控制理论在电液控制系统中的应用综述

控制理论在电液控制系统中的应用综述　安徽工程科技学院机械工程系　王摘雷王幼民　要：简单介绍了控制理论的形成和发展、电液控制系统的组成，详细地阐述了电液控制系统的控制方　法，控制理论广泛应用于电液控制系统中，是自动化技术发展水平的重要标志，它对电液控制系统性能的改善　起着举足轻重的作用。　关键词：控制系统；电液控制；控制理论；控制方法　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｃｏｖｅｒｓ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｈｉｓｔｏｒｙ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｉｔｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｉｄｅｓｔ　ａｐｐｈｃａｆｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ—ｈｙｄ￣ｌｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａ　ｍｉｌｅｓｔｏｎｅ　ｉｎ　ｄｅ—　ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｔ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｌｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｆｅｍ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅｏｒｙ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　１控制理论的形成和发展　控制理论从形成到发展至今，已经经历了６ｏ　制、随机控制、最优控制、自适应控制、辨识与滤　波、离散事件动态系统等若干主要方向上取得了重　要进展；第三阶段则是２０世纪８ｏ年代兴起的智能　控制理论阶段，智能控制是控制论、人工智能、系　多年的历程，其主要分为３个阶段，第一阶段是　２０世纪４０年代兴起的经典控制理论阶段，经典控　制理论主要讨论单输入单输出线性系统，系统数学　模型简单。代表性的理论和方法包括Ｒｏｕｔｈ—Ｈｕｒ—　ｗｉｔｚ稳定性判据、Ｎｙｑｕｉｓｔ分析、Ｂｏｄｅ图、Ｚｉｅｇｌｅｒ—　Ｎｉｃｈｏｌｓ调节律和ｗｉｅｎｅｒ滤波等；第二阶段则是以　２０世纪６ｏ年代兴起的以状态空间为标志，称为现　代控制理论阶段，现代控制理论诞生的标志包括前　统论和信息论等多学科的高度综合与集成，是一门　新兴的交叉前沿学科，是广大从事自动控制理论研　究和实际应用的科技工作者和工程技术人员迫切需　要了解和掌握的一个新学科。　近年来，计算机在工业控制中的应用日益广　泛，如在冶金、化工生产过程控制、高精度伺服控　制以及工业机器人控制等方面都已经取得了令人瞩　目的研究与应用成果。由于计算机具有精度高、速　度快、存储容量大、逻辑判断等功能，所以，可以　实现高级复杂的控制算法，获得快速精密的控制效　果。计算机在生产中的应用，推动了控制理论的应　用和发展，并逐步形成了计算机控制这一学科。　苏联著名数学家Ｐｏｎｔｒｙａｇｉｎ的极大值原理，美国著　名数学家Ｂｅｌｌｍａｎ的动态规划和Ｋａ】ｍａｎ的递推滤波　以及状态空间模型的能控性、能观测性、反馈镇定　等代数理论的出现等。与传统的经典控制理论相　比，现代控制理论显示了如下特点：①控制对象结　构转变。控制对象结构由简单的单回路模式向多回　路模式转变，即由单输入单输出向多输入多输出转　变。它能够处理极为复杂的工业生产过程的优化和　控制问题；②研究工具转变。即由积分变换法向矩　阵理论、几何方法转变，由频率法向状态空间法转　２电液控制系统　２．