毛衛(wèi)東1，游小平2，李湘2，王蓉2，殷浪2，樂(lè)林2，涂瑋煒2

（1.佛山市南海中南機(jī)械有限公司，廣東佛山 528247；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

雙滾筒瀝青拌合設(shè)備骨料計(jì)量系統(tǒng)模糊PID控制仿真研究

毛衛(wèi)東1，游小平2，李湘2，王蓉2，殷浪2，樂(lè)林2，涂瑋煒2

（1.佛山市南海中南機(jī)械有限公司，廣東佛山 528247；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004）

雙滾筒瀝青砼拌合設(shè)備計(jì)量系統(tǒng)骨料計(jì)量精度直接影響瀝青砼的質(zhì)量，由于常規(guī)PID控制參數(shù)調(diào)整的復(fù)雜性，穩(wěn)態(tài)誤差較大，導(dǎo)致骨料的計(jì)量精度受到很大影響。文中引入模糊控制理論，結(jié)合PID控制的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)骨料計(jì)量系統(tǒng)控制參數(shù)的在線自調(diào)整，并在MATLAB/Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真，結(jié)果表明模糊PID控制能提高骨料計(jì)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能，從而提高其精度。

公路；路面機(jī)械；瀝青拌合設(shè)備；骨料計(jì)量；PID控制器

雙滾筒瀝青拌合設(shè)備是主要應(yīng)用于公路施工的一種拌和各種瀝青混合料的再生設(shè)備。不同于其他間歇式設(shè)備，其骨料的計(jì)量是一個(gè)動(dòng)態(tài)連續(xù)的過(guò)程，骨料的計(jì)量精度控制對(duì)瀝青砼影響更大。目前使用的雙滾筒瀝青拌合設(shè)備的計(jì)量系統(tǒng)一般采用常規(guī)的PID控制，雖然其控制方法簡(jiǎn)單、魯棒性能好，但其控制參數(shù)要預(yù)先設(shè)定，調(diào)節(jié)不靈活，而且容易受現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的影響，導(dǎo)致供料不穩(wěn)定、計(jì)量精度差，達(dá)不到理想的控制效果。該文引入模糊控制，結(jié)合PID控制的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)骨料計(jì)量系統(tǒng)模糊PID控制器，實(shí)現(xiàn)骨料計(jì)量系統(tǒng)控制的參數(shù)自調(diào)整，提高動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能，從而使骨料計(jì)量更加精準(zhǔn)。

1　骨料計(jì)量控制系統(tǒng)工作原理

雙滾筒瀝青拌合設(shè)備的骨料計(jì)量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　雙滾筒瀝青拌合設(shè)備骨料計(jì)量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

骨料通過(guò)給料機(jī)落到電子皮帶秤的皮帶上，骨料經(jīng)過(guò)稱重傳感器時(shí)，重量信號(hào)會(huì)變成電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器把電壓放大。在同一時(shí)刻，測(cè)速傳感器測(cè)得皮帶運(yùn)行速度，經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)的處理，得到骨料的瞬時(shí)流量值和累積流量值，并將骨料的瞬時(shí)流量測(cè)定值和系統(tǒng)初始設(shè)定值對(duì)比得到偏差值。最后依據(jù)該偏差值對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，經(jīng)過(guò)變頻器調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)皮帶速度調(diào)整控制骨料的供應(yīng)量，保證骨料依據(jù)初始設(shè)定值均勻、穩(wěn)定地進(jìn)入攪拌滾筒中，實(shí)現(xiàn)骨料的動(dòng)態(tài)計(jì)量。

2　模糊PID控制器設(shè)計(jì)

在雙滾筒瀝青攪拌設(shè)備中，骨料的計(jì)量容易受骨料來(lái)源不穩(wěn)定、機(jī)械振動(dòng)、骨料規(guī)格不一致等影響，對(duì)骨料計(jì)量的控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，常規(guī)PID控制給定的參數(shù)調(diào)整過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，控制效果不好。模糊PID控制不需要建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。模糊PID控制將PID控制參數(shù)的整定經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)進(jìn)行模糊化，運(yùn)用模糊推理將其變?yōu)橛?jì)算機(jī)可接受的控制模型，從而實(shí)時(shí)在線調(diào)整PID控制參數(shù)。其核心在于總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立適合的模糊控制規(guī)則表，得到適當(dāng)?shù)尼槍?duì)PID控制的參數(shù)。

2.1模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與輸入輸出量的確定

骨料計(jì)量控制系統(tǒng)模糊PID控制器主要由模糊控制器和常規(guī)PID控制兩部分構(gòu)成，模糊推理也就是一個(gè)模糊控制器（如圖2所示）。

圖2　參數(shù)自調(diào)整模糊PID控制結(jié)構(gòu)示意圖

式中：k為采樣序號(hào)；E（k）為第k次采樣時(shí)的偏差值；E（k-1）為第k-1次采樣時(shí)的偏差值；EC（k）=E（k）-E（k-1），為偏差的變化。

結(jié)合PID控制規(guī)律，骨料計(jì)量控制過(guò)程中，對(duì)于不同的偏差e和偏差變化率ec，參數(shù)KP、KI、KD自調(diào)整要求如下：

（1）當(dāng)瞬時(shí)流量的偏差e較大時(shí)，不論誤差的變化趨勢(shì)如何，控制器的KP都應(yīng)取較大值，以提高骨料計(jì)量系統(tǒng)的響應(yīng)快速性；為防止因?yàn)樗矔r(shí)流量偏差變化率ec瞬時(shí)過(guò)大，KD應(yīng)取較小值；為控制超調(diào)，KI也應(yīng)取較小值。

