1.1 课题研究的目的和意义
电液伺服系统的控制目标随着研究的不断深入和广泛的应用，变得越来越复杂[1]。电液伺服系统单一的位置控制或力控制早已满足不了生产生活的实际需求。为了实现良好的控制效果，解决实际生活中出现的各种问题，人们不再只考虑单一的位置控制或力控制，进而更多考虑利用电液伺服系统的多目标协同控制策略，解决像系统与环境空间有接触的场合和其他各种复杂实际情况下的问题[2]。就目前电液伺服系统应用较多的机器人、数控机床等领域而言，工作过程中不仅会有位姿上的变动，还会与外界产生接触力，同时工作环境也会受到外界和系统的非线性因素产生的各种振动和冲击的影响[3]。为了能够提高电液伺服系统负载能力和定位精度、实现多任务操作的要求，我们必须选用合适的多目标协同控制策略，同时开发智能化更高、适用性更强的智能化控制算法，满足社会生产实践的需要[4]。研究电液伺服系统的多目标协同控制和控制算法不仅可以加深对这一研究领域的了解和应用，同时为进一步深入研究像数控机床、机器人等复杂化程度更高的产品的多目标协同控制打下基础，也为研究其他复杂系统在复杂工况下的控制提供一些有用的参考和借鉴[5]。
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1.2 多目标协同控制研究现状
电液伺服系统的多目标协同控制经过多年的研究发展后，人们已将各种多目标协同控制策略同控制算法相结合运用到了各行各业，并取得了巨大的成功[6]。本文主要研究电液伺服系统多目标协同控制中运用较多的力/位协同控制和位置/速度协同控制以及相应的控制算法实现问题。下面对其分别做详细介绍。电液伺服系统的位置/速度协同控制是指以运动学中的位移、速度物理量作为控制信号，协同作用于控制目标，起到实时控制位置信号和速度信号的目的[7]。位置和速度作为电液伺服系统最主要的控制指标，是电液伺服系统主要控制对象[8]。随着工业设备控制性能要求越来越高，控制目标越来越复杂，要想让整个设备末端操纵器达到良好的控制效果，必须实现以下的功能。如能够灵活开启和运行，可实现精确定位，同时系统还要达到动态稳定性并且具有一定的自适应能力。因此，除了考虑实现位置控制外，还需实现位置、速度间的协同控制策略，并利用相应控制算法进行控制[9]。目前，电液伺服系统的位置/速度协同控制的研究主要体现在对电液伺服机器人、数控机床、导弹的精准定位以及船舵的快速定位等各种设备的控制上。下面主要介绍此研究领域的国内外的研究现状。
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第 2 章 电液伺服系统的理论建模
2.1 引言
本章主要对电液伺服系统进行位置理论模型和力理论模型推导，并将推导的模型进行仿真和实验，观察理论模型响应结果和半实物仿真结果的差距，验证推导的理论模型的正确度。
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2.2 电液伺服系统理论建模
电液伺服系统的控制精度高、能够输出较大功率，在实际应用中系统响应速度快、控制灵活[29]。随着硬件方面的快速发展，电液伺服系统能根据实际需求处理系统的各种信号。对于未来的发展趋势而言，电气和液压优势完美结合于电液伺服系统必成为今后研究者们的主要研究方向[30]。典型的电液伺服系统如图 2-1 所示。图中工作台与液压缸活塞杆相连，用来承载外部负载。液压缸的位移由电液伺服阀通过控制流量的方式控制，所要达到的控制效果是使控制对象的位置输出可以精确的随着控制要求的变化而变化。位置输出信号主要由位移传感器来检测，并通过 A/D 卡实现模/数转换，此操作是为了便于计算机对信号的处理。将 A/D 卡转化后的数据与位置输入对比，可获得位置偏差信号，最后通过 D/A 传感器将位置偏差信号转化成模拟信号对电液伺服阀进行控制，从而改变输入液压缸的流量大小和方向，控制最后的输出位移量。电液伺服系统是典型的非线性系统，因此对于其控制来说，必须满足能够实现较高精度控制[31]。在实际的应用过程中，其响应速度要快。对于其整体性能而言，必须运行稳定[32]。同时为了达到实际应用目的，负载能力要高。在设计系统的时候需要满足体积小、质量轻、可靠性高和成本低等特点[33]。电液伺服实验台负载阀控缸结构模型图如图 2-2 所示。此电液伺服系统的负载形式可以等效为“质量-弹簧”形式[34]。
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第 3 章 位置/速度协同控制研究..... 16
3.1 引言.............16
3.2 位置/速度协同控制策略........ 16
