葉海平 葉凱

(漳州職業(yè)技術學院 機械工程學院，福建 漳州 363000)

PID控制器由于其操作方面，靈活控制等特性，被廣泛應用到工業(yè)中，包括液壓同步系統(tǒng)。但是PID控制液壓同步時，具有一定的遲滯，不能迅速做出響應，響度速度達不到要求。目前模糊控制已經廣泛應用到工業(yè)領域，如倪敬等[1]設計了一種基于工業(yè)PLC的四缸電液伺服同步舉升教學實驗系統(tǒng)但只應用了PID控制，沒有涉及模糊控制。劉天豪等[2]分別利用Matlab/Simulink與AMESIM軟件對液壓缸的同步控制問題進行了比較研究，但文中沒有涉及控制算法，也沒有進行聯(lián)合仿真。卞永明等[3]利用改進型Smith預估器改進PID控制液壓同步施工網絡控制系統(tǒng)，但是同步精度不夠理想。我們現將模糊PID控制器應用到同步回路控制系統(tǒng)中，實現雙臂同步運行，并對該系統(tǒng)進行了AMESIM/Simulink聯(lián)合仿真。通過仿真和實驗對比，分析模糊PID控制雙臂同步控制系統(tǒng)的優(yōu)越性。

1 液壓同步控制系統(tǒng)設計

液壓同步控制系統(tǒng)，就是由幾個液壓缸作為執(zhí)行裝置，機器在運行過程中需要若干個液壓缸能夠實現同步運行。雙缸鍛造液壓機同步控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示。圖中活動橫梁作用于鍛件，要求施加在鍛件上的壓力必須要均勻，這就對兩液壓缸的運動同步提出了很高的要求?；顒訖M梁兩側的光柵尺用于測量橫梁位置，反饋給同步控制器，同步控制器根據位置差使用控制算法得到控制量，經D/A轉換后用于控制液壓閥閥芯運動，使運動慢的油缸補充油液而運動快的油缸減少油液，從而使兩液壓缸的運動趨于同步[4]。

圖1 雙臂同步控制系統(tǒng)原理

2 模糊自整定PID控制器的設計

將模糊控制應用到PID控制當中，使得智能控制系統(tǒng)的整體性能大大提升，進一步滿足智能制造發(fā)展的需要。PID控制的參數包括比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)。模糊控制就是對這三個參數進行模糊化處理、模糊化運算和模糊化判決，最終輸出變量去修正PID控制器，使得智能控制系統(tǒng)更高效穩(wěn)定地運行，模糊化的PID控制器再進一步的控制液壓同步系統(tǒng)，保障液壓同步系統(tǒng)的動態(tài)和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.1 模糊化計算

模糊控制包括模糊化處理、模糊控制運算和模糊判決三個環(huán)節(jié)，輸入的兩個參數為系統(tǒng)誤差E和誤差變量率Ec，輸出為PID控制器的修正參數為ΔKp、ΔKi、ΔKd。根據模糊分割理論，確定分割數為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。輸入變量系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)誤差率的論域{-4,-2,-1,0,1,2,4}，輸入變量的論域為{-4,-2,-1,0,1,2,4}。隸屬函數是對模糊概念的定量描述，常用的有高斯幻術、三角函數、S形函數等。三角隸屬函數由于結構簡單，計算工作量小，精度高等特點。本控制變量的隸屬度曲線選擇用三角函數來描述，輸入變量的隸屬度函數曲線如圖2所示，輸出變量的隸屬度函數曲線如圖3所示[5-6]。

圖2 E和Ec的隸屬度函數曲線

圖3 ΔKp、ΔKi和ΔKd的隸屬度函數曲線

2.2 建立模糊規(guī)則表

根據PID控制器的工作原理，比例系數，積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中起主要作用。在不同的E和Ec時，被控過程對參數Kp、Ki和Kd的調整規(guī)則如下所示：

