减摇水舱试验台架系统PID控制算法的研究与实现 点击:1136 | 回复:1



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发表于:2004-01-07 17:15:00
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减摇水舱试验台架系统PID控制算法的研究与实现  哈尔滨工程大学自动化学院 郑勇斌 张志虎 张 虹 李国斌 摘 要:船舶减摇水舱试验台架是研究和设计减摇水舱的重要试验设备。准确模拟船舶在海浪中的运动是设计试验台架的关键。本系统用电液力矩伺服控制系统来模拟海浪力矩,采用PID算法进行控制,其仿真结果符合要求。 关键词:减摇水舱试验台架 电液力矩伺服控制系统 PID算法 1 前言 船舶减摇装置有减摇鳍、减摇水舱等,船舶在中高速航行时利用减摇鳍可以有效地减小横摇,但是在低航速和零航速时,减摇鳍就难以发挥作用,而利用减摇水舱结构简单,造价低廉等优点,可有效地解决低航速的耐波性问题,达到明显的减摇效果。 减摇水舱在国外应用比较广泛,我国一些院所也曾开展了这方面的研究,但由于种种原因,没有形成产品。随着对船舶及舰艇耐波性要求的日益提高,开发经济有效的减摇装置势在必行。无疑,减摇水舱是最合适的减摇装置之一。 减摇水舱试验台架是进行减摇水舱研究的重要手段,它可以模拟实际舰船在海浪中的运动,研究水舱的运动、控制规律,并可测得减摇效果。由于海浪横摇力矩幅值和频率变化很快,对控制系统要求很高,所以采用电液力矩伺服控制系统。本文将对力矩伺服系统进行研究。 2 电液力矩伺服系统数学模型 减摇水舱试验台架系统方框图如图1所示:
(1)伺服阀阀口线性化流量方程:Q=KqXv-KLPL 式中Q——电液伺服阀的负载流量; Kq——电液伺服阀的阀口流量增益; Xv——电液伺服阀的阀芯位移; KL——电液伺服阀的阀口流量压力系数; PL——油缸工作腔的压力差。 (2)油缸的负载流量连续性方程: 式中A——油缸活塞的有效工作面积; y——油缸活塞的位移量; V0——油缸工作腔、阀腔和连接管道的总容积的一半; β——工作油液的有效体积弹性模数; Km——油缸总泄漏系数。 (3)油缸和折算负载力平衡方程(忽略库仑摩擦等非线性负载和油液的质量): 式中FL——动态负载; m——负载折算质量; B——负载折算阻尼系数; CK——负载折算刚度。 (4)电液伺服阀的传递函数(伺服阀是液压伺服系统中的关键环节,其性能很大程度上决定着系统的动静态特性,其传递函数形式根据伺服阀所在液压控制系统的频宽值来确定)[2]:Wsv=Kq 式中:Wsv视具体情况而定,本系统中作了简化; (5)其它传递函数 由于伺服放大器响应频率比较高,所以传递函数Ka简化为比例环节;当模拟横摇时摆动油缸的折算系数就相当于油缸中齿轮齿条的传动比k;扭矩传感器是闭环系统中重要的测量环节,其精度很大程度上决定着系统的精度,其传递函数Kf选为比例环节。 综上所述,伺服系统开环传递函数为
3 PID控制 PID控制作用有以下几点: a.比例系数直接决定控制作用的强弱,加大比例系数可以减少系统的稳态误差,提高系统的动态响应速度,但过大会使动态质量变坏,引起被控制量振荡甚至导致闭环系统不稳定。 b.积分调节作用产生90°相位滞后,使系统的稳定性降低,只要存在偏差,它的积分所产生的控制量总是用来消除稳态误差,它将使系统的动态过程变慢,而且过强的积分作用会使系统的超调量增大。 c.微分的控制作用跟偏差的变化速度有关。微分控制产生超前90°相位偏移,因而能预测偏差,有助于减少超调,克服振荡,使系统趋于稳定,并能加快系统的动作速度,减小调整时间,从而改善系统的动态性能。