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基于GA的液压机多PID控制器参数优化

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为了解决四通道独立负载口独立控制快锻液压机系统中多个PID控制器参数与不同工况的匹配问题,提高液压机在改变工况后的锻造精度,采用改进的GA(遗传算法)对多PID控制器参数进行整定,建立不同工况下参数调整数据库.首先,建立0.6 MN快锻液压机系统的机理模型,在此基础上,通过系统辨识方法得到其实际的数学模型.其次,针对不同锻造行程和锻造频率,利用改进遗传算法对多PID控制器参数进行优化.最后,基于0.6 MN快锻液压机实验平台对仿真结果进行实验验证.研究结果表明:通过遗传算法进行多PID控制器参数优化使快锻液压机系统在多个锻造频率和锻造行程下的锻造精度达到了±lmm,提高快锻液压机对不同工况的适应性.

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第47卷第8期

2016年8月

Vbl．47 No．8

Aug．2016

中南大学学报(自然科学版)

Journal ofCentraISouth

University(Science and’rechnoIogy)

DOI：10．11817／j．issn．1672-7207．2016．08．016

基于GA的液压机多PID控制器参数优化

赵劲松1一，张阳2，曹晓明2，姚静1，2

(1．燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室，河北秦皇岛，066004；

2．燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制实验室，河北秦皇岛，066004)

摘要：为了解决四通道独立负载口独立控制快锻液压机系统中多个PID控制器参数与不同工况的匹配问题，提高

液压机在改变工况后的锻造精度，采用改进的GA(遗传算法)对多PID控制器参数进行整定，建立不同工况下参

数调整数据库。首先，建立0．6 MN快锻液压机系统的机理模型，在此基础上，通过系统辨识方法得到其实际的

数学模型。其次，针对不同锻造行程和锻造频率，利用改进遗传算法对多PID控制器参数进行优化。最后，基于

0．6

MN快锻液压机实验平台对仿真结果进行实验验证。研究结果表明：通过遗传算法进行多PID控制器参数优化使

快锻液压机系统在多个锻造频率和锻造行程下的锻造精度达到了± 1 mm，提高快锻液压机对不同工况的适应性。

关键词：快锻液压机；系统辨识；遗传算法；多PID控制器；参数优化

文献标志码：A

中图分类号：TP271+．3；TG316．8

文章编号：1672—7207(2016)08—2650_1l

Multi—PID controUer

parameters optimiZation

based on GA

fast

forging hydrauHc press

ZHA0_{Jinson91一，ZHANG}

1内n92，CAO Xiaomin92，YAO Jin91’2

ofAdvanced

and

Science，

Tectulology

Fo唱ing&stamping

(1．Key Laboratory

Education

Minis竹of

China，Yanshan UniVersi吼QiIllluangdao 066004，China；

2．Hebei

F1uid Power rIhnsmission and

Control，

^ProvincialKey Laborato可ofHea、，y Machinery

Yanshan

Universi吼Qillll啪gdao 066004，China)

method ofmulti—PID con仃oller based on

was

presented

Abstract：Parameters

optimization

impmVedgenetic algorimm

to the mismatch

between PID

and

conditions and the

fo略ing

response

problems

parameters

working

impmVement

was established for di虢rent

conditions to

da诅base of

working

mathematical model of

optimize

precision．Tlle eXpen

parameter a由usⅡnent

control

servo

speed

hydmulic prcss

characteristics．Firstly，me

electrD_hydmulic

system

fo玛ing

the

mechanism

modeling

method．On this

con仃olled

basis，me

Four_chaIlIlel-10ad

was founded based on

independently by

ports

based on 0．6 MN fast

servo

identification

hydraulic

experiment

fo唱ing

press elec仃o-hydraulic

system

of PID controller were

was

pammeters

completed．Secondly，the

optimized by impmVedgenetic

experimental platfom

uIlder di仃erent

algofithm

mee彘ctiveness ofthe

was

analyzed

viasimulation．

conditions，and

working

genetic algorithm

PID was verified on 0．6 MNfast

servo

con仃ol e虢ct

Finally，the

optmzed

fo唱ing hydraulic press elec仃0-hydraulic

results show that multi—PID coIIh．011er

makes

system eXperimental platfbnll．The

optimized by genetic algorithm

can

fo玛ing

of f瓠t

t0± 1

press system inlpmVed

fo唱ing hydraulic

mm，which

widely improVe

adaptability

prccision

di虢rent work conditions．

words：fast

fb唱ing hydraulic press，system identification，genetic algoritlllll，multi-PID con仃oller'parameter

