For example,Бобцов

MODELING AND IDENTIFICATION OF DYNAMICS OF A HYDRAULIC ACTUATOR WITH A SPOOL VALVE. PART II: IDENTIFICATION

Моделирование и идентификация динамики золотникового гидрораспределителя

57

УДК 681.5.015

С. В. АРАНОВСКИЙ, Л. Б. ФРЕЙДОВИЧ, Л. В. НИКИФОРОВА, А. А. ЛОСЕНКОВ
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ ДИНАМИКИ ЗОЛОТНИКОВОГО ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ
ЧАСТЬ II. ИДЕНТИФИКАЦИЯ*
Предложен метод идентификации параметров модели, использующий датчики давления и не требующий измерения положения штока золотника. Приведены результаты экспериментов.
Ключевые слова: золотник, гидравлическая система, математическая модель, идентификация.
В настоящей работе, в продолжение статьи [1], рассматривается задача моделирования и идентификации одного из ключевых элементов гидропривода — золотникового гидрораспределителя.
Идентификация параметров. В работе [1] была предложена модель гидрораспределителя (1)—(5). При разработке метода идентификации параметров авторы исходили из следующего: согласно модели (3)—(5) [1], при открытии золотника (когда значение xef становится отличным от нуля) изменение в положении штока X произойдет, когда гидравлическая сила Fhydr превысит по абсолютной величине статическое трение. При этом изменение в дав-
лении начинается сразу же, задержкой распространения давления в жидкости в шлангах между гидрораспределителем и гидроцилиндром можно пренебречь.
Рассмотрим следующий эксперимент. На вход системы подается постоянный управляющий сигнал (постоянный ток). По измерениям давления определяется задержка между подачей постоянного входного сигнала и началом изменения давления. По измерениям положения штока гидроцилиндра определяется установившаяся скорость движения. Эксперимент повторяется несколько раз, входной ток варьируется от минимального до максимального с некоторым шагом. В результате экспериментов фиксируются следующие величины: idnzeg , idpzos — отрицательное и положительное граничные значения тока, при которых начинается изменение давления; isnaetg , ispaots — отрицательное и положительное граничные значения тока, при превышении которых установившееся значение скорости не меняется (при отсутствии датчика положения штока гидроцилиндра для оценки величин isnaetg , ispaots может использоваться установившееся значение давления, так как при наличии вязкого трения оно будет увеличиваться вместе с ростом скорости); iiref ,tidel , i = 1,…, N — набор значений тока и задержки для тех N экспериментов, в которых ток превышал границы idnzeg , idpzos . С учетом единичного коэффициента ks для нормализованных величин справедливы следующие соотношения:

* Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.0778 „Разработка методов построения и настройки систем управления, а также функциональной автоматизации многозвенных гидравлических кранов на подвижных платформах (ГКПП) для лесозаготовительной промышленности“.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4

58 С. В. Арановский, Л. Б. Фрейдович, Л. В. Никифорова, А. А. Лосенков

idnzeg = xsleft ks = xsleft ,

⎫ ⎪

idpzos isnaetg

= xsright = xsmin

ks = xsright ,⎪⎪

ks

= xsmin ,

⎬ ⎪

ispaots = xsmax

ks

=

xsmax .

⎪ ⎪⎭

(1)

Решение системы (1)—(2) [1] при постоянном входном сигнале i(t) = i0 для интервала

времени xsmin ≤ xs ≤ xsmax имеет вид

xs (t) = ksi0 (1− exp(−λt)) + xs (0)exp(−λt) ,

(2)

где λ = 1 / τ . Так как во всех экспериментах в начальный момент времени гидрораспредели-

тель был закрыт и шток золотника находился в нейтральном положении, то можно принять

xs (0) =0. Тогда задержку между подачей входного сигнала и достижением границы мертвой зоны штоком золотника можно найти как:

iiref (1− exp(−λtidel )) = idpzos , iiref (1− exp(−λtidel )) = idnzeg , i = 1,…, N,

iiref iiref

> 0,⎫ ⎪
< 0,⎬ ⎪ ⎭

или

(3)

