基于模糊控制器的液压系统模糊控制的性能及应用研究

作者：郑春歧，高风阳，张国忠

1、液压系统控制的基本内容

液压系统是挖掘机实现各种运动和进行自动控制的基础。从某种意义上来讲，液压系统的性能决定着挖掘机的质量与工作效率。现代挖掘机能够根据工作环境和作业条件，自动实现分功率的变量与全功率变量，以保证任何情况下发动机均不超载，使发动机运行平稳且功率得到充分利用；还应设置减速系统（AutoSlow）和负控制系统（Negative Control），以便当其工作装置不动作时，使发动机油门自动减小，并使液压泵排量减至最小以节省能量。根据挖掘机工况变化大而快这一特点，为有效利用以动机功率，且保证安全，正常作业，现代挖掘机控制系统应具有下列功能：

（1）速度传感 检查发动机转速是否在输出范围内，并控制液压泵驱动扭矩使二者匹配及防止发动机熄火。

（2）负荷传感 调节液压泵排量，江中实际工作时每个执行元件对流量的需求，节省能量并获得精确操纵机器的效果。

（3）流量分配控制 为实现工作装置的联合动作，需对每执行元件（如斗杆液压缸、铲斗液压缸等）提供不同的压力和流量。当液压系统只有一台主泵时，通过流量分配控制使各执行元件同时动作，满足不同作业的要求。

（4）工作制式选择 满足不同工作方式的需要求，负括挖掘作业、挖沟、平整和精细动作制式。

（5）行走马达控制 设置高速、中速、低速行走自动选择系统，实现机器行走随外载荷变化自动无级调速，使行走速度与操纵手柄原位置相对应。

（6）回转停车制动控制 当机器停止时，回转停车制动器用以防止上部结构因重力而回转。作业时，回转停车制动应在操纵手柄复位几秒钟后才能起作用，防止上部结构回转运动的慢性力引起零部件的损坏。

（7）预热 在液压油温低于某一界线时，发动机转速自动增高，液压磁流量即随之增加，液压系统很快被加热。

（8）突发增力 对主溢流阀施以背压，使系统溢流额定压力上升，短时间提高作业功率。

以上功率的实现，多与对液压系统的控制有关。

由于液压系统的信息具有模糊性、不确定性和偶然性，分析和实践表明，模糊控制非常适用这一类系统控制。

2、液压系统模糊控制

模糊控制系统的核心是模糊控制器，由模糊化、模糊推理、模糊判决（反模糊化）三部分组成，模糊控制工作原理见图1，其中虑线部分表示模糊控制器；e、ec分别表示实测值与设定值的偏差及偏差变化率；E，EC为模糊化的偏差及偏差变化率；u表示模糊控制量，u*为标度变换前的精确量；K1、K2、K3皆为标度变换系数；r、y分别为输入量和输出量。

图1 模糊控制工作原理

对于变负载工况的进、回油旁路节流调速液压系统，采用均匀分布的隶属度函数曲线；控制总表生成时，首先将三个语言变量e、ec和u划分为7挡，即用7个模糊子集；正大（PL），正中（PM）、正小（PS）、零（ZO）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NL）表示。e、ec相应于各模糊子集的取值，即为隶属度。它不示某一确定量对模糊子集的隶属程度。

控制规则确定了输入量e和ec与输出量u之间的某种关系，是由“IF.。..THEN.。.”的条件语句来描述的：

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

其中A、B、C代表模糊子集，经离线推理，得到模糊总控制表，如表1所示。

表1

3、控制系统方案设计及模糊控制的计算机仿真

由前所述，现化挖掘机控制系统至少应包括8个主要部分，其中某些方面需要通过液压阀、电液阀实现，而大部功能需经过由计算机、传感器及控制执行元件组成各个子控制系统来完成。由于液压泵的的恒功率控制是液压挖掘机的重要控制内容，故本文以此为例着重探讨模糊控制逻辑及方法在该领域的应用问题。

根据国外挖掘机发展现状，设计出发展现状，设计出挖掘机液压控制系统如图2所示。

假定所髟液压油为理想液体，且伺服系统中各元件密封良好，则可得到伺服活塞位移与伺服阀控制电流原线性关系。亦即得到了液压泵流量与伺服阀控制电流的线性关系。由此，根据前述模糊控制策略和方法，对图2所示系统进行的计算机仿真结果示于图3、图4。其中设发动机额定功率为94kw，如图3中直线所示；设定液压泵的正常工作压力为 16MPa，变化范围为16－－5MPa及16－－32MPa。图中的曲线为液压泵压力在上述变化范围内变化时，由模糊控制策略及方法得到的发动机功率的变化规律。图4中的曲线为伺服液压缸控制电磁阀控制电流的变化规律。

图3 发动机功率变化曲线

图4 伺服控制电磁阀电流变化曲线

由图3、图4可以看出，当外载荷变化使液压泵输出压力在系统溢流阀调定压力范围内变化时，由模糊控制可得到接近发动机额定功率的变化规律，且最大的差值不超过5%。而一般的工程机械用发动机的扭矩储备系数为1.06－－1.14左右。因此，由模糊控制委动机自身特性的结合，完全可以使发动机稳定正常的工作。

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