工程车辆液压驱动系统模糊PID自适应控制策略研究
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摘要
工程车辆牵引动力学步入了液压牵引动力学研究的崭新阶段，研究目的是改善提高机器在动态条件下工作的适应能力，从而实现车辆性能指标的最优化，操纵的全面自动化和智能化，其核心内容为发动机变转速下，变量泵-变量马达系统的结构特性以及控制策略的研究。
文章分析表明，车辆液压驱动时变非线性系统的线性模型已不能很好地满足机器的动力性，经济性要求。针对随之出现的复杂多变量液压驱动控制问题，本文根据分段思想，结合功率控制和工程实用的理想传动控制结构，提出了车辆液压驱动系统的现代综合控制策略。
文中建立了发动机变转速下，变量泵—变量马达的车辆系统非线性动态模型，并对这一多参数、时变强干扰系统进行分析，提出了包含恒功率输入环节和被控对象环节在内的综合控制结构。文章通过对马达采用三段式压力排量控制的方法将这一复杂非线性系统进行分段讨论，并重点讨论了较为复杂的流量耦合非线性区段。在该非线性区段，对耦合变量非线性方程，采用泰勒级数展开法对系统进行线性化，在Matlab／Simulink软件下建立流量耦合非线性区段的模糊PID自适应控制及恒功率控制的计算机仿真模型，并以某液压底盘试验台为算例，对该自适应控制方法进行仿真，获得较佳的动、静态性能，表明了该法的工程实用性。随后分析了该自适应控制策略在马达变排量区段的可行性，仿真发现该模糊PID自适应控制策略能很好地解决马达变排量控制问题。最后分析了控制方法中的各参数对系统性能的影响，在已有的公式基础上给出了选择控制参数的一般性原则。文中的研究方法对其它适用于车辆液压驱动系统的自适应控制方案及其它现代控制方法同样有着借鉴意义。
Construction vehicle driving dynamics step into a new stage—hydraulic driving dynamics. The research is going to improve vehicles' adaptability under dynamic condition, optimize vehicle's performance and achieve good maneuverability. The key content is variable pump-variable motor system's structure and control theory.
The paper analyses show that hydraulic driving system of construction vehicle is a nonlinear and time-varying plants which model structure is known and parameters are variety. It's linear model can't meet people's demand. Aims at complex nonlinear and variable structure factors, the paper combines constant-power control method and ideal hydraulic driving control structure, presents a modern integrate control strategy using in vehicle driving system.
The paper gives a hydraulic driving system's dynamic model which engine rev is variable and motor's displacement is variable, analyses the system and brings forward a integrate control structure includes constant-power control inputting part and system main part, then introduces motor's HA control method to the system. Bases on discussing the-flow coupling system section, paper introduces Fuzzy-PID theory to system, and presents a new control structure which uses Fuzzy-PID as control. A Simulink model was built in paper and was run to prove the system's well perfonnance. Then the paper analyses the feasibility of control strategy in motor's variable displacement section. Lastly, paper analyses coupling parameters in system, and gives the rules of selecting parameters. The research method applying in paper is suit for other vehicle driving AC systems or modern control systems.
