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1、第37卷第1期2 0 1 6年1月兵 工 学 报ACTA ARMAMENTARIIV0137 NO1Jan 2016基于自适应模糊滑模的大型液压起竖系统控制策略研究李良，李锋，冯永保，姚晓光(第二炮兵工程大学，陕西西安710025)摘要：大型液压起竖系统由于受到诸多外界干扰等因素的影响，存在很强的非线性特性和不确定性，难以实现起竖过程的精确跟踪控制。为实现起竖过程中的精确跟踪控制设计了一种自适应模糊滑模控制器，利用模糊系统的逼近特性逼近滑模的等效控制项，并用李雅普诺夫分析方法给出了自适应律，针对自适应参数难以确定的问题，用遗传算法对参数进行了优化。仿真结果表明，该控制方法有较强的抗干扰能力和良
2、好的跟踪性能，提高了起竖过程的稳定性。关键词：控制科学与技术；滑模控制；模糊控制；液压起竖系统；非线性；遗传算法；鲁棒性中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：10001093(2016)01-0071-06DOI：103969iissn10001093201601011Research on Control Strategy of Large Hydraulic Erecting SystemBased on Adaptive Fuzzy Sliding ModeLI Liang，LI Feng，FENG Yongbao，YAO Xiaoguang(The Second Artil
3、lery Engineering University，Xian 710025，Shaanxi，China)Abstract：The large hydraulic erecting system has strong nonlinearities and uncertainties due to heavy external load，variable circumstance，oil leakage，oil viscousness and external disturbanceAll of theselead to the degradation of control performan
4、ce in position tracking control of erecting processAn adaptivefuzzy sliding mode controller is designed to overcome these problemsA fuzzy system is developed to ap-proximate the equivalent control of the sliding mode controller，and an adaptive law is presented by Lya-punov stability analysis methodH
5、owever，the adaptive parameters cannot be precisely confirmedSo thegenetic algorithm is applied to optimize the adaptive parametersSimulation results show that the pro-posed control method has good robustness and tracking performance to improve the stability of the erectingprocessKey words：control sc
6、ience and technology；sliding mode control；fuzzy control；hydraulic erecting system；nonlinearity；genetic algorithm；robustness0 引言液压传动与机械传动、电力传动相比具有体积小、质量轻、反应快、控制精度高、输出推力大等优点，因此，液压起竖系统广泛应用于一些大型武器装备的快速起竖和回平撤收。由于液压起竖系统的负收稿日期：2015-03-03基金项目：国防预先研究基金项目(9140A27040112JB47081)作者简介：李良(1984一)，男，讲师。E-mail：xzj_92
7、1163com；李锋(1966一)，男，教授，硕士生导师。E-mail：yy2021zhh163conl万方数据72 兵 工 学 报 第37卷载质量大、工作环境多变，且受油液泄漏、油液黏度、外界干扰等因素的影响，使系统存在很强的非线性特性和不确定性，因此传统的控制方式很难达到预想的控制效果。21。滑模变结构控制是一类特殊的非线性控制，由于滑动模态可以设计且与对象参数及扰动无关，使其具有快速响应、对参数及扰动不灵敏、物理实现简单等优点，近年来滑模变结构控制在电液比例、伺服控制系统得到应用”51。但滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性将引起系统的抖振，因此，对传统滑模变结构控制的改进、抖振的削弱
8、成为研究的重点。模糊控制已经在实际应用方面取得了极大的成功，但很大程度上依赖于专家的经验和知识，缺乏系统的稳定性和鲁棒性分析方法。另外，模糊控制的核心是模糊推理规则，对高阶和复杂系统，规则数随阶数呈指数增加且难以确定。因此，一些学者提出了模糊滑模的思想，在滑模控制中引入模糊控制，大大削弱了传统滑模中的抖动91。本文针对液压起竖系统的跟踪控制问题，提出了一种自适应模糊滑模的控制方案，利用模糊系统的逼近特性，设计模糊系统去逼近滑模的等效控制项，并用李雅普诺夫分析方法给出了自适应律，针对自适应参数难以确定的问题，用遗传算法对参数进行了优化，仿真结果表明该控制器有较高的跟踪控制精度。1液压起竖系统模型
