串联式泵阀协同复合控制系统控制策略研究

作     者：刘健 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王佐勋

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：电液伺服系统 泵阀协同 复合控制 Simulink 深度强化学习 

摘      要：装载机液压系统通常为负载敏感系统,尽管在一段时间内满足了基本作业需求,但该系统存在的响应迟缓、稳定性欠缺以及能量损失显著等问题日益凸显。随着工程机械行业对装载机性能要求的不断提升,特别是在定位精度、操控平稳性、微动特性以及能耗方面的严苛标准,传统的液压系统已难以满足这些高要求。因此,具有高传动效率、快速响应以及高稳定性等显著优势的电液伺服系统成为当前工程机械液压系统领域研究的热点。 串联式泵阀协同复合控制系统作为电液伺服系统的一种创新形式,综合了阀控系统与泵控系统的双重优势,不仅展现出突出的动态特性,更在能量利用方面实现了高效化。本文以串联式泵阀协同复合控制系统为研究对象,研究工作从数据采集、数据分析、系统建模、稳定性分析、控制策略设计与优化等方面展开。本文的主要贡献如下: (1)为了监控装载机液压系统状态,对液压系统进行性能诊断分析和优化设计。搭建了基于MATLAB/Simulink和Lab VIEW的多通道数据采集系统进行数据采集。根据装载机液压系统结构和采集的数据,进行了性能诊断分析。分析结果表明,装载机原液压系统运行平稳性存在明显不足,且能耗损失问题严重,直接影响了装载机的作业效率和经济效益。为解决这些问题,提出了采用具有高效节能和良好控制性能的串联式泵阀协同复合控制系统替代原有液压系统的方案。 (2)通过对串联式泵阀协同复合控制系统的结构和原理进行分析,确定了伺服电机+定量泵的系统结构。根据串联式泵阀协同复合控制系统的结构,建立了它的数学模型,并通过对模型的稳定性分析,验证了系统的稳定性和可靠性。 (3)针对串联式泵阀协同复合控制系统的控制策略进行深入研究,根据定位控制和动态跟踪控制的不同需求,设计了相应的控制策略。在系统定位控制方面,引入一种基于模式切换的控制策略,根据系统定位的不同阶段对阀进行分段控制。对于动态跟踪控制,提出了一种复合控制策略,其中泵控部分采用前馈补偿PI控制,阀控部分采用PID控制。最后,通过与单阀控系统和单泵控系统作对比实验,分析系统的跟踪精度和油源效率,验证了控制策略的有效性。 (4)为了进一步提升串联式泵阀协同复合控制系统在应对复杂多变工况时的控制性能,针对其阀控子系统,设计一种基于深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)算法的控制器,该控制器可以根据系统的实时状态和外界环境的变化,实时地调整控制策略,从而实现更为精准和高效的控制。为了验证所提出DDPG控制器的有效性,进行了不同工况下的仿真对比实验。仿真实验结果表明,所提出DDPG控制方法成功提高了串联式泵阀协同复合控制系统在面对复杂多变工况时的控制性能。