摘要：针对机电一体化的液压冲击器的工作特点,将模糊控制策略引入液压冲击器控制系统中,对液压冲击器的输出参数(冲击能与冲击频率)实现了模糊控制,通过实验采集数据表明,系统控制性能良好,实现了新型液压冲击器预期的工作性能要求。
关键词：工程机械；机电一体化的液压冲击器；模糊控制；单片机
液压冲击器是一种新型的液压冲击机械,它主要由活塞、控制阀和蓄能器三个基本运动体组成,是以液压力驱动活塞往复运动作功,对外输出冲击能来进行工作的。目前正广泛应用于采矿、冶金、公路交通、建筑和机械等行业,并已取得了显著的经济效益与社会效益。
一、系统工作原理
通过单片机控制键盘，设置液压冲击器的回程反馈控制压力、冲程反馈控制压力与变量泵先导油口的起始控制压力,当电液换向阀通电后,变量泵向液压冲击器供油,与此同时,CPU发出控制信号使高速开关电磁阀(以下简称开关阀)1通电、2断电,于是插装阀1上腔通压力油而关闭、插装阀2上腔通回油而开启,使液压冲击器活塞后腔通回油,活塞在前腔压力油推动下开始回程运动,因活塞尾部氮气室压缩储能,系统压力逐渐升高,通过压力传感器1采样冲击器系统压力,当系统压力达到设定的回程反馈控制压力时,CPU发出控制信号使开关阀1断电、2通电,插装阀1开启、2关闭,活塞后腔通压力油,由于活塞后腔面积大于前腔面积且在活塞尾部作用有氮气室的气体膨胀力,于是活塞在油压力与氮气膨胀力的共同作用下开始回程制动与冲程加速运动,在活塞加速冲程时,系统压力下降,当系统压力降至冲程反馈控制压力时,CPU发出控制信号使开关阀1通电、2断电,插装阀1关闭、2开启,与此同时活塞冲击镐钎完成一次工作循环;在一个工作循环内,通过压力传感器3,CPU定时采样变量泵先导油口的控制压力,与设定的控制压力进行比较,根据误差大小对开关阀3、4采取脉宽调制(PWM)或开关控制方式控制先导口油压,维持在设定油压范围内(即保持变量泵排量为设定排量)。根据压力传感器2采样得到的镐钎冲击反弹缓冲腔的峰值油压大小,CPU通过控制计算改变回程反馈控制压力、冲程反馈控制压力及变量泵先导油口控制压力。这样就使得液压冲击器能够根据工作介质的物理特性变化,连续自动控制活塞的冲击能与冲击频率,使两者能够合理匹配。
由于所研究的压力反馈式液压冲击器是通过采样缓冲腔的峰值油压,根据峰值油压的大小来确定活塞的回程反馈控制压力、冲程反馈控制压力及HD液控变量泵的先导控制压力,由此实现活塞冲击能与冲击频率的自动控制。因此,就有必要寻找缓冲腔峰值压力与活塞回程控制压力、冲程控制压力以及变量泵先导控制压力之间的对应关系。采用经典的控制算法必须首先建立受控系统较精确的数学模型,而液压冲击破碎系统是一个非常复杂的系统,在液压冲击器的工作过程中,缓冲腔的峰值油压不仅与液压冲击器本身的性能与结构参数有关,而且还与被破碎的工作介质的物理特性有关,尤其是工作介质的物理特性在冲击破碎过程中还会不断地发生随机变化,因此要建立液压冲击破碎系统较精确的数学模型是十分困难的。
二、模糊控制具有的优点
(1)无需知道被控对象的精确的数学模型,可以对数学模型难以求取或无法求取的对象进行有效控制;
(2)模糊控制规则是以人的经验总结出来的条件语句表示,对于控制理论不熟悉的一般工程技术人员也很容易学懂和掌握模糊控制的方法;
(3)由于用语言形式表示控制知识,因而有助于人机对话和系统的知识处理,具有灵活性。因而笔者设计了一个液压冲击器的模糊控制器,可根据缓冲腔峰值油压的大小对液压冲击器输出的冲击能与冲击频率进行模糊控制。
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三、压力反馈式液压冲击器系统的模糊控制器设计
3.1模糊控制器的结构设计
模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量,究竟选择哪些变量作为模糊控制器的信息量,还必须深入研究在手动控制过程中,人如何获取、输出信息,因为模糊控制器的控制规则归根结底还是要模拟人脑的思维决策方式。对于笔者所研究的压力反馈式液压冲击器,选取缓冲腔峰值油压的误差EP与误差变化ECP作为模糊控制器的输入变量,选取活塞回程反馈控制油压增量 PH与变量泵先导油口的控制油压增量 PB作为输出变量。
3.2模糊控制规则的设计
控制规则的设计是设计模糊控制器的关键,一般包括三部分设计内容:选择描述输入输出变量的词集、定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。
（1）选择描述输入和输出变量的词集
模糊控制器的控制规则表示为一组模糊条件语句,在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词汇(如“正大”、“负大”等)的集合,称为这些变量的词集(亦可称为变量的模糊状态)。选择较多的词汇来描述输入、输出变量,可以方便地制定控制规则,但控制规则相应变得复杂。若选择词汇过少,则使得描述变量变得粗糙,导致控制器的性能变坏。对于笔者所设计的模糊控制器,由于是采用8031单片机对液压冲击器进行实时模糊控制,而液压冲击器的冲击频率较高(一般为5～10Hz),考虑到8位单片机的速度限制,控制规则不能太多(一般不多于25个),因此选择输入、输出语言变量的词集为:正在（PB）、正小（PS）、零（ZE）、负小（NS）、负大（NB）。
（2）语言变量论域上的模糊子集
定义一个模糊子集,实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状,将确定的隶属函数曲线离散化就得到了有限个点上的隶属度,便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。隶属函数 (x)可以通过总结操作者的操作经验或采用模糊统计方法来确定。液压冲击器系统的模糊控制器应根据单片机中实现模糊控制的特点而进行设计。即输入变量和输出变量的隶属函数是三角形和梯形混合型隶属函数;输入输出变量的级数选为5级。
（3）模糊控制规则的建立
模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略,所不同的是手动控制决策是基于操作者的经验和技术知识,而控制器的控制决策是基于某种控制算法的数值运算。利用模糊集合理论和语言变量概念,可以把利用语言归纳的手动控制策略上升为数值运算,于是可以采用微型计算机完成这个任务以代替人的手动控制,实现所谓的模糊智能控制。
（4）模糊控制算法的实现
模糊控制器的控制算法是由计算机的程序实现的。这种程序包括两个部分:一部分为模糊控制表的生成部分,它属于模糊矩阵运算,是通过计算机事先的离线计算,取得一个模糊控制表,然后将控制表写入单片机中。另一部分为计算机在模糊控制过程中在线计算输入变量(误差、误差变化),并将它们模糊量化处理,查找控制表后再作输出处理的程序。
结语
综上，机电一体化的压力反馈式液压冲击器能够根据本次冲击时镐钎冲击反弹缓冲腔的峰值油压,自动无级调节冲击器下一次的单次冲击能与冲击频率,缓冲腔峰值油压越大,则冲击器下一次的单次冲击能越大而冲击频率越低。反之,则冲击能越小而冲击频率越大,从而首次在液压冲击器上实现了微机模糊智能控制,达到了预期的设计目标。
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论文作者:岳建波
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/28
标签：模糊论文; 液压论文; 变量论文; 压力论文; 活塞论文; 油压论文; 控制器论文; 《建筑学研究前沿》2017年第28期论文;