3.3 PID 控制器设计............ 17
3.4 自适应模糊神经网络控制器设计.............19
3.4.1 自适应模糊神经网络控制算法的设计....... 19
3.4.2 用自适应模糊神经网络系统建立 FIS........ 20
3.5 位置/速度协同控制仿真........ 27
3.6 本章小结.... 34
第 4 章 力/位协同控制研究............. 35
4.1 引言.............35
4.2 力/位协同控制策略.......35
4.3 力/位协同控制仿真.......37
4.4 本章小结.... 43
第 5 章 电液伺服系统多目标协同控制实验研究....... 44
5.1 实验台软硬件组成........44
5.2 实验原理.... 45
5.3 位置/速度协同控制的实验分析......46
5.4 力/位协同控制的实验分析....50
5.5 本章小结.... 55
第 5 章 电液伺服系统多目标协同控制实验研究
为了验证第三章、第四章所设计的电液伺服系统多目标协同控制的实际控制效果，本章主要通过电液伺服半实物仿真实验台分别对所设计的电液伺服系统多目标协同控制及控制算法的控制效果进行实验验证。
5.1 实验台软硬件组成
图 5-1 为液压泵站。图 5-2 为电液伺服阀，本实验台采用 609 所研制的FF102-30 型双喷嘴-挡板力两极流量伺服阀。图 5-3 为位移传感器，本实验台采用的型号是 FXB-V71/100。图 5-4 为力传感器，本实验台采用的型号是中国航天 BK-2B 型力传感器。图 5-5 为半实物仿真实验台。本实验台采用的是 PCL-1710HG 数据采集卡，工控机装置采用 PCA-6180E，工控底板采用 PCA-6114P4-B。本实验台实验环境在 x PC（x PC Target 由 Math works 公司研发）半实物仿真环境，采用快速原型的方法将标准 PC 转化成一个实时系统，用于实验仿真和控制器实时预测。通过 Matlab 中的 RTW(real-time workshop)与 SIMULINK 结合将系统设计和硬件装置结合在一起，从而达到实时控制的目的。本系统将Matlab 软件中的 PC 机作为宿主机，而目标机为研华工控机，两者通过以太网进行通讯。方便找出控制器的问题所在，减少设计成本与周期。
结 论
本课题来源于哈尔滨理工大学与一麟集团哈尔滨通用液压机械制造有限公司的合作项目。项目承接 863 计划“高性能四足仿生机器人”。主要是针对电液伺服系统的多目标协同控制中的位置/速度协同控制以及力/位协同控制进行研究，并采用所设计的 PID 控制器和自适应模糊神经网络控制器对其进行控制，最后利用 Matlab 进行仿真和实验验证。其主要工作及结论如下：
1. 根据半物理仿真实验台实验原理和系统参数，对电液伺服系统的位置理论模型和力理论模型进行推导，并将推导的模型进行半实物仿真，通过对比实验台的输出曲线和所推导的理论模型的输出曲线差距，验证了所推导模型的精确度，为后面多目标协同控制提供了理论依据。
2. 通过所推导的电液伺服系统位置控制理论模型和液压传动原理建立了电液伺服系统位置/速度协同控制的控制策略。同时完成了对 PID 控制器和自适应模糊神经网络控制器的设计。最后通过 Matlab 软件进行仿真，对比分析不同控制参数下的响应曲线图。通过分析结果可以看出所设计的 PID控制器对电液伺服系统的位置/速度协同控制的位置控制部分具有良好的控制效果，可以快速的提高位置控制的控制精度和系统的响应速度；同样，所设计的自适应模糊神经网络控制器在改善速度变化过程导致的振动和冲击以及引起位置控制部分定位精度不高的现象具有很好的控制效果。
3. 通过所推导的电液伺服系统力控制理论模型和液压传动原理建立了电液伺服系统力/位协同控制的控制策略。在电液伺服系统的力/位协同控制中，位置控制部分依然采用第三章所设计的 PID 控制器进行控制，由于力控制部分受外界的工作环境影响变化较大，要想实现力控制部分工作过程中所引起的振动和冲击，本文更改自适应模糊神经网络控制器参数，使其对力控制部分进行有效控制。最后通过 Matlab 软件进行仿真，对比分析不同控制参数下的响应曲线图，通过分析结果可以看出所设计的 PID 控制器对电液伺服系统的力/位协同控制的位置控制部分具有良好的控制效果；也可以看出所设计的自适应模糊神经网络控制器在改善力变化过程中导致的振动和冲击以及引起位置控制部分定位精度不佳的现象具有很好的控制效果。
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参考文献（略）