Key

oDtimization

收稿日期：2015一lO_09：修回日期：2015—12—28

基金项目(Foundati仰item)：国家自然科学基金资助项目(51575471，51505412)；燕山大学青年教师自主研究计划项目(14LGB004)(Projects(5157547l，

the Nalional Namral science Foundation of

for

Pmgram

stIldy

china；Projec“14LGB004)supponed

Ind印endent

51505412)supponed

in Y柚shan

Y撕ng ^Teachers

uniVersity)

通信作者：姚静，博士，副教授，从事重型机械电液伺服控制系统研究；E—mail：jyao@ysu．edu．cn

万方数据

赵劲松，等：基于GA的液压机多PID控制器参数优化

第8期

2鲍J

快锻液压机是一种用于金属锻压成型的重型机械

提高鲁棒性，很少是针对不同工况下PID控制器参数

匹配，以达到系统的最优控制性能。因此，适应性强、

控制性能更优的PID控制器设计成为控制领域一个具

有研究意义的课题。为了提高快锻液压机在不同工况

下控制器的控制性能，满足不同锻造工艺要求，本文

作者主要研究内容是基于遗传算法的0．6 MN快锻液

压机多PID控制器参数整定，提高控制器在不同工况

下的适应性，进而为工程应用提供指导作用。

设备，由于锻造速度快、控制精度好、自动化程度高、

工艺范围广而被广泛用于航空、航天、船舶、冶金等

领域的工业生产中。随着现代化工业的迅速发展，

研制速度快、精度高、自动化程度高的现代化重型锻

压机械具有重要的现实意义和应用价值[2]。快锻液压

机电液伺服系统是一种典型的非线性、时变系统，且

不同工艺对应的活动横梁行程、压下量、锻造频率等

特征参数也不相同[3_5]。研究适合快锻压机工艺和负载

特性的PID控制器，不仅可以提高快锻液压机的自动

化程度，而且可以使其在不同工况和时变负载扰动下

具有较强的鲁棒性，进而提高控制性能和锻件质

量[6—71。近年来，模糊控制、神经网络、专家系统等已

经成为解决控制难题的新方法。杨俊等【8呻】为了提高水

压机的控制精度，采用模糊PID控制算法用于提高间

隙补偿精度，减小瞬变负载干扰下的鲁棒性；廖芳芳

等【lo】提出了基于BP神经网络的PID参数整定方法；

张静等[11】针对温室环境控制问题，采用了改进的多目

标进化算法对双PID控制器的参数进行了优化整定，

并证明了该方法的有效性；CHEN等【I2】针对四旋翼飞

行器所受外界风的干扰问题采用分散PID神经网络控

制以提高飞行器操纵性；梁春英等【l3J针对农机电液伺

服系统PID控制器参数进行了优化和设计。邵俊鹏

等[14】在对电液伺服控制系统辨识的基础上提出了自

校正模糊PID控制器，改善了控制系统的性能。上述

相关研究大多是在特性工况下提高系统的控制精度或

快锻液压机液压系统建模

1．1

0．6

MN快锻液压机系统建模

MN快锻液压机电液伺服系统为非对称组合

阀控制非对称液压缸系统，其简化原理如图l所示。

该系统主要包括定量泵、压下缸、回程缸、比例阀、

卸荷溢流阀和位移传感器。非对称组合阀是指独立控

制液压缸进油腔和回油腔的2个比例换向阀开口度

不同。

由于快锻液压机系统采用负载口独立控制来补偿

非对称缸的流量不对称特性。负载口独立控制系统增

加了液压阀的控制自由度，提高了负载口独立控制系

统的节能和控制特性。在快锻液压机压下和回程2个

运行过程中，为达到良好的控制效果，快锻液压机一

般采用多阀对压机实施独立节流口控制。4个比例阀

分别安装在有杆腔和无杆腔回路上，模拟压下缸进液

P(，)>0：

一定量泵；2一变频电机；3一卸荷溢流阀；4一快锻比例阀；5一PID控制器

6一M程缸；7一压下缸：8一拉线式位移传感器。

图1锻造液压机独立负载口控制原理图

万方数据

2652

第47卷

中南大学学报(自然科学版)

