新型液压回转-机械直线执行器的死区补偿控制

doi:10.3901/JME.2024.08.337

机械工程学报 ›› 2024, Vol. 60 ›› Issue (8): 337-347.doi: 10.3901/JME.2024.08.337

扫码分享

新型液压回转-机械直线执行器的死区补偿控制

葛磊^1,2, 倪豪^1,2, 郝云晓^1,2, 赵斌^1,2, 苑永亮^1,2, 权龙^1,2

1. 太原理工大学机械与运载工程学院太原 030024;
2. 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部山西省重点实验室太原 030024

收稿日期:2023-03-27 修回日期:2023-10-09 出版日期:2024-04-20 发布日期:2024-06-17
作者简介:葛磊,男,1987年出生,博士,副研究员。主要从事工程机械节能和新型液压元件方面的研究。E-mail:415597710@qq.com;倪豪,男,1997年出生,主要从事机电液一体化系统的研究。E-mail:xiaonixiansheng@qq.com;权龙(通信作者),男,1959年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要从事电液伺服控制理论及应用,机电一体化系统的计算机仿真、辅助试验、机电系统智能控制研究。E-mail:quanlong@tyut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51805349, 51875385)。

Dead Zone Compensation Control of New Hydraulic Motor-mechanical Linear Actuator

GE Lei^1,2, NI Hao^1,2, HAO Yunxiao^1,2, ZHAO Bin^1,2, YUAN Yongliang^1,2, QUAN Long^1,2

1. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024;
2. Key Lab of Advanced Transducers and Intelligent Control System of Ministry of Education and ShanxiProvince, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024

Received:2023-03-27 Revised:2023-10-09 Online:2024-04-20 Published:2024-06-17

摘要/Abstract

摘要： 为解决泵控单出杆液压缸存在的面积不对称以及电动缸功率密度低等问题，提出采用闭式泵控液压马达代替伺服电机驱动滚珠丝杠的新型液压回转-机械直线执行器系统。同时，针对新系统由于泄漏死区所导致的难以实现准确定位的缺陷，设计一种带有负载前馈的变论域模糊PID来对死区进行补偿控制，该补偿方法充分考虑系统的非线性、扰动的不确定性，在原理上不严格依赖于系统的数学模型，能够在死区变化时对控制系统进行自适应在线调整。后在Simulink和SimulationX中建立该系统的联合仿真模型，研究结果表明，与传统的PID控制器相比，所提出的带有负载前馈的变论域模糊PID不仅有效地解决系统的死区补偿问题、显著地提高系统的定位精度，同时改善系统的动态响应特性，并使系统兼具良好的稳定性和抗干扰能力。

关键词: 泵控马达, 滚珠丝杠, 死区补偿, 负载前馈, 变论域模糊PID

Abstract: In order to solve the problems of unsymmetrical area of pump controlled single rod hydraulic cylinder and low power density of electric cylinder, a new hydraulic motor-mechanical linear actuator system using closed pump controlled hydraulic motor instead of servo motor to drive ball screw is proposed. At the same time, in view of the defect that the new system is difficult to achieve accurate positioning due to the leakage dead zone, a variable universe fuzzy PID with load feedforward is designed to compensate the dead zone. The compensation method fully considers the nonlinearity of the dead zone and the uncertainty of load disturbance. In principle, it does not strictly depend on the mathematical model of the system, and can adaptively adjust the control system when the dead zone changes. Then, in Simulink and SimulationX, the joint simulation model of the system is established. The research results show that, compared with the traditional PID controller, the proposed variable universe fuzzy PID with load feedforward not only effectively solves the problem of dead time compensation, significantly improves the positioning accuracy of the system, but also improves the dynamic response characteristics of the system, and makes the system have good robustness and anti load interference ability.

Key words: pump-control-motor, ball screw, dead-zone compensation, load feed-forward, variable universe fuzzy PID

中图分类号:

TH137

葛磊, 倪豪, 郝云晓, 赵斌, 苑永亮, 权龙. 新型液压回转-机械直线执行器的死区补偿控制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 337-347.

GE Lei, NI Hao, HAO Yunxiao, ZHAO Bin, YUAN Yongliang, QUAN Long. Dead Zone Compensation Control of New Hydraulic Motor-mechanical Linear Actuator[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(8): 337-347.