9、大型液压起竖系统结构图如图1所示，主要由起竖臂、液压缸、比例阀、液压油源、车载平台等组成，控制器输出的信号控制比例阀的开口大小和方向，从而控制液压缸的伸缩，带动起竖臂完成起升和回平。以起竖臂回转点0为原点建立坐标系OXY，0。，0：分别为液压缸上、下接点，0，为起竖臂重心，设00l=fl，002=f2，0l 02=f3，003=f4，么0l 002=口n，Z0020t=al，ZX003=“2液压起竖系统的数学模型主要由力平衡方程、比例阀流量方程和液压缸流量连续性方程组成。由于用的是非对称液压缸，所以负载压力和负载流量的定义不同于对称液压缸需重新定义。设液压缸位移为x。，取状态s=X。，=X。，
10、。=X。，s、”、口分别为活塞的位移、速度、加速度，得到液压起竖系统的状态方程，详细过程见参考文献5。i!三j口+A：n+A，g。戈，“+A。+F， c t，图1 液压起竖系统结构图Fig1 Structure of hydraulic erecting system式中：A，=一壁三!；i；：?二三(A；+c。8。)；A：=一(尝；+!生!；二兰)；A，=兰型鱼学三；磊；A。=一(鲁+半F。+警印。)；g cz，=丫!二兰：!： 戈V0：A。、A：分别是无杆腔和有【(niP。+PL)，石，0，c20，且保证多项式P2+c2p+cl为Hurwitz条件。根据滑模控制原理，滑模控制律通常由等效控
11、万方数据第1期 基于自适应模糊滑模的大型液压起竖系统控制策略研究 73制“。和切换控制“。组成，等效控制将系统保持在滑模面上，切换控制迫使系统状态在滑模面上滑动，即,=M。+td,。，由i=0求得滑模的等效控制为Xpdcl ec2 eAl髫2一A 2戈3一A 4一F ，、uea 2函瓦厂一“前面介绍过液压起竖系统是典型的非线性系统，存在各种不确定性和外界环境干扰，其动态特性比较复杂，很难获得精确的数学模型，所以在传统滑模控制律中的等效控制部分难以准确确定。由于模糊系统具有万能逼近特性，所以可以用一个模糊控制器来逼近等效控制，以克服系统不确定性和外界干扰的影响。根据滑模控制的基本原理，函数。和j
12、分别表示系统任意点到滑模面。=0的相对距离和到达滑模面的相对速度，所以可以根据这二者的大小来确定控制律以获得期望的滑动模态特性。因此，以z和j作为模糊系统的输入，并且分别设计5个模糊集，即m，=m2=5，则系统共有m。t,：=25条模糊规则。采用以下两步构造模糊系统：1)对变量彳和立定义m。(i=1，2)个模糊集合A?(IT,。=1，5)；2)模糊系统的输出五。由以下25条模糊控制规则来确定，则第，条模糊规则为Ri：IF z is A州l and三is A；2 THEN“。q is B啊，其中：A，和A?2分别对应于模糊输入变量=和j的模糊子集；曰m1啦为输出变量五。的模糊子集。模糊推理过程采
13、用如下4个步骤：1)采用乘积推理机实现规则的前提推理，推理结果为,脚(z)M脚(j)；2)采用单值模糊器求砣1m2，即隶属函数最大值对应(z，三)的函数值u。(z，三)；3)采用乘积推理机实现规则前提和结论的推理，其结果为歹筹2H。?。(z)u。?：(j)，对所有的规则5 5进行并运算，则模糊系统输ttl为歹筹211 2I 12 21M一?，(z)；z(j)；4)采用中心平均解模糊器，则模糊系统的输出为矗。=辜。墨，谱2小)z(三)荟，墨。h掣。n呼(三)把了mmlm2放在集合O E R25中，引入模糊基向量孝(z，三)，则得到模糊系统输出等效控制量五。=喏(。，j)， (6)式中：孝(z，j
14、)为25维模糊基向量，且第m。m：个元素为钆：(z，j)=M。7(。)u。)m1 2lm2 2l0是未知的参数向量，可以通过自适应算法得到。根据模糊逼近理论，假设存在一个最优模糊系统Ue+q=0孝(。，j)来逼近滑模等效控制量M刚即u。=He+q+8，F为逼近误差，且满足l占l0，k0， (20)式中：占=4 100；|j=22设得到的控制信号为“2(t)=kle2+k2e3+x口dAlx2一A 2x3一A4+k+zsgn(Z)(A，g(z，)， (21)式中：z=kI el+k2e2+e3；el=Xpds；e2=Xpd一秽；e3=X鲥一；|】=1 X 106；k2=2 000实际中参数常存在
15、慢时变特性，为了更接近实际情况，假设系统参数存在不确定性，例如阻尼系数B。、弹性系数卢。、起竖臂质量m。、外界干扰d(t)具有以下形式：B。(t)=Bco+004Bcosin(02,rrt)，口。(t)=3e0+0043eosin(02,trt)，m。(t)=me0+004meosin(02,rrt)，d(t)=4 000sin(02,trt)，式中：曰小JB曲、m曲为原始值，后一部分为参数的变化。在零初始条件下，分别用所设计的自适应模糊滑模控制器、PID控制器和一般滑模控制器进行仿真，得到结果如图4图6所示。，s图4起竖角度曲线Fig4 Curves of erecting angles图5
16、跟踪角度误差曲线Fig5 Error curves of tracking angles仿真结果表明，在系统存在参数不确定性和外界干扰的情况下，所设计的自适应模糊滑模控制器是渐近稳定的，且能较好地跟踪目标信号。从图4和图5可以看出，自适应模糊滑模控制器的习5O5O玉05l100，l世m堪眦一一湖瓣一一一一一一一一薹|耋|一勰一一一啪撇一一一一一一一一一娜一一2甜研万方数据兵 工 学 报 第37卷图6起竖角速度曲线Fig6 Curves of erecting angular velocity跟踪性能明显要比PID控制器和一般滑模控制器好，跟踪误差逐渐增大后又减小，最大角度跟踪误差为0242 1