−λtidel

=

ln

⎛ ⎝⎜⎜1



idpzos iiref

⎞ ⎠⎟⎟ ,

iiref

⎫ > 0,⎪
⎪⎪

−λtidel

=

ln

⎛ ⎜⎝⎜1



idnzeg iiref

⎞ ⎟⎟⎠ ,

iiref

⎬ < 0.⎪⎪
⎭⎪

(4)

Система (4) образует линейную регрессию и оценка λˆ может быть получена методом

наименьших квадратов

λˆ = (T T T )−1T T L ,

(5)

где ( N ×1 )-матрицы T и L задаются как Ti = tidel ,

Li

=

⎧ ⎪ln ⎪⎪ ⎨ ⎪⎪ln ⎪⎩

⎛ ⎝⎜⎜1 ⎛ ⎝⎜⎜1

− −

idpzos iiref idnzeg iiref

⎞ ⎠⎟⎟ , ⎞ ⎠⎟⎟ ,

iiref iiref

> 0, < 0.

(6)

Таким образом, выражения (1), (5) и (6) позволяют определить параметры модели

(1)—(2) [1].

Более сложная модель гидрораспределителя может быть построена на базе модели (1) [1]

и идентифицирована с использованием процедуры оптимизации. Рассмотрим модель гидро-

распределителя с линейной подсистемой второго порядка с единичным коэффициентом уси-

ления. Тогда уравнение (1) [1] может быть представлено следующим образом:

τ1x1 = Projx1 (x2 ), τ2x2 = ks i − x1 − x2

⎫ ,⎬⎪

xef (t) = fdz (x1).

⎪ ⎭

(7)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4

Моделирование и идентификация динамики золотникового гидрораспределителя

59

Отметим, что подстановка τ2 = 0 сводит модель (7) к (1) [1] с τ = τ1. Система (7) содержит

шесть неизвестный параметров ⎣⎡τ1 τ2 xsmax xsmin xsleft xsright ⎤⎦ . Параметры xsleft , xsright ,

xsmin , xsmax находятся согласно (1). Решение системы (7) зависит от вида корней характеристиче-

ского уравнения, и задача идентификации не может быть сведена к линейной форме, подобной

(4). Обозначим оценки неизвестных параметров как τˆ1, τˆ2 . Тогда система (7) может быть числен-

но решена, и оценка задержки tidel между подачей входного сигнала iiref и достижением границы

мертвой зоны штоком золотника является функцией оценок неизвестных параметров

tˆidel = tˆidel (τˆ1, τˆ2 ).

(8)

Представим критерий правдоподобия как сумму квадратов отклонений между задерж-

ками tidel , полученными в ходе эксперимента, и их оценками, полученными численным моде-

лированием системы (7)

N
∑J (τˆ1, τˆ2 ) = (tidel − tˆidel )2. i=1
Тогда задача идентификации вектора неизвестных параметров τ = [τ1

(9)
τ2 ] может быть сфор-

мулирована как задача оптимизации

τ

=

arg

min
τ

J

(τ )

,

(10)

которая может быть решена с привлечением численных методов. Таким образом, выражения

(1), (10) позволяют определить параметры модели (7).

Экспериментальные исследования проводились для гидропривода телескопического

звена крана-манипулятора, использующегося в лесотехнической промышленности [2]. Со-

гласно описанной выше методике, были проведены эксперименты по подаче постоянного

входного сигнала. В результате экспериментов получено 45 значений пар iiref , tidel : 15 слу-

чайно выбранных значений использовались для идентификации, а оставшиеся 30 — для ве-

рификации. Идентификация проводилась для двух моделей гидропривода — модели с линей-

ной подсистемой первого порядка (1)—(2) [1] и с линейной подсистемой второго порядка (7).

Задача (10) была решена с использованием симплекс-метода Нелдера—Мида.