参考文献

[1] 陈超，赵升吨，崔敏超，等. 电动缸的研究现状与发展趋势[J]. 机械传动，2015，39(3)：181-186. CHEN Chao，ZHAO Shengdun，CUI Minchao，et al. Study statusand developing trend of electric cylinder[J]. Journal of Mechanical Transmission，2015，39(3)：181-186.
[2] 严亮，张波，梁维刚，等. 伺服电动缸在石油钻台机械手上的应用研究[J]. 机械工程师，2021(7)：20-22. YAN Liang, ZHANG Bo, LIANG Weigang, et al. Study on the application of servo electric cylinder in derrick floor manipulator[J]. Mechanical Engineer，2021(7)：20-22.
[3] 郝云晓，乔舒斐，夏连鹏，等. 液电混合直线驱动系统耦合特性及位置控制[J]. 机械工程学报，2021，57(22)：386-394. HAO Yunxiao，Qiao Shufei，XIA Lianpeng，et al. Coupling characteristics and position control of hydraulic-electric hybrid linear drive system[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(22)：386-394.
[4] LIU He，ZHANG Xiaogang，QUAN Long，et al. Research on energy consumption of injection molding machine driven by five different types of electro-hydraulic power units[J]. Journal of Cleaner Production，2020，242：1-11.
[5] 权龙. 泵控缸电液技术研究现状、存在问题及创新解决方案[J]. 机械工程学报，2008，44(11)：87-92. QUAN Long. Current state，problems and the innovative solution of electro-hydraulic technology of pump controlled cylinder[J]. Journal of Mechanical Engineering，2008，44(11)：87-92.
[6] 吴秋梅，刘会明，李强，等.变速泵控闭式转向系统复控策略设计及动态特性[J]. 锻压技术，2022，47(3)：159-163. WU Qiumei，LIU Huiming，LI Qiang，et al. Compound control strategy design and dynamic characteristic on variable speed pump-controlled closed steering system[J]. Forging & Stamping Technology，2022，47(3)：159-163.
[7] RAHMFELD R. Development and control of energy saving hydraulic servo drivens for mobile machine[D]. Hamburg：Hamburg University of Technology，2002.
[8] 王翔宇，张红娟，杨敬，等. 非对称泵控装载机动臂特性研究[J]. 机械工程学报，2021，57(12)：258-266，284. WANG Xiangyu，ZHANG Hongjuan，YANG Jing，et al. Research on the characteristics of wheel loader boom driven by the asymmetric pump controlled system[J]. Journal of Mechanical Engineering，2021，57(12)：258-266，284.
[9] 马艳斌，赵斌，郝云晓. 非对称泵控单出杆液压缸系统特性分析[J]. 液压与气动，2020(8)：167-175. MA Yanbin，ZHAO Bin，HAO Yunxiao. Characteristics analysis of asymmetric pump-controlled single-rod hydraulic cylinder system[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics，2020(8)：167-175.
[10] QUAN Zhongyi，QUAN Long，ZHANG Jinman. Review of energy efficient direct pump controlled cylinder electro-hydraulic technology[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，35：336-346.
[11] 赵斌，郭伟伟，葛磊，等. 新型流量自平衡泵控非对称液压缸运行特性试验研究[J]. 机械工程学报，2020，56(8)：257-264. ZHAO Bin，GUO Weiwei，GE Lei，et al. Experiment study on operation characteristics of new flow self-balancing pump controlled asymmetric hydraulic cylinder[J]. Journal of Mechanical Engineering，2020，56(8)：257-264.
[12] 姚静，蒋东廷，张伟，等. 开式泵控非对称缸系统一阶轨迹灵敏度分析[J]. 机械工程学报，2019，55(2)：223-232. YAO Jing，JIANG Dongting，ZHANG Wei，et al. First-order trajectory sensitivity analysis of open circuit pump controlled asymmetric cylinder systems[J]. Journal of Mechanical Engineering，2019，55(2)：223-232.
[13] COELHO L，CUNHA M. Adaptive cascade control of a hydraulic actuator with an adaptive dead-zone compensation and optimization based on evolutionary algorithms[J]. Expert Systems with Applications，2011，38(10)：12262-12269.
[14] DENG Wengxiang，YAO Jianyong，MA Dawei. Robust adaptive precision motion control of hydraulic actuators with valve dead-zone compensation[J]. ISA Transactions，2017，70：269-278.
[15] LUO Chengyang，YAO Jianyong，GU J. Extended-state-observer-based output feedback adaptive control of hydraulic system with continuous friction compensation[J]. Journal of the Franklin Institute， 2019， 356(15)：8414-8437.
[16] 沈伟，崔霞. 泵控马达速度伺服系统自抗扰与PID控制[J]. 机械与电子，2019，37(9)：42-46，50. SHEN Wei，CUI Xia. Comparative study of ADRC and PID control of hydraulic motor controlled by pump[J]. Machinery& Electronics，2019，37(9)：42-46，50.
[17] 张敬芳，艾超，闫桂山，等. 泵控马达液压调速系统负载扰动补偿控制[J]. 液压与气动，2016(8)：24-27. ZHANG Jingfang，AI Chao，YAN Guishan，et al. Load vibration compensation control in pump control motor system[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics，2016(8)：24-27.
[18] 董建园，曹旭妍，魏培，等. 电液比例位置控制系统的研究[J].机床与液压，2013，41(7)：40-44，47. DONG Jianyuan，CAO Xuyan，WEI Pei，et al. Research on electro-hydraulic proportional position servo system[J]. Machine Tool & Hydraulics，2013，41(7)：40-44，47.
[19] 刘霞勇，张潜，刘正浩，等. 死区直接补偿的电液系统BP神经网络控制[J]. 液压与气动，2022，46(4)：165-172. LIU Xiayong，ZHANG Qian，LIU Zhenghao，et al. BP neural network control of electro-hydraulic system with dead-zone direct compensation[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics，2022，46(4)：165-172.