(1)當E較大時，通常通過調大Kp的值和調小Kd的值，來加快控制系統(tǒng)的響應速度；為了防止控制系統(tǒng)在運行中出現較大的超調，需要對積分值Ki加以控制，必要時取Ki為零。

(2)當E和Ec的值相對適中的時候，為了避免出現太大超調，通常把比例系數Kp和積分系數Ki的值調?。淮藭r，因為微分系數Kd對系統(tǒng)響應影響較大，一般取值適中。

(3)當E的值較小時，為保障系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，可以考慮調大比例系數Kp和積分系數Ki；同時，為了防止控制系統(tǒng)在設定值附近出現振蕩，考慮到系統(tǒng)的抗干擾能力，比例系數Kd的值要根據Ec的值來調整，當EC值小時，調大Kd，反之，調小Kd。

根據上面PID控制參數的調整規(guī)則，結合專家實際控制過程中的寶貴經驗，可以設計出PID控制變量ΔKp、ΔKi、ΔKd三個參數的控制規(guī)則如表1、表2 和表3 所示[7-9]。

表1 Kp控制規(guī)則表

表2 Kp控制規(guī)則表

表3 Kd控制規(guī)則表

模糊控制器的3個參數Kp、Ki、Kd的表達式為

Kp=Kp0+{E,Ec}p

(1)

Ki=Ki0+{E,Ec}i

(2)

Kd=Kd0+{E,Ec}d

(3)

Kp0、Ki0、Kd0為3個參數的初值，{E,Ec}p、{E,Ec}i、{E,Ec}d為模糊控制表中的修正值。本文PID控制算式為

(4)

2.3 用模糊控制實現PID自整定

通過以上設計步驟，將模糊控制應用到PID控制器當中，形成模糊PID控制器，提高了控制系統(tǒng)的整體性能，并用它來控制液壓同步系統(tǒng)，提高液壓同步系統(tǒng)的整體性能，控制的原理圖如圖4所示[10-11]。

圖4 模糊PID液壓同步控制器原理圖

3 同步系統(tǒng)AMESim 和Simulink 的聯(lián)合仿真

為了驗證模糊PID控制器的優(yōu)越性，利用MATLAB/Simulink建立系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型，在 MATLAB/Simulink 中液壓系統(tǒng)模型轉化為一個傳遞函數，將AMESim里面的液壓系統(tǒng)模型導入Simulink 中，與 Simulink 中搭建的控制系統(tǒng)模型進行聯(lián)合仿真，如圖5和圖6所示[12-13]：

圖5 AMESim里面的液壓系統(tǒng)圖

圖6 Simulink液壓同步控制系統(tǒng)仿真圖

模糊PID控制液壓同步系統(tǒng)和PID控制液壓同步系統(tǒng)的仿真結果如圖7所示和圖8所示，模擬實驗采用ZHYZC-D3電液伺服比例控制專業(yè)測試實驗臺，該設備主要應用于液壓控制系統(tǒng)。位置檢測通過位移傳感器獲得相關數據，表4為PID控制的同步誤差，表5為模糊PID控制的同步誤差。

圖7 PID控制活塞運動圖

圖8 模糊PID控制活塞運動圖

表4 PID控制的同步誤差

表5 模糊PID控制的同步誤差

實驗結果，通過仿真結果曲線圖可以看到，采用模糊PID 控制方式以后，兩個液壓缸活塞的位移基本保持一致，出現的同步誤差減少了很多。由此可見，采用模糊PID控制液壓同步控制系統(tǒng)，可以有效地保證同步精度。

4 結論

將模糊控制應用到PID控制中，可提高PID控制器的性能，形成模糊PID控制器，將它應用到液壓同步系統(tǒng)，可提高液壓同步系統(tǒng)的整體性能。采用AMESim 和Simulink聯(lián)合建模仿真，并在試驗臺進行模擬實驗。通過仿真和實驗結果數據表明，模糊PID控制液壓同步控制系統(tǒng)的同步精度得到了很大的提高。