На рисунке представлена диаграмма, иллюстрирующая результаты идентификации. По оси абсцисс отложены значения входного сигнала
iref , а по оси ординат — полученная

t del 0,08

Эксперимент Подсистема 2-го порядка Подсистема 1-го порядка

экспериментально задержка tdel и ее

оценки при использовании моделей с линейной подсистемой первого и вто-

0,04

рого порядков. Из диаграммы видно,

что предложенные модели позволяют

описать и спрогнозировать наблюдаемые экспериментально задержки,

0

0,5

0,6 0,7 0,8 iref

чего нельзя достичь с использованием идеальной пропорциональной модели [3, 4]. Из ре-

зультатов эксперимента видно, что модель с подсистемой второго порядка позволяет более

точно аппроксимировать результаты эксперимента, чем модель с подсистемой первого

порядка. При этом проведенные исследования показали, что при дальнейшем увеличении по-

рядка модели точность аппроксимации увеличивается незначительно.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4

60 С. В. Арановский, Л. Б. Фрейдович, Л. В. Никифорова, А. А. Лосенков
Заключение. При анализе переходных процессов в гидравлических системах можно выявить задержку между подачей входного сигнала и началом переходных процессов давлений в полостях гидропривода, причем величина задержки меняется при изменении амплитуды входного сигнала. Данная задержка не описывается пропорциональными моделями гидрораспределителя, однако может быть аппроксимирована моделью с нелинейностью типа „мертвая зона“. В работе предложена соответствующая модель, состоящая из линейной подсистемы и нелинейностей типа „насыщение“ и „мертвая зона“.
Предложен метод идентификации, который, в отличие от большинства аналогов, не требует прямого измерения параметров золотника или установки датчика положения штока золотника; в нем используется только измерение давления в полостях гидроцилиндра. Для модели с подсистемой первого порядка предложенный метод позволяет свести задачу идентификации к задаче оценивания параметров линейной регрессии. Для подсистемы второго порядка задача идентификации сводится к задаче минимизации критерия, построенного на невязке модели.
Предложенная модель позволяет спрогнозировать задержку в отклике гидропривода на входное воздействие, давая более точную оценку, чем идеальная (пропорциональная) модель, учитывающая только статическое трение. Предложенная модель может использоваться при прогнозировании максимально достижимого быстродействия гидропривода и манипулятора на его основе, при планировании оптимальных (по времени) траекторий движения, при построении законов управления, при моделировании замкнутых систем и оценке их робастности и т.д.
Приведенные результаты экспериментальных исследований иллюстрируют применимость предложенной модели и метода идентификации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Арановский С. В., Фрейдович Л. Б., Никифорова Л. В., Лосенков А. А. Моделирование и идентификация динамики золотникового гидрораспределителя. Часть I. Моделирование // Изв. вузов. Приборостроение. 2013. Т. 56, № 4. С. 52—56.

2. La Hera P. M., Mettin U., Westerberg S., Shiriaev A. S. Modeling and control of hydraulic rotary actuators used in forestry cranes // IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation. 2009. Р. 1315—1320.

3. Gray J., Krstic M., Chaturvedi N. Parameter Identification for Electrohydraulic Valvetrain Systems // J. of Dynamic Systems, Measurement, and Control. 2011. N 6. P. 064 502.

4. Sohl G. A., Bobrow J. E. Experiments and simulations on the nonlinear control of a hydraulic servosystem // Control Systems Technology, IEEE Transactions. 1999. N 2. P. 238—247.

Станислав Владимирович Арановский Леонид Борисович Фрейдович Лилия Вальтеровна Никифорова Андрей Андреевич Лосенков

Сведения об авторах — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследова-
тельский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; старший научный сотрудник; E-mail: s.aranovskiy@gmail.com — канд. физ.-мат. наук; Университет Умео, департамент прикладной физики и электроники, Швеция; доцент; E-mail: leonid.freidovich@umu.se — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; E-mail: liliya.nikiforova@gmail.com — Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра систем управления и информатики; лаборант; E-mail: alosenkov@yandex.ru

Рекомендована кафедрой систем управления и информатики

Поступила в редакцию 13.12.12 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, № 4