阀、排液阀和回程缸进液阀、排液阀，构成负载口独

立控制，解决了电液伺服系统的进、排油口节流面积

相关联的问题，提高伺服阀控系统自由度。工作过程

中，快锻阀4．1和4．4开启，配合实现压下动作，快锻

阀4．2和4．3开启，配合实现回程动作。活动横梁侧面

配有拉线式位移传感器，实时反馈活动横梁的位移

变化。

因此，式(6)的定义对于阀控缸具有普适性。故有

Q1=4j：’=cd％x。√知

翻叫心‰ 一臣

其中：Cd为比例阀的阀口流量系数；p为液压油的密

度，kg／m3。

1．2

0．6

MN快锻液压机电液伺服系统数学建模

将负载压力定义代入式(7)得

采用经典控制理论建立负载口独立阀控制非对称

液压缸的数学模型，为0．6 MN快锻液压机压下和回

程阶段电液伺服系统控制策略研究奠定基础。

卜‰ 居塑

根据图1可知：压机压下过程时，比例阀4．1为

压下缸进液阀，比例阀4．4为回程缸排液阀。假设供

|Q{4=q‰ _括寿c旷¨

由式(8)可以求出比例阀1和4的流量增益和流量

油压力胁恒定，压下缸压力为p1，回程缸压力为p2，

回油压力为po。比例控制阀的线性化流量方程分别为：

(1)

Q1=j毛1x1一Kpl(p。一p1)

(2)

Q4=K44确一Kp4(p2一po)

～=鬻=q％括南帆m，

其中：Q1和Q2分别为比例阀1和4流量，m3／s；％1

和肠分别为比例阀1和4流量增益，m2／s；zl和柏分

别为比例阀1和4阀芯位移，m；局。和翰分别为比

例阀1和4流量一压力系数，m3／(S· Pa)。

翰=等=Cd％括南慨吼。)

忽略管道中压力损失及系统泄漏，可得到液压缸

流量方程为：

cpL

zLps—pLJ

耻器一簪，

Ql=4詈+等訾

(12)

K。：～挈：Cd‰ 珊，

(4)

印L

2(p。一pL)

Q2=4詈+等訾

因此，不对称四边滑阀的总流量系数和总的流量

其中：爿。和彳：分别为压下缸、回程缸有效面积，m2；

y为活动横梁位移，m；成为油液的有效体积弹性模量，

Pa。

一压力系数为：

∞，

液压缸输出力与负载力平衡方程为

％：等笋=警

则非对称组合阀流量线性化方程为

(5)

p14l—p2爿2=mfj；+B。夕+玉 +R

堡!± !竺。!一!!± 竺：!茎。1

Kc+=

(14)

=镌l

其中：聊。为液压缸活塞的质量，埏；邬为黏性阻尼系

数，N· s／m；K为负载弹簧刚度，N／m；凡为作用在活

塞上的任意外负载力，N。

1+所2

l+所2

gL=K口+xv—Kc+pL

(15)

为了便于分析非对称阀控制非对称缸的动态特

性，定义非对称液压缸的两腔有效面积比加=爿：从。(0

液压缸的流量方程为

<m<1)，负载压力pL印厂叩2，比例阀节流口面积梯

度比为毛=刚％，其中矾和暇分别为比例阀1和4

的阀芯节流窗口面积梯度，m。阀芯位移比以。=x以l，

将滑阀的负载流量定义为

(16)

旷孕华

设总压缩容积为K，联立式(5)，(15)和(16)，经

过拉氏变换后消去gL和仇后得到压下过程的传递函

数为

(6)

QL：烨

对于阀控对称缸，由于对称缸液压缸两腔面积相

等，即面积比，，2=1，此时其负载流量QL=(Q· +Q4)疙，

胪

=竿

彳

一

l淼l瓦+等

福l

吒

孝

，

万方数据

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