1、第 42 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.42No.2Mar.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）河南理工大学学报（自然科学版）基于粒子群算法的电液执行机构控制器参数优化方法研究胡万强1，杨锡军2，董永强1，李耀辉1（1.许昌学院 电气与机械工程学院，河南 许昌 461000；2.营口理工学院 机械与动力工程学院，辽宁 营口 115014）摘要：针对电液执行机构系统及其滑模控制系统存在非线性、不确定性和震颤等问题，提出一种基于粒子群算法的电液执行机构控制器参数优化技术，采用粒子群优化算法对传统的滑模变结
2、构控制变量在具有外界干扰的条件下进行实时优化，从而使电液执行机构系统产生精确运动。首先，对电液执行机构系统建模，得出系统状态方程，然后分析传统滑模控制器，将粒子群优化算法引入滑模控制器中，对滑模控制器中的切换控制项进行实时优化，在具有外界干扰时优化出最佳滑模变量，从而保证电液执行机构系统能对输入信号产生精确的位置追踪。利用 MATLAB/Simulink模块建立滑模控制器系统模型并进行仿真，仿真结果显示，在具有干扰条件下，提出的控制器可以使滑模变量快速收敛，实现对目标曲线进行快速精确的位置追踪，大大提高系统的鲁棒性，从而证明了所提方法的有效性和科学性。关键词：电液执行机构系统；粒子群算法；滑模
3、控制；实时优化；位置追踪中图分类号：TP273文献标志码：A文章编号：1673-9787（2023）2-114-6Research on parameter optimization method of electro-hydraulic actuator controller based on particle swarm algorithmHU Wanqiang1，YANG Xijun2，DONG Yongqiang1，LI Yaohui1（1.School of Electrical&Mechanical Engineering，Xuchang University，Xuchang 46
4、1000，Henan，China；2.School of Mechanical and Power Engineering，Yingkou Institute of Technology，Yingkou 115014，Liaoning，China）Abstract：In order to solve the problems of nonlinear，uncertain and chattering in electro-hydraulic actuator system（EHA），a particle swarm optimization（PSO）algorithm was proposed
5、 to optimize the parameters of the EHA controller，the traditional sliding mode control（SMC）variables were optimized by PSO algorithm in real time under the condition of external interference，so as to make the EHA system produce accurate motion.Firstly，the EHA was modeled，the system state equation wa
6、s obtained，then the traditional SMC was introduced，the PSO algorithm was introduced into the SMC to optimize its switching control in real time，the optimal SMC variable was optimized in case of external interference，so as to ensure that the EHA system could produce accurate position tracking in the
7、light of the input signal.The system model of sliding mode 胡万强，杨锡军，董永强，等.基于粒子群算法的电液执行机构控制器参数优化方法研究 J.河南理工大学学报（自然科学版），2023，42（2）：114-119.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021050130HU W Q，YANG X J，DONG Y Q，et al.Research on parameter optimization method of electro-hydraulic actuator controller based on parti
8、cle swarm algorithm J.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2023，42（2）：114-119.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021050130收稿日期：2021-05-29；修回日期：2021-11-18基金项目：国家自然科学基金资助项目（51775472）；河南省科技攻关项目（19B460011）第一作者简介：胡万强（1974），男，河南渑池人，副教授，主要从事机电方面的教学和研究工作。Email：O S I D第 2 期胡万强，等：基于粒子群算法的电液执行机构控制器