１电液伺服系统　电液伺服控制系统是以液压为动力，采用电气　方式实现信号传输和控制的机械量自动控制系统，　广泛应用于冶金机械、航空航天、舰船等重要领　变，并广泛应用计算机技术；③建模手段转变。由　机理建模向统计建模转变，开始采用参数估计和系　统辨识的统计建模方法…１。近４０年来，现代控制　理论在工程技术需求和计算机发展的有力推动下，　得到了蓬勃发展，特别在非线性控制、分布参数控　《起重运输机械》　２０Ｏ７（２）　域。电液伺服控制系统将电子和液压有机结合起　来，它的一般构成如图１所示，其特点是：为闭环　系统；输出为位置、速度、力等各种物理量；控制　元件为伺服阀；控制精度高；响应速度高；用于性　一５一　维普资讯 http://www.cqvip.com

能高的场合。　图１液压伺服系统的基本构成　２．２电液比例控制系统　电液比例控制系统，尽管其结构各异，功能也　不尽相同，但都可归纳为由功能相同的基本单元组　成的系统，其一般构成如图２所示　ｊ。电液比例控　制系统主要有以下特点：可明显地简化液压系统，　实现复杂程序控制，降低费用，提高了可靠性；可　在电控制器中预设斜坡函数，实现精确而无冲击的　加速或减速，不但改善了控制过程品质，还可缩短　工作循环时间；利用电信号便于实现远距离控制或　遥控；利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目　标；能按比例控制液流的流量、压力，从而对执行　器件实现位置、速度和力的连续控制，并易实现自　动无级调速。因此，广泛应用于自动化工业场合。　机械液　１—广１一Ｉ　压反馈ｌ检测及Ｌ——］反馈器件ｌ　ｌ．一　　ｌ１　　ｌ　Ｉ　图２电液比例控制系统的一般构成　电液伺服系统和电液比例控制系统具有以下共　同的特性：输入为小功率的电气信号；输出与输入　成线性关系；可连续控制。　３控制理论在电液控制系统中的应用　电液控制系统属于本质非线性和不确定性系　统，如电液伺服阀的压力一流量特性、液压动力机　构的摩擦特性和死区特性、负载特性等都是非线　性；而不确定性因素则包括外来干扰力、温度变　化、油源压力和流量脉动等。控制理论的应用在于　提高电液控制系统的精确性和适应性。控制理论常　用的控制方法主要有以下内容。　３．１　ＰＩＤ控制　ＰＩＤ控制是Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ（比例）、Ｉｎｔｅｇｒａｌ（积　分）和Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ（微分）三者的缩写，其方法是　经典控制理论的代表，是连续系统中技术最成熟、　应用最为广泛的一种调节方式。ＰＩＤ调节的实质就　——６——　是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数　关系进行运算，其运算结果用以输出控制。它的结　构简单，参数易于调整，并在长期应用中已积累了　丰富的经验，特别是液压系统控制中，由于控制对　象精确数学模型难以建立，系统参数又经常发生变　化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进　行模型辩识，且往往不能得到预期的效果，而采用　ＰＩＤ控制并根据经验进行在线参数整定，可得到较　为满意的控制效果。另外，随着计算机特别是微机　技术的发展，ＰＩＤ数字控制算法可在计算机或者单　片机上简单实现，由于软件系统的灵活性，ＰＩＤ算　法可以得到修正而更加完善。尽管现代控制理论已　经得到长足发展，但现代工业生产中，绝大多数控　制回路仍采用ＰＩＤ调节控制器。　但传统的ＰＩＤ控制器采用线性组合方法，难于　协调快速性和稳定性之间的矛盾，在具有参数变化　和外干扰的情况下，难以保证系统具有较好的鲁棒　性，而电液控制系统的参数是随时间变化的，参数　呈非线性变化。因此，在相当多的情况下，不能取　得令人满意的效果，近年来吸收智能控制的基本思　想并利用计算机的优势，形成了模糊ＰＩＤ、自适应　ＰＩＤ、模糊自适应ＰＩＤ、非线性ＰＩＤ等多种控制器。　目前，这些ＰＩＤ控制器均取得了较为满意的效果。　