新型液压回转-机械直线执行器的死区补偿控制

Dead Zone Compensation Control of New Hydraulic Motor-mechanical Linear Actuator

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	牛善帅, 王军政, 赵江波, 沈伟. 泵控电液伺服系统基于未知死区补偿的自适应鲁棒控制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(18): 327-337.
[2]	赵佳佳, 宋现春, 姜洪奎, 林明星, 宋丽伟. 考虑热弹流润滑作用的滚珠丝杠副摩擦力矩建模与分析[J]. 机械工程学报, 2023, 59(3): 176-188.
[3]	李月昊, 胡茑庆, 程哲, 尹正阳, 黄良远. 基于惯容的浮筏隔振系统人工自愈技术研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(18): 13-21.
[4]	黄涛, 杜双江, 张钎, 曹华军. 滚珠丝杠传动系统线性变参数动力学模型试验建模方法[J]. 机械工程学报, 2022, 58(9): 98-106.
[5]	谢经伦, 周长光, 聂从辉, 冯虎田, 周华西. 双螺母滚珠丝杠副进给系统轴向固有频率衰退预测方法研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(11): 120-132.
[6]	于家文, 朱鹏程, 徐永向. 基于直轴电压分析的PMSM逆变器死区补偿策略[J]. 电气工程学报, 2021, 16(4): 51-58.
[7]	赵佳佳, 林明星, 宋现春, 骆伟超, 宋丽伟. 复合载荷下滚珠丝杠副全滚珠载荷分布建模与分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(17): 126-136.
[8]	赵帅, 黄亦翔, 王浩任, 刘成良, 刘晓, 梁鑫光. 基于拉普拉斯特征马氏距离的滚珠丝杠健康评估[J]. 机械工程学报, 2017, 53(15): 125-130.
[9]	王恒, 张俊杰, 王永泉, 陈花玲. 考虑反向器影响的滚珠丝杠副摩擦力矩计算模型[J]. 机械工程学报, 2016, 52(7): 97-103.
[10]	董小闵, 彭少俊, 于建强. 自供电式汽车磁流变减振器特性研究^*[J]. 机械工程学报, 2016, 52(20): 83-91.
[11]	朱坚民, 张统超, 李孝茹. 基于结合部刚度特性的滚珠丝杠进给系统动态特性分析[J]. 机械工程学报, 2015, 51(17): 72-82.
[12]	胡建忠;王民;高相胜;昝涛. 双螺母定位预紧滚珠丝杠副轴向接触刚度分析[J]. , 2014, 50(7): 60-69.
[13]	张文辉;叶晓平. 空间机械臂基于神经网络的死区补偿控制[J]. , 2014, 50(13): 52-58.
[14]	彭天好;乐南更. 变转速泵控马达系统转速降落补偿试验研究[J]. , 2012, 48(4): 175-181.
[15]	刘栋;梅雪松;冯斌;张东升. 基于Symlets小波滤波的滚珠丝杠伺服进给系统频响特性辨识[J]. , 2011, 47(13): 153-159.