9、参数优化方法研究controller was established and simulated by using Simulink module of MATLAB.the simulation results showed that the proposed controller could make the sliding mode variables converge quickly under the condition of disturbance，and could realize the fast and accurate position tracking of the ta
10、rget curve，which greatly improved the robustness of the system，thus the results showed that the proposed control scheme was effective and scientific.Key words：EHA system；PSO algorithm；SMC；real-time optimization；position tracking0引言在过去的几十年中，由于集成了液压和多功能电子元件，先进的电液执行机构系统设计功能更齐全，性能大大提高。电液执行机构系统可以产生很大的力、扭
11、矩和高密度能量，因此广泛应用于飞机1、疲劳测试系统2、制造业3和其他重型工程中。然而，电液执行机构系统的动态特性具有高度非线性，其控制系统中也存在着非线性、不确定性和振颤等问题。这些问题严重影响了系统性能，同时受系统中泄漏、摩擦和不确定性等因素的影响4，系统位置跟踪精度也会明显下降。因此，研究者们提出了各种控制方法，以克服电液执行机构系统控制中出现的问题。这些控制方法涵盖线性控制、非线性控制、广义预测控制（GPC）5、模型参考自适应控制（MRAC）6-7、滑模控制 8、自整定模糊比例积分导数（PID）9等智能控制策略。在系统参数受到干扰时，滑模控制能够保持不同类型模型控制的稳定性10。滑模控制
12、的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后，难以严格沿着滑模面向着平衡点滑动，而是在滑模面两侧来回穿越，从而产生振颤问题。为了解决这个问题，很多学者进行了大量研究。C.Edwards11设计了一种全阶滑模控制器，YONG F 等12提出了一种模糊滑模控制律等。粒子群算法是一种智能优化算法，通过群体中个体之间的协作和信息共享来寻找最优解。由于粒子群算法操作简单、收敛速度快，因此在函数优化、图像处理、大地测量等众多领域得到了广泛应用。目前已有不少研究人员将粒子群优化算法与滑模控制相结合，以期得到最优级滑模控制器参数。屈海军等13将粒子群算法和滑模控制器相结合，对机械臂的运动过程进行控制；蒋一辰等14设计了粒
13、子群优化滑模控制器并应用于驾驶机械人转向操纵控制中；刘力涛等15将粒子群算法和滑模控制应用于电动静液压制动器位置跟踪研究中；王乐君等16将相关研究应用于垂直三连杆欠驱动机械臂通用控制策略中。但这些研究存在的不足：一是大多为离线优化；二是没有充分考虑系统在运行过程中所处的真实环境。因此，本文将粒子群算法引入到电液执行机构系统的滑模控制器中，在具有外界干扰的情况下，采用粒子群算法在解空间中对其进行全局搜索，实时得到全局最优化的滑模控制器，从而保证控制效果，使电液执行机构系统产生理想的输出响应。1系统建模典型的电液执行机构系统由计算机控制单元、液压执行器和伺服阀等组成，如图 1所示。伺服阀通过油管连
14、接到液压缸上，控制进入液压缸的油流，位移传感器将负载实时位置信号经过A/D 转换器传入计算机控制单元，计算机控制单元输出控制信号，经 D/A转换传给伺服阀放大器，最后传给伺服阀，控制伺服阀开口大小。弹簧和阻尼器对连接于活塞杆的负载产生反作用力。伺服阀的动力学用二阶微分方程表示，d2xv/dt2+2ndxv/dt+2n=I2n，（1）式中：I为伺服阀线圈电流；xv为伺服阀芯位移；为伺服阀阻尼比；n为伺服阀固有频率。由伺服阀控制的液压缸每腔室的流量方程为qv1=A1dydt+Ci(p1-p2)+Cep1+V10Kdp1dtqv2=A2dydt+Ci(p2-p1)+Cep2+V20Kdp2dt，（2
15、）图 1 电液执行机构系统Fig.1 The EHA system1152023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）式中：A1，A2为液压缸左、右腔有效作用面积；Ci，Ce为液压缸内、外泄漏系数；V10，V20为液压缸左侧、右侧初始容积；K为油液体积模量。液压执行机构产生的总作用力与负载、阻尼器和弹簧有关，其动力学方程为Fp=A2p2-A1p1=Mpd2ydt2+Bsdydt+Ksy+FL，（3）式中：p2，p1为液压缸进、出油腔压力；Mp为负载质量；Bs为阻尼器阻尼系数；Ks为弹簧刚度；FL为外力。假 设x1=y，x2=dy/dt，x3=p1，x4=p2，V1=V10/Ks，V2=
16、V20/Ks。根据式（1）（3）可得系统的状态方程为u=xv；x?1=x2；x?2=x3(A1/m)-x2(Bs/m)-x4(A2/m)-x1(Ks/m)-(FL/m)；x?3=g1(x)u-x2(A1/V1)-(x3-x4)/(Ci/V1)-x3(Ce/V1)；x?4=g2(x)u+x2(A2/V2)-(x4-x3)/(Ci/V2)-x3(Ce/V2)；g1(x)=sgn(1+sgn(u)ps/2-sgn(u)x3)CdV12|(1+sgn(u)ps/2-sgn(u)x3|；g2(x)=-sgn(1-sgn(u)ps/2+sgn(u)x4)CdV12|(1-sgn(u)ps/2+sgn(u)x4|（4）式 中：Cd为 流 量 系 数；ps为 伺 服 阀 进 口 压 力；sgn(u)为符号函数；m=A1/A2，为等效于液压缸右侧腔初始容积。2滑模控制器20世纪 60年代初，俄罗斯人在研究可变结构控制系统时引入滑模控制基本概念。滑模控制最关键的问题是建立滑动面结构，在保证滑模控制稳定性基础上，使到达滑动面的控制信号停留在表面并快速滑动到期望原点，使系统状态在指定的有限时间内达到对期望状态
