史龍龍，楊麗紅，朱小明

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海豪高科技機(jī)電有限公司，上海 20093)

基于模糊PID控制的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)同步控制仿真

史龍龍1，楊麗紅1，朱小明2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海豪高科技機(jī)電有限公司，上海 20093)

某公司設(shè)計(jì)的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，閘門(mén)啟閉過(guò)程采用雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制時(shí)，兩液壓缸位移的同步偏差過(guò)大，閘門(mén)發(fā)生傾斜，加劇閘門(mén)兩側(cè)水封的磨損，導(dǎo)致水封密封性能下降。為保證啟閉機(jī)兩液壓缸同步精度，文中設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID控制理論的控制器。將設(shè)計(jì)的模糊PID控制器與常規(guī)PID控制器在相同的電液比例位置同步模型下進(jìn)行了比較， Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了采用模糊PID控制的優(yōu)越性。

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)；同步精度；模糊PID控制；Matlab/Simulink

在液壓?jiǎn)㈤]機(jī)推動(dòng)重載閘門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其作用顯著。在大負(fù)載和大撓度載荷的情況下，由于泄漏、負(fù)載變化和死區(qū)時(shí)間的變化，難以實(shí)現(xiàn)高精度的同步，研究人員在此進(jìn)行了大量的研究[1]。但是，由于液壓系統(tǒng)的泄漏、非線性摩擦、控制元件的性能、負(fù)載和系統(tǒng)的制造誤差等問(wèn)題，液壓同步的精度一直沒(méi)有得到很好地解決[2]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的需求量隨著水利水電的發(fā)展建設(shè)不斷增加。因此，找到適合液壓?jiǎn)㈤]機(jī)同步控制的方法尤為重要。

1 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制系統(tǒng)及建模

根據(jù)液壓傳動(dòng)控制理論知識(shí)，結(jié)合本課題液壓執(zhí)行系統(tǒng)的工作過(guò)程和要求，確定控制系統(tǒng)工作的主要過(guò)程是：首先指令信號(hào)和反饋信號(hào)形成偏差信號(hào)，再經(jīng)過(guò)控制器 生成動(dòng)態(tài)的控制信號(hào)，控制信號(hào)去控制信號(hào)放大器從而控制電液比例閥，電液比例閥控制通過(guò)液壓缸開(kāi)閉門(mén)過(guò)程中流量大小從而控制活塞桿運(yùn)動(dòng)速度的快慢，最終能夠忽略載荷的影響達(dá)到位置同步的目的[3-4]。

整個(gè)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：多功能數(shù)據(jù)采集卡、位移傳感器、 電液比例閥、比例放大電路板以及外設(shè)開(kāi)關(guān)、顯示屏等人工監(jiān)控設(shè)備。根據(jù)上述工作過(guò)程設(shè)計(jì)出液壓控制系統(tǒng)，如圖1為液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)方圖。

圖1 液壓閉環(huán)控制系統(tǒng)方圖

由圖1的原理可得，電液比例閥控液壓缸系統(tǒng)的模型為

(1)

開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(2)

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 模糊PID控制原理

模糊PID控制方法是一種新型智能控制算法，其特點(diǎn)是基于模糊控制算法與傳統(tǒng)的PID控制算法相結(jié)合，最常見(jiàn)的一種模糊PID控制算法是Fuzzy-PID雙?？刂菩问剑：刂破鲗?duì)非線性的系統(tǒng)控制具有良好的動(dòng)態(tài)特性是其主要的系統(tǒng)特性，但卻不能完全消除靜態(tài)偏差[5]。傳統(tǒng)的PID控制方式中積分環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果差，但是積分環(huán)節(jié)又能夠很好的消除靜態(tài)偏差[6-7]。本文更傾向于把模糊控制和常規(guī)PID控制這兩種控制方法結(jié)合起來(lái)，以增加穩(wěn)態(tài)控制性能，于是形成了模糊PID控制[8]的新方法。如圖2為模糊控制器結(jié)構(gòu)圖。

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)

2.2 論域與模糊集的確定

一般控制器設(shè)計(jì)由輸入量的模糊化、模糊子集和隸屬函數(shù)的確定、模糊控制器的規(guī)則的設(shè)計(jì)以及模糊推理、輸出量的解模糊等部分組成[9-10]。

偏差e的模糊集合論域設(shè)為X={-n,-n+1,…,n-1,n},偏差變化率ec的模糊集合論域?yàn)閅={-m,-m+1,…,m-1,m}。e和ec從基本論域[-e,e]、[-ec，ec]到模糊論域X、Y轉(zhuǎn)化是通過(guò)量化因子和實(shí)現(xiàn)的，Ke和Kec的定義為：ke=n/e,kec=m/ec。式中，m和n為模糊論域中的最大值，e和ec為基本論域最大值。通過(guò)將基本論域中的精確值與量化因子相乘就能得到模糊論域中的某一元素[11-12]。

據(jù)電液比例位置控制系統(tǒng)設(shè)定值的要求，定義偏差e、偏差率ec、比例系數(shù)變化量ΔKP、積分變化系數(shù)ΔKI、微分系數(shù)變化量ΔKD的模糊論域均設(shè)為[-3，3]，并且設(shè)模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集里面的元素代表：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大[13-14]。本文把偏差e的基本論域假設(shè)為[-6，6] mm，當(dāng)兩支液壓缸位移偏差> 6 mm 時(shí)，系統(tǒng)就發(fā)生報(bào)警信號(hào)，故障燈閃爍，比例閥的電磁鐵斷電，同時(shí)閥口關(guān)閉。假設(shè)偏差變化率ec的基本論域?yàn)閇-0.6，0.6] mm，那么量化因子分別為：ke=3/6=0.5,kec=3/0.6=5 。