（2）變化率ec在中等大時(shí)，為保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度并控制超調(diào)，KP的取值應(yīng)減少，KD的值也應(yīng)較小，KI的值應(yīng)適中。

（3）當(dāng)瞬時(shí)流量的偏差e較小時(shí)，為保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)特性，KP、KI應(yīng)取較大值；為避免產(chǎn)生振蕩及提高系統(tǒng)的抗干擾能力，當(dāng)偏差變化率ec較小時(shí)KD應(yīng)取較大值，當(dāng)偏差變化率ec較大時(shí)KD應(yīng)取適中值。

2.2各變量隸屬度函數(shù)的確定

模糊控制器由2個(gè)輸入和3個(gè)輸出構(gòu)成，2個(gè)輸入變量即偏差e和偏差變化率ec，3個(gè)輸出變量為PID控制器比例、積分、微分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)參數(shù)ΔKP、ΔKI、ΔKD的修正。輸入變量e和ec的模糊子集為

如圖2所示，骨料計(jì)量控制最后是通過(guò)PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。骨料計(jì)量時(shí)，模糊控制器以通過(guò)皮帶秤計(jì)量段的骨料瞬時(shí)流量實(shí)際值和初始設(shè)定值之間的偏差e和偏差變化率ec作為輸入變量，經(jīng)模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制器比例、微分、積分3個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)參數(shù)KP、KI、KD的在線自調(diào)整，以滿足各種偏差e和偏差變化率ec對(duì)控制參數(shù)的不同要求，使骨料計(jì)量系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能，從而提高計(jì)量精度。

常規(guī)PID控制算法為：［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，子集中元素分別代表負(fù)大（NegativeBig）、負(fù)中（NegativeMedium）、負(fù)?。∟egativeSmall）、幾乎為零（AlmostZero）、正?。≒ositiveSmall）、正中（PositiveMedium）、正大（PositiveBig），量化論域?yàn)閑=［-3，-2，-1，0，1，2，3］；比例、積分、微分環(huán)節(jié)的3個(gè)輸出變量ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊子集為［PB，PM，PS，ZO，NM，NS，NB］，量化論域?yàn)閑c=［-3，-2，-1，0，1，2，3］。其輸入輸出變量的隸屬函數(shù)均選擇常見(jiàn)的三角形（trinif）。

2.3建立模糊控制規(guī)則表

根據(jù)PID參數(shù)的自調(diào)整要求和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，建立輸出變量ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊控制規(guī)則表（如表1～3所示）。

表1　ΔKP的模糊控制規(guī)則表

表2　ΔKI的模糊控制規(guī)則表

表3　ΔKD的模糊控制規(guī)則表

根據(jù)3個(gè)輸出變量的模糊規(guī)則控制表，用“if…then…”語(yǔ)句得到模糊控制的49條控制規(guī)則：ifeis NBandecisNBthenΔKPisPB，ΔKIisNB，ΔKDisPS；ifeisNMandecisNBthenΔKPisPB，ΔKIisNB，ΔKDisNS；ifeisNSandecisNBthenΔKPisPM，ΔKIisNB，ΔKDisZO；…；ifeisPBandec isPBthenΔKPisNB，ΔKIisPB，ΔKDisPB。

選擇界面法（GUI）實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的模糊控制器與Simulink的連接。先進(jìn)入模糊邏輯（FIS）編輯器建立一個(gè)新的.fis文件，控制器類型選擇Mamdani型；然后根據(jù)前文分析分別建立e、ec、ΔKP、ΔKI、ΔKD的隸屬函數(shù)，在FIS編輯器中打開(kāi)規(guī)則編輯器（RulerEditor），輸入所得到的49條模糊控制規(guī)則，反模糊化選擇最常見(jiàn)的重心法（Centroid）；最后將這個(gè)文件保存為FuzzyPID.fis，通過(guò)命令導(dǎo)入Simulink中。經(jīng)過(guò)上述步驟把設(shè)計(jì)的模糊控制器導(dǎo)入Simulink中，為下一步模糊PID控制系統(tǒng)的建立做好準(zhǔn)備，在輸出曲面觀察器（Suface）中可觀察輸出變量曲面（如圖3所示）。

3　仿真結(jié)果分析

在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建模糊PID控制系統(tǒng)的仿真框圖（如圖4所示）。

骨料計(jì)量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可看作一個(gè)二階的純滯后環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為：

圖3　輸出變量ΔKP、ΔKI、ΔKD的輸出曲面

圖4　模糊控制系統(tǒng)仿真框圖

圖5　模糊控制系統(tǒng)仿真曲線

表4　PID控制與模糊PID控制性能指標(biāo)對(duì)比

4　結(jié)語(yǔ)

該文在研究骨料計(jì)量控制系統(tǒng)組成和原理的基

［1］ 鐘佩蕙.連續(xù)滾筒式瀝青攪拌站計(jì)量系統(tǒng)研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2013.

［2］ 陶永華.PID控制原理和自整定策略［J］.工業(yè)儀表和自動(dòng)化裝置，1997（4）.

［3］ 章衛(wèi)國(guó)，楊向忠.模糊控制理論與應(yīng)用［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［4］ 張國(guó)良，曾靜，柯熙政，等.模糊控制及其MATLAB應(yīng)用［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

U415.52

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2016-03-23