17、 o，大概到22 s后误差趋于稳定且几乎为00，而PID控制器最大误差1141 3。，起竖到位后误差1049 10，一般滑模控制器则分别为0456 o和0081 20，且后二者受参数不确定性和外界干扰的影响，起竖过程中都存在不同程度的波动。从起竖角速度曲线图6和角速度误差曲线图7也可以看出，自适应模糊滑模控制器的控制精度要比其他两种控制器高，最大误差为0143 5 os，而PID控制器和一般滑模控制器则分别为0410 5 os和0286 os，并且一般滑模控制器存在高频抖动。图8给出了不同控制器的输出信号曲线，自适应模糊滑模控制器的控制信号比较平滑，没有较明显的波动，而另外两种控制器都存在不同
18、程度的波动，特别是一般滑模控制器存在高频抖振，很难实现实际应用，而模糊控制的加入柔化了控制信号，有效减小了抖振。，s图7角速度误差曲线Fig7 Error CUlTes of angular velocity，s图8控制信号曲线Fig8 Outputs of three controllers4 结论大型装备起竖系统是典型的机电液一体化系统，存在很强的非线性特性和不确定性，为提高起竖过程的跟踪控制精度，本文将滑模控制和模糊控制相结合，设计了一种自适应模糊滑模控制器。通过和传统的PID控制、一般滑模控制的对比仿真验证，结果表明在系统存在参数不确定性和外界干扰的情况下，所设计的自适应模糊滑模控制器
19、，能快速跟踪起竖参考角度曲线，并且具有较高的控制精度和良好的跟踪性能，对外部干扰具有一定的鲁棒性，且控制信号更平稳，没有高频抖振。该控制方法为下一步装备实现快速平稳起竖控制提供了借鉴。参考文献(References)1 马长林，黄先祥，李峰，等大型装置起竖系统智能积分控制仿真研究J兵工学报，2008，29(2)：227231MA Changlin，HUANG Xianxiang，LI Feng，et a1Simulationstudy of intelligent control for large mechanism erection systemJActa Armamentarii，200
20、8，29(2)：227231(in Chinese)2 于传强，郭晓松，马长林，等导弹起竖过程的非线性预测控制J兵工学报，2008，29(11)：14001404YU Chuan-qiang，GUO Xiaosong，MA Chang-lin，et a1Nonlinear predictive control in the process of missile erectingJActaArmamentarii，2008，29(11)：14001404(in Chinese)3 Ngo Q H，Hong K SAdaptive sliding mode control of container
21、cranesJControl TheoryApplications，2012，6(5)：6626684 Guan c，Pan S xAdaptive sliding mode control of electrohydranlie system with nonlinear unknown parametersJControlEngineering Practice，2008，16(11)：127512845 李良，谢建，黄建招动态面滑模控制在大型液压起竖系统中的应用研究J兵工学报，2014，35(2)：235240LI Liang，XIE Jian，HUANG Jian-zhaoDynami
22、c surface slidingmode control for large hydraulic erecting systemJActa Arma-mentarii，2014，35(2)：235240(in Chinese)6Huang S J，Chen H YAdaptive sliding controller with self-turn-ing fuzzy compensation for vehicle suspension controlJMeehatronics，2006，16：6076227 Chiang M HA novel pith control system for
23、 a wind turbine drivenby a variablespeed pumpcontroller hydraulic servo systemJMechatronics，201l。21(4)：7357618Wallace M B，Max S D，Edwin KSliding mode control with adaptive fuzzy dead-zone compensation of an electrohydraulic SelTOsystemJJournal of Intelligent and Robot Systems，2010，58(1)：3169 AlfaroCid E，MeGookin E W，MurraySmith D J，et a1Geneticalgorithms optimization of decoupled sliding mode controllers：sireulated and reM resultsJControl Engineering Practice，2005，13(6)：739748万方数据