比例系數(shù)變化量ΔKP、積分變化系數(shù)ΔKI、微分系數(shù)變化量ΔKD的基本域分別定義為[-3，3]、[-0.06，0.06]、[-0.3，0.3]，則分別計(jì)算出ΔKP的比例因子為1、ΔKI的比例因子為1/50、ΔKD的比例因子為1/10。

2.3 建立模糊規(guī)則表

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)可以總結(jié)出，偏差e和偏差率ec的取值變化源于PID控制器的參數(shù)Δkp,Δki,Δkd的變化有不同：設(shè)計(jì)參數(shù)Δkp,Δki,Δkd控制規(guī)則表[15]。依照控制規(guī)則表，選擇輸入輸出模糊變量的論域范圍、各語(yǔ)言變量的隸屬函數(shù)形狀等參數(shù)，解模糊方法選用默認(rèn)的重心法[16]，模糊推理系統(tǒng)中變量的定義和各變量隸屬函數(shù)的設(shè)置完成后，按模糊規(guī)則表在規(guī)則編輯器中輸人控制規(guī)則。

2.4 模糊PID控制仿真

在Simulink 建模時(shí)一個(gè)液壓缸模型采用開(kāi)環(huán)控制，另一個(gè)液壓缸中則加入了 PID 控制器較正環(huán)節(jié)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)兩吊點(diǎn)的閥控液壓缸子系統(tǒng)的仿真模塊如圖 5所示，而根據(jù)逐步經(jīng)驗(yàn)試湊的方法，就可以求得其中閥控液壓缸系統(tǒng)加入PID控制的增益參數(shù)為：KP=5.5,KI=0.1,KD=0.29。在Simulink模型中加入了模糊PID 控制器較正環(huán)節(jié)之后的液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)的仿真模塊。仿真后得到啟閉機(jī)的控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，其響應(yīng)曲線如圖 3所示。

由圖可以看出，在啟閉機(jī)控制系統(tǒng)未加入PID 較正環(huán)節(jié)時(shí)，階躍響應(yīng)超調(diào)較大，誤差已經(jīng)超過(guò)5%，在穩(wěn)態(tài)值上下進(jìn)行寬幅振蕩。而在加入了位移反饋和 PID 校正環(huán)節(jié)后，超調(diào)量顯著減小，調(diào)整震蕩時(shí)間也大幅降低，因此在同步控制系統(tǒng)中加入 PID 校正環(huán)節(jié)能夠優(yōu)化系統(tǒng)的特性。與PID 校正環(huán)節(jié)仿真設(shè)置相同，采用模糊自適應(yīng) PID 控制算法的閥控液壓缸系統(tǒng)的采樣周期為T(mén)s=25 ms。

圖3 液壓缸分別在模糊PID與普通PID控制時(shí)單位階響應(yīng)曲線

通過(guò)與 PID 控制相比較可以看出，模糊 PID 控制仿真效果較好，系統(tǒng)的響應(yīng)特性雖然比PID控制略慢一些，總體振蕩較小，超調(diào)量也不大，并且誤差基本能夠保持在 2%以內(nèi)，足以證明模糊 PID 控制是一種能夠提供更好的精度和穩(wěn)定性以及性能優(yōu)異的同步控制算法。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了液壓?jiǎn)㈤]機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID控制理論的控制器，保證了啟閉機(jī)兩液壓缸同步精度。將設(shè)計(jì)的模糊PID控制器與常規(guī)PID控制器在相同的電液比例位置同步模型下進(jìn)行了比較，隨后在AMESim軟件中建立了液壓?jiǎn)㈤]機(jī)雙液壓缸控制的液壓系統(tǒng)模型，聯(lián)合Simulink對(duì)PID算法和模糊PID算法分別進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明采用模糊PID算法更能保證閘門(mén)開(kāi)閉過(guò)程中的位移誤差水平，同步精度更好。

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Simulation of Synchronous Control of Hydraulic Hoist Based on Fuzzy PID Control

SHI Longlong1，YANG Lihong1，ZHU Xiaoming2

(1.School of mechanical engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. Haogao Mechatronics Technology Co. Ltd., Shanghai 200093, China)

In the operation process of hydraulic hoist designed by a company in Jiaxing, with the process of gate opening and closing controlled by the double hanging point hydraulic hoist, once the displacement synchronous deviation of two hydraulic cylinder is too large, the gate will be in an inclination status, then both sides of the gate seal will be aggravating wear, resulting in water seal performance degradation. According to the characteristics of bogie separation device, a fuzzy PID control system is designed. The fuzzy PID controller is compared with the normal PID controller. Matlab/Simulink simulation shows that the fuzzy PID control is better than the traditional PID control in control accuracy without overshoot.

hydraulic hoist; synchronous precision; fuzzy PID controller; Matlab/Simulink

2016- 05- 31

史龍龍(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：流體傳動(dòng)與控制。楊麗紅(1973-)，女，博士，副教授。研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。朱小明(1975-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：流體傳動(dòng)與控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.038

TP273

A

1007-7820(2017)05-139-03