３．２自适应控制　针对电液控制系统的非线性和不确定性，自适　应控制的应用非常广泛，因为自适应控制算法能自　动辨识时变系统的参数，相应地改变控制作用，使　系统的性能达到最优或次最优。当前应用最成熟的　主要有２类　３，一为自校正控制（ｓ，Ｉ℃）；二是模型　参考自适应控制（ＭＲＡＣ），图３为它们的示意图。　ＳＴＣ一般适用于慢时变的对象调节，而具有参数突　变和突加外负载干扰的电液伺服系统往往不能满足　要求，因此，液压系统中应用的自适应控制大多为　ＭＲＡＣ或其变型。　－　自适应控制尽管极大地改善了系统性能，但在　使用过程中也带来了一些问题，如对于ＳＴＣ，由于　要进行大量的辨识计算，对于响应很快的系统进行　实时控制很难；而对于ＭＲＡＣ，主要的困难是选择　一个合适的参考模型以及要按李亚夫普诺大稳定理　论或波波夫超稳定理论来设计自适应律。所以，吸　收其他控制方法的优点，研究算法简便、鲁棒性强　的自适应律是近年来发展的方向，如自适应前馈控　《起重运输机械》　２ＯＯ７　ｆ２）　维普资讯 http://www.cqvip.com

制、鲁棒自适应控制、非线性自适应控制等在电液　控制系统均得到了广泛的应用，而且都取得了显著　的效果。　图３自适应控制不意图　（ａ）自校正控制示意图　（ｂ）模型参考自适应控制示意图　３．３最优控制　所谓最优控制问题，就是寻找一个控制系统的　最优控制方案或最优控制规律，使系统能最优地达　到预期的目标－４Ｊ。以现代控制理论中的状态空间理　论为基础的最优控制算法，是当前主动控制中采用　最为普遍的控制器设计方法，它所能解决的主要对　象是结构参数模型比较准确、激励和测量信号比较　确定的系统。尽管最优控制理论在实际问题的应用　中有一定的局限性，但它仍然是主动控制的基本方　法。而线性二次型最优控制是一种最常用的方法，　图４是最优控制系统方块图。　图４最优控制系统方块图　文献５将最优控制理论应用在液压喷漆机器人　伺服系统中，并设计了最优控制器，仿真结果表明　系统动态误差小，控制精度高，实时性好，达到设　计要求。　３．４模糊控制　模糊控制就是模拟人类处理不确定对象时所采　用的这种不精确的定性方法的一种技术。它是智能　控制中较早出现的一种技术。模糊控制指应用模糊　集合理论，吸取人的思维具有模糊性的特点，统筹　《起重运输机械》　２ＯＯ７（２）　考虑系统的一种控制方法。从本质上讲，模糊控制　是一种模拟人类控制的思维和决策过程的技术。　模糊控制的基本思想是：对于用传统控制理论　无法进行分析和控制的、复杂的、无法建立数学模　型的系统，采用人类的定性化、模糊化，经验化的　控制方法，根据经验事先建立若干条用模糊变量表　达的控制规则，然后将控制输人量由精确量转变为　模糊变量，以便按模糊规则进行推理，然后经模糊　推理规则得到模糊控制输出，再将模糊输出指令进　行精确化处理，最终输出精确控制值。模糊控制系　统的基本结构如图５所示。　模糊控制之所以被运用到电液控制系统中，最　主要的原因是不需要建立数学模型，而依靠模糊推　理或其他先验知识来调定控制器。模糊控制适用于　被控参量无精确的表示方法和被控对象各种参数之　间无精确的相互关系的情况。在这种情况下，模糊　控制比精确控制优越，而液压伺服系统正属于此类　情况，如影响系统动态品质的液压固有频率　ｈ和　阻尼比　ｈ等，难以精确求出。　量　图５模糊控制不意图　３．５鲁棒日　控制　Ｈ　控制是Ｚａｍｅ首先提出，Ｈ　控制的基本思　想为：当利用研究对象的数学模型Ｇ（ｓ）设计控　制器时，由于模型的不确定性及干扰信号的不确定　性，与人们所推导的数学模型存在误差。为使系统　渐近稳定，消除干扰信号的影响，利用增广对象模　型来设计控制器　（ｓ），使得　（ｓ）在稳定被控　对象的同时，使干扰信号　到观测输出ｚ函数矩　阵　（ｓ）的Ｈ　范数最小，图６为所示的标准问　题。　Ｌ　匿　图６　Ｈ　标准结构框架　鲁棒控制理论已经逐步完善和成熟，已经被广　泛应用到电液控制系统中，文献６、７就运用了鲁　棒控制理论，建立了鲁棒控制器。仿真结果均表　明，运用所设计出来的控制器能够保证系统的快速　一７一　维普资讯 http://www.cqvip.com