微分的不足之处是发大了噪声信号。 PID调节器参数易于调整,结构简单,且结构改变灵活(PI、PD…),已在大多数工业过程中得到广泛应用。但是,在实际工程应用中,要注意其弊端: ● 启动回绕现象:在启动过程中,因为误差作用会长时间保持较大的值,所以控制器的积分部分的输出将很大,将导致控制信号趋于极限值,这样当过程输出发生变化时,控制器输出仍然处于极限状态,而积分器仍然发生积分动作,这种饱和现象称为启动回绕现象。在实际应用中往往需要对标准的PID结构加以改善,例如引入非线性PID控制结构来避免这样的现象。 ● 微分突变现象:由于PID控制中存在微分或近似于微分的动作,所以进入微分环节的信号若出现跃变的现象,则控制器输出将出现一个尖峰,称作微分突变,这也是需要在实际中避免的问题,如果将微分动作放在输出信号上,因为输出信号一般较平稳,所以往往能较好的抑制微分突变的现象。 为了解决以上问题,本文设计了一种新的PID结构,结构如图2所示:
  该算法中反馈环节为KD(s)=Kp+Kds,并引入了积分环节Ki/s来确保系统的闭环响应中不存在静态误差,系统的外反馈回路的KH用来调节系统输出的幅值。为了保证进入对象环节的信号m1(t)不至于过大,在受控对象前还加入了一个饱和限幅的非线性环节,可以证明这样的控制器有着比传统的PID控制器更明显的优越性,因为它的前向通路是由单一的积分环节驱动的,而微分环节是对较为平滑的输出信号作用的,所以,不存在像传统PID控制中微分突变的现象。在控制器设计算法中,假设信号m1(t)足够小(在试验台架中,由于用软件控制,因而在工程中也是合情合理的),使得该信号在后面的饱和非线性环节中的线性段内工作,这样在推导中可忽略后面的非线性环节,从而将系统等效成一般的非线性系统,这样可大大的简化控制器设计算法的运算量。 4 系统参数的确定 已知:某船,排水量D=1574吨,船长L=98米,船宽W=10.2米,吃水H=3米,初稳心高h=1.095米,水舱水量占总排水量4%左右,船舶的固有周期T=7.243秒,无因次阻尼系数u=0.15,缩尺比λ=8.5,六级海情H1/3=5米,海浪最大横摇力矩M=3.5×10牛.米,海浪最大角频率wmax=2弧度/秒。 本系统选取齿轮齿条摆动液压油缸型号为TUBFZD50,电液伺服阀型号为CSDY3-80,力矩传感器型号为JN338。 本系统选取齿轮齿条摆动液压油缸型号为TUBFZD50,电液伺服阀型号为CSDY3-80,力矩传感器型号为JN338。 试验台架控制系统参数如表1所示。  
  由此,可得力矩伺服系统的开环传递函数为 对电液力矩伺服系统进行仿真研究,得到开环Bode图如图3所示,闭环阶跃响应如图4所示。

从工程上来看系统处于临界稳定状态,在动态响应上幅值有一半的衰减,相位上约有30°的滞后,这些都破坏了系统的稳定性。由于海浪周期约在0.2s~20s,通过折算,反映在台架上有效频段为1rad/s~100rad/s,由波特图看出,系统在此频段有超前滞后,因此需要对系统进行校正。加入PID后,根据各参数对系统的控制作用,先由小到大调Kp;若动态性能和稳态精度不能满足要求,将Kp略微减小,由小到大调Ki;若动态性能还不能令人满意,由小到大调Kd,直到符合要求。经反复调试,Kp=0.5,Ki=500,Kd=0.0003,KH=0.99。 系统仿真开环Bode如图5所示,动态阶跃响应如图6所示。

本系统用于模仿海浪力矩,输入信号为正弦波,图7和图8是跟踪情况。  




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