文章分析表明，车辆液压驱动时变非线性系统的线性模型已不能很好地满足机器的动力性，经济性要求。针对随之出现的复杂多变量液压驱动控制问题，本文根据分段思想，结合功率控制和工程实用的理想传动控制结构，提出了车辆液压驱动系统的现代综合控制策略。
文中建立了发动机变转速下，变量泵—变量马达的车辆系统非线性动态模型，并对这一多参数、时变强干扰系统进行分析，提出了包含恒功率输入环节和被控对象环节在内的综合控制结构。文章通过对马达采用三段式压力排量控制的方法将这一复杂非线性系统进行分段讨论，并重点讨论了较为复杂的流量耦合非线性区段。在该非线性区段，对耦合变量非线性方程，采用泰勒级数展开法对系统进行线性化，在Matlab／Simulink软件下建立流量耦合非线性区段的模糊PID自适应控制及恒功率控制的计算机仿真模型，并以某液压底盘试验台为算例，对该自适应控制方法进行仿真，获得较佳的动、静态性能，表明了该法的工程实用性。随后分析了该自适应控制策略在马达变排量区段的可行性，仿真发现该模糊PID自适应控制策略能很好地解决马达变排量控制问题。最后分析了控制方法中的各参数对系统性能的影响，在已有的公式基础上给出了选择控制参数的一般性原则。文中的研究方法对其它适用于车辆液压驱动系统的自适应控制方案及其它现代控制方法同样有着借鉴意义。
Construction vehicle driving dynamics step into a new stage—hydraulic driving dynamics. The research is going to improve vehicles' adaptability under dynamic condition, optimize vehicle's performance and achieve good maneuverability. The key content is variable pump-variable motor system's structure and control theory.
The paper analyses show that hydraulic driving system of construction vehicle is a nonlinear and time-varying plants which model structure is known and parameters are variety. It's linear model can't meet people's demand. Aims at complex nonlinear and variable structure factors, the paper combines constant-power control method and ideal hydraulic driving control structure, presents a modern integrate control strategy using in vehicle driving system.
The paper gives a hydraulic driving system's dynamic model which engine rev is variable and motor's displacement is variable, analyses the system and brings forward a integrate control structure includes constant-power control inputting part and system main part, then introduces motor's HA control method to the system. Bases on discussing the-flow coupling system section, paper introduces Fuzzy-PID theory to system, and presents a new control structure which uses Fuzzy-PID as control. A Simulink model was built in paper and was run to prove the system's well perfonnance. Then the paper analyses the feasibility of control strategy in motor's variable displacement section. Lastly, paper analyses coupling parameters in system, and gives the rules of selecting parameters. The research method applying in paper is suit for other vehicle driving AC systems or modern control systems.
引文
[1] 姚怀新．行走机械液压传动与控制．人民交通出版社，2002．1
[2] REXROTH. Variable Displacement motor A6VM. 1995
[3] 姚怀新．车辆液压驱动系统的控制原理及参数匹配．中国公路学报，2002(7)第15卷第3期：115-118
[4] 路甬祥，胡大泫．电液比例控制技术．机械工业出版社，1988
[5] 绪方胜彦，卢伯英等译．现代控制工程．科学出版社，1978
[6] 赵明洁，杨莹春．基于Popov超稳定性理论的模糊自适应控制器设计方法．自动化学报2001．5
[7] 薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计，机械工业出版社，2005．1