性、稳定性和抗干扰能力，表现出很强的鲁棒性。　３．６神经网络控制【ＮＮＣ）　神经网络是受人脑的启发而模仿人脑神经网络　建立的信息处理系统。它是一个大规模并行分布式　处理器，它具有存贮并能利用经验的能力。在以下　方面很像人脑：网络通过学习获得知识；知识存贮　在用以描述神经元之间连接强度的权之中。它虽然　不是人脑神经系统的逼真复制，但却反映了人脑功　能的若干特征，它可以完成学习、记忆、识别和推　理等功能。　神经网络用于电液控制领域，主要是为了解决　复杂的非线性、不确定性、不确知系统的控制问　题。它之所以对电液控制系统等控制领域有吸引力　在于：①并行结构与并行处理功能；②知识（信　息）的分布式存贮；③容错性强；④具有自组织、　自学习及推理的自适应能力。因此，神经网络控制　已成为“智能控制”的一个新的分支。　３．７免疫遗传算法　免疫遗传算法是控制系统的一类较为完善和新　颖的设计方法。免疫遗传系统的优化功能主要体现　为Ｂ细胞的克隆选择机制。根据克隆选择理论，　抗体遇到抗原后，亲和度较高的抗体会绑定抗原，　同时激励分泌这种抗体的免疫Ｂ细胞发生克隆增　殖，生成大量新的Ｂ细胞。在克隆过程中，由于　出现了高概率的基因变异，使得子细胞与母细胞不　完全相同，其中亲和度更高的后代，在受同类抗原　刺激下，拥有更强的克隆增殖能力，反之则逐步衰　亡。这样，通过不断地筛选、进化，使得生存下来　的细胞的亲和度能够快速提高，最后产生与抗原高　度亲和的Ｂ细胞，分泌抗体消灭抗原。免疫遗传　算法是根据上述原理提出的。其基本思想是：将待　优化问题的最优解作为抗原，候选解为Ｂ细胞，　根据个体的性能指标确定两者之间的亲和度，以克　隆选择为基本搜索算子，通过Ｂ细胞群体的进化，　逐步提高Ｂ细胞的亲和度，最终获得亲和度最高　的个体作为问题的解。　，近年来，免疫遗传算法在国内外发展迅速，成　为智能系统中继鲁棒控制、模糊逻辑、神经网络之　后的又一研究热点。因此，生物免疫系统已经可以　处理各种扰动和不确定性，这一性质为研究提高电　一８一　液控制系统的自适应性、鲁棒性提供了新的思路。　董梅＿８将免疫算法应用到ＰＩ８ｊＤ控制器中，并对参数　进行优化设计。邹俊Ｅ９ｊ将免疫反馈引入到传统的　ＰＩＤ控制器中，并采用单层Ａｄａｌｉｎｅ神经网络作为　抗体抑制调节函数，提高免疫ＰＩＤ控制器的参数自　适应能力。该控制器具有结构简单、自适应能力强　等特点，并将该免疫ＰＩＤ控制器应用到液压位置控　制系统中，结果表明，在外界扰动和系统工况发生　变化时，该控制器能够取得满意的控制效果，表现　出很强的鲁棒性。　４结束语　随着科学技术的发展，电液控制技术已经开始　向数字化发展，液压技术同电子技术、控制技术的　结合日益紧密，因而对液压元件和电液控制系统的　性能也提出了更高的要求。因此，控制理论在电液　控制系统中将会得到更为广泛的应用。　参考文献　１刘长连．液压伺服系统优化设计理论．北京：冶金工业　出版社，ｌ９８９　２陈刚等．电液控制技术的发展与应用．机床与液压，　２００６，（４）　３　吕宏庆，李著信，苏毅．电液控制技术的现状和发展趋　势．重庆工业高等专科学校学报，１９９９：３—４　４于长官．现代控制理论．哈尔滨工业大学出版社，１９９７　５马纪明，付永领，王岩．最优控制理论在液压喷漆机器　人伺服系统中的应用研究．液压与气动，２００３，（６）　６王幼民，史妙丽．电液位置伺服系统于扰抑制问题的　日　控制．农业机械学报，２００４，３５：（６）　７方一鸣等．液压伺服驱动位置控制系统的鲁棒性能设　计．系统仿真学报，２Ｏ０２，１４：（４）　８董梅，高康林．基于免疫算法ＰＩＤ控制器参数的优化设　计．山东师范大学学报（自然科学版），２００５，２０（３）：　２９－－３０　９邹俊，傅新等．免疫ＰＩＤ在液压位置伺服系统中的应用　研究．机械工程学报，２００５，４１（１）：ｌ—５　作　者：王雷　地　址：安徽工程科技学院２３３号信箱　邮　编：２４１０００　收稿１３期：２００６—０８—１４　《起重运输机械＞　２００７（２）