAC组成复合控制器。复合控制器输出信号始 终由三维非线性PD控制器和CMAC控制器共同产 生。充分利用了三维非线性PD的大范围稳定性和 CMAC的非线性逼近能力，具有较好的控制性能。 时闻以 (a)负载MU度20kN／m 时间t／s (b)负载刚度100kN／m 图9正弦力跟踪试验曲线 (3)三维非线性PD与CMAC复合控制方法可 有效用于具有时变柔性负载的电液力控制系统；同 时该方法具有运算量小，便于在工程实际应用的 优点。 参考文献 【l】1 NIKSEFATN，SEPEHRIN．Designandexperimental evaluationofarobustforcecontrollerforallelectro． hydraulicactuatorviaquantitativefeedbacktheory[J]． ControlEngineeringPractice，2000，8：l335·1345． 【2】WUG，SEPEHRIN，ZIAEIK．Designofahydraulicforce motioncontrolsystemusinga generalizedpredictive controlalgorithm[C]／／IEEEProceedingsonControl TheoryandApplications，UnitedKingdom，1998：428—436． [3】韩俊伟，赵慧，马剑文，等．具有时变柔性负载的电液 力控制系统中Gain．ScheduledHQo控制器的研究【J]．机 械工程学报，2000，36(4)：58．61． HANJunwei，ZHAOHui，MAJianwen，eta1．Researchof gain—scheduledHoocontrollerinelectrohyrdranlicforce servosystemwithtime·varyingflexbleload[J】．Chinese JournalofMechanicalEngineering，2000，36(4)：58-61． [4】王益群，王燕山。电液力控制研究的进展[J】．液压与气 动，2002(7)．"1-4． WANGYiqun，WANGYanshan．Somedevelopmentsfor electro—hydraulicforcecontrol[J]．ChineseHydmu．1ics& Pneumatics．2002(7)：l4． 【5】陶永华．新型PID控制及其应用【M】．北京：机械工业出 版社，2002． TAOYonghua．NewtypePIDcontrolanditsapplication [M】．Beijing：ChinaMachinePress，2002． 【6】SUYX，SUNDong，DUANBY．Designofanenhanced nonlinearPIDcontroller[J]．Mechatronics，2005，15： 1005．1024． 【7】XUY，HOLLERBACHJM，MAD．AnonlinearPD controllerforforceandcontacttransientcon缸D1【J】，IEEE ControlSystemsMagazine，1995，15(1)：15—21． 【8】PARKSPC，HAHNVStabilitytheory[M]．NewYork： PrenticeHall。1993． 作者简介：徐一鸣，男，1981年出生，博士研究生。主要从事电液控制 方向的研究。 E·mail．．xym@zju．edu．cn 亳辨瞄 万方数据 三维非线性比例微分与小脑模型神经网络复合控制的变柔性 负载电液力控制系统 作者： 徐一鸣， 孙威， 杨华勇， 傅新， XU Yiming， SUN Wei， YANG Huayong， FU Xin 作者单位： 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,杭州,310027 刊名： 机械工程学报 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 年，卷(期)： 2009，45(3) 被引用次数： 0次 参考文献(8条) 1.NIKSEFAT N.SEPEHRI N Design and experimental evaluation of a robust force controller for an electrohydraulic actuator via quantitative feedback theory 2000 2.WU G.SEPEHRI N.ZIAEI K Design of a hydraulic force motion control system using a generalized predictive control algorithm 1998 3.韩俊伟.赵慧.马剑文 具有时变柔性负载的电液力控制系统中Gain-Scheduled H∞控制器的研究[期刊论文]-机械 工程学报 2000(04) 4.王益群.王燕山 电液力控制研究的进展[期刊论文]-液压与气动 2002(07) 5.陶永华 新型PID控制及其应用 2002 6.SU Y X.SUN Dong.DUAN B Y Design of an enhanced nonlinear PID controller 2005 7.XU Y.HOLLERBACH J M.MA D A nonlinear PD controller for force and contact transient control 1995(01) 8.PARKS P C HAHNV Stabilitytheory 1993 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgcxb200903022.aspx 授权使用：武汉科技大学(whkjdx)，授权号：79c4c454-4020-4e51-9cb8-9e12015104d1 下载时间：2010年10月17日