[8] 黄道平．Matlab与控制系统的数字仿真及CAD．化学工业出版社，2004
[9] 姚怀新．推土机载荷自动调节系统．西安公路交通大学学报，1995(3)：1-4
[10] 薛定宇．高等应用数学问题的MATLAB求解．清华大学出版社，2004
[11] 姜继海．二次调节静液压传动技术．液压气动与密封，2000(12)，1-3
[12] 刘宗辉，蒲红等．二次调节静液压传动技术的发展及应用．佳木斯大学学报，2001(3)：52-55
[13] REXROTH．现代化行走机械的传动与控制．专业会议文集，1995
[14] 谢卓伟．恒压网络二次转速、转矩调节．机床与液压，1997(5)：33-35
[15] 李文华，王慧．次级调节转速控制系统的特性分析．煤炭学报，2002(6)：300-303
[16] 王春行．液压伺服控制系统．机械工业出版社，1990(8)
[17] Sauer. Series 90 Axial Piston Pumps and Motors Technical Information. 1995
[18] 陆元章．液压系统的建模与分析．上海交通大学出版社，1989
[19] 李永堂，雷步芳，高雨茁．液压系统建模与仿真．冶金工业出版社，2003
[20] REXROTH. Control of secondary units with A4VS axial piston units, RE92 055/10.97
[21] 姜继海．二次调节静液传动闭环位置系统和PID控制．工程机械，2000(5)：26-30
[22] 于峰，刘宇辉等．二次调节转速系统的双闭环控制特性研究．佳木斯大学学报(自然科学版)，2000(6)：103-105
[23] 蒲红，高树春等．二次调节静液传动系统恒功率控制的研究．佳木斯大学学报(自然科学版)，2002(12)：365-368
[24] 战兴群，张炎华，赵克定．二次调节扭矩加载系统动态特性的研究．中国工程科学，2000(7)：47-54
[25] I．D．朗道，吴百凡译．自适应控制—模型参考方法．国防工业出版社，1985
[26] 韩鲁晋．自适应控制．清华大学出版社，1994
[27] 吴士昌，臧瀛芝．自适应控制系统．机械工业出版社，1990
[28] 陈新海，李言俊等．自适应控制及应用．西北工业大学出版社，1998
[29] 陶永华．新型PID控制及其应用．机械工业出版社．2002．10
[30] 李国勇编著．智能控制及其MATLAB实现．电子工业出版社．2005．5
[31] 刘金坤编著．先进PID控制及MATLAB仿真．电子工业出版社．2004．9
[32] Lin Jian Ya, Chen Ken. Error Adaptive Regulation of Electrohydraulic Position Servo System With Variable Parameters, Fluid power transmission and control proceedings of the 2nd international conference, Hang Zhou, march 2001
[33] Chen Jiashi, Gao Xinxu. Adaptive Control of Microprocessor-based Hydraulic Servo Systems FPTC-proceedings of the 2nd international conference, Hang Zhou, march 1991
[34] J. S. Yun, H. S. Cho. Adaptive Model Following Control of Electrohydraulic Velocity Control System Subjected to Unknow Disturbances. IEE proceedings, Vol 135, pt. D, No. 2, march 1989
[35] MathWorks. SIMULINK/model based and system based design-Using Simulink. version 5, 2002
[36] 邱晓琳，李天柁等．基于MATLAB的动态模型与系统仿真工具—Simulink 3.0／4.X．西安交通大学出版社，2003
[37] 孙亮．Matlab语言与控制系统仿真．北京工业大学出版社，2001
[38] 薛定宇，陈阳泉．基于MATLAB／Simulink的系统仿真技术与应用．清华大学出版社，2002
[39] 孙庆华．电液伺服系统的非线性控制[硕士学位论文]．西北工业大学，2001
[40] 邵俊鹏，许星辉，马坤．液压伺服系统MRFAC理论及其MATLAB仿真研究．液压气动与密封，2002(6)：4-5
[41] 黄道平．Matlab与控制系统的数字仿真及CAD．化学工业出版社，2004
[42] 姚怀新．推土机载荷自动调节系统．西安公路交通大学学报．1995(3)：1-4
[43] 张京明，赵桂范，姜立标．发动机特性计算模型在整车性能计算中的应用．车用发动机，2000(6)：26-28
[44] 万德永，王友林．内燃机性能试验数据的计算机处理与作图．柴油机，2000(1)：18-23
[45] 刘小河，崔杜武．非线性系统的模型参考自适应控制．西北大学学报(自然科学版)，1999(4)：99-104
[46] 陈超，工程车辆液压驱动非线性系统控制策略与仿真研究．硕士论文．2005．6
[47] 梅晓榕主编．自动控制原理．科学出版社．2003．2
[48] 钟肇庆编著．可编程控制器原理及应用．华南理工大学出版社．2004．10
[49] 赵松年主编．机电一体化机械系统设计．机械工业出版社．2000．10
[50] 姚怀新．工程车辆液压动力学关键问题的理论研究与试验台建设．博士论文．2006
[51] 孙祖望．牵引动力学讲义．西安公路学院，1988(5)
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