沈立師

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

由于多液壓頂升系統(tǒng)模型有著時變性、復(fù)雜非線性的特點，所以沒有辦法構(gòu)造出合適的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)［1］。因此沒有辦法使用基于傳遞函數(shù)的現(xiàn)代控制理論來處理這個系統(tǒng)，而基于模糊規(guī)則、模糊推理的模糊控制不需要用到數(shù)學(xué)模型，只需要傳感器采集的信號即可，這為該控制系統(tǒng)提供了一種有效的控制方法。隨著智能控制的發(fā)展以及各種技術(shù)軟件的全面性分析，模糊控制系統(tǒng)在不同的場合都應(yīng)用得越來越廣泛［2-3］。模糊控制是基于模糊數(shù)學(xué)與模糊邏輯相結(jié)合的智能算法，跟以往控制不同，該控制算法不需要建立被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)求解模型，依據(jù)現(xiàn)場施工形成控制規(guī)則進(jìn)行調(diào)控，外界干擾和參數(shù)變化對模糊控制系統(tǒng)的影響也降低不少［4］。由于該設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)為模擬量，而計算機(jī)或者控制器中處理是的數(shù)字量，進(jìn)而在模糊控制系統(tǒng)中存在著數(shù)模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。其一般步驟為：傳感器采集到模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號放入模糊控制器中進(jìn)行運算，得出的數(shù)字信號結(jié)果再經(jīng)過轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出，在對其進(jìn)行設(shè)計中也有著模糊化和清晰化，它們在原理上是類似的［5-8］。張蕊等人經(jīng)過對多變量模糊控制方法的總結(jié)歸納，建立出一套針對工程應(yīng)用的多變量模糊控制分類方法從而實現(xiàn)對多變量非線性系統(tǒng)的軌跡進(jìn)行跟蹤［9］。郭亦文等人提出了模糊控制規(guī)則計算方法，,最終由最優(yōu)加權(quán)因子計算生成模糊規(guī)則，并通過實驗驗證了該方法控制效果好［10］；司軼芳等人將模糊模型參考學(xué)習(xí)控制（FMRLC）應(yīng)用至中央空調(diào)系統(tǒng)中，多次實驗修正控制規(guī)則改善控制性能，將輸出模型調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài)［11］。

本文結(jié)合江銅集團(tuán)德興銅礦電鏟大修工程實際背景（同步精度±1mm），針對WK-35電動挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)及上盤質(zhì)量大、分布不均勻的特點，提出了同步頂升液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)總體方案，并對液壓系統(tǒng)同步頂升關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，確定了合理的液壓系統(tǒng)方案；在控制系統(tǒng)中加入MATLAB的參數(shù)自整定PID控制算法，同時匹配AMESim/Simulink耦合接口，完成了液壓系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的雙通道數(shù)值模擬。模擬結(jié)果得出該設(shè)計方案的可行性，即加入模糊PID控制算法后，相比于常規(guī)PID控制，大大增強(qiáng)了液壓缸頂升系統(tǒng)的動態(tài)性能。為后續(xù)現(xiàn)場施工提供理論參考依據(jù)。

2 壓力及位移控制的同步頂升技術(shù)

2.1 壓力控制

針對WK-35電動挖掘機(jī)上盤質(zhì)量分布不均的特點，本文通過在液壓系統(tǒng)中添加力傳感器模塊，采用MEGATEC閥控來控制系統(tǒng)壓力，通過實驗獲得上盤平穩(wěn)狀態(tài)下各液壓缸的壓力值，以設(shè)定控制系統(tǒng)壓力標(biāo)準(zhǔn)值。在同步頂升過程中，壓力的閉環(huán)控制主要是借助各液壓油缸的壓力傳感器上的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。

2.2 位移控制

由于每個液壓頂升缸在實際工作時受載不同，使得相互間頂升位移無法做到完全同步，而不同頂升液壓缸之間的位移差成了影響同步頂升液壓系統(tǒng)工作性能的主要關(guān)鍵因素。由此可見，位移的同步控制是必要的。因此，本文同步控制的主要方式采用位移的同步控制，位移傳感器選擇拉線傳感器。

3 同步頂升控制系統(tǒng)方案

3.1 控制方式

控制系統(tǒng)采用4個稱重傳感器和4個位移傳感器進(jìn)行雙閉環(huán)控制如圖1所示。

圖1 雙閉環(huán)控制原理圖

由圖1可知，工作時油缸的位移變化信息依靠位移傳感器采集，采集到的位移信號與期望位移信號進(jìn)行比較后導(dǎo)入模糊PID控制器，進(jìn)而控制油缸，使其達(dá)到目標(biāo)控制效果。

3.2 控制系統(tǒng)

本文通過增加組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)采集功能，采用大尺寸觸摸屏來實現(xiàn)整個系統(tǒng)上位機(jī)的監(jiān)控，配備重心檢測系統(tǒng)如圖2所示。根據(jù)整體控制示意圖可知，觸摸屏輸出控制指令給PLC，如圖3所示，觸摸屏控制整個同步頂升系統(tǒng)的輸出指令同時具有實時監(jiān)測功能，可以顯示各點位的壓力以及位移數(shù)據(jù)，以文檔表格形式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

圖2 重心檢測系統(tǒng)

圖3 同步頂升系統(tǒng)主控箱

同步頂升控制系統(tǒng)由PLC控制器、驅(qū)動器、適配電源、電路板、繼電器開關(guān)等組成，同步頂升控制柜如圖4所示。

圖4 同步頂升控制柜

4 基于PID與模糊控制的同步頂升技術(shù)

在工程實踐中應(yīng)用比較廣泛的有微積分控制等等，這些控制統(tǒng)一命名PID控制。其原理是利用微積分?jǐn)?shù)值求解方法來計算出目標(biāo)值，從而實現(xiàn)控制。PID控制具有性能穩(wěn)定、組成簡單、調(diào)節(jié)方便。另外，PID控制技術(shù)也分PI和PD控制。

模糊控制是基于模糊算法的一種優(yōu)化控制算法，主要依靠實驗獲得的現(xiàn)成經(jīng)驗或者專家指導(dǎo)的策略形成規(guī)則，具體操作如圖5所示。

圖5 模糊控制步驟圖

如圖6所示，本文考慮到WK-35電動挖掘機(jī)頂升過程的非線性以及構(gòu)造的便捷性，采用三角形模糊器進(jìn)行模糊化過程，以減少輸入量噪聲，保證模糊控制的平滑性。三角模糊化的原理是將具體的集合x*∈U映射成U上的一個模糊集合A，其算法公式為：

其中uN（x）為隸屬度。Bi為正的參數(shù)。

模糊推理是基于模糊邏輯對式1.1模糊化的集合進(jìn)行推理運算，本文采用模糊條件推理IFTHEN，可得出模糊推理關(guān)系Ri的一般表達(dá)式為：

按照模糊算法原理，模糊控制量為：

其中，運算符“o”表示采用模糊推理Mamdani（模糊蘊(yùn)涵最小法）合成運算，運算符“×”表示兩模糊集合的直積。常用的清晰化方法有三種，分別是最大值清晰化、重心解耦清晰化以及中心平均清晰化，本文采用中心平均清晰化方法，該方法適用于WK-35電動挖掘機(jī)的非線性頂升系統(tǒng)，并且具有較好的連續(xù)性，其算法表示為：

由于模糊控制用于具有時變非線性特征的液壓頂升系統(tǒng)時具有隨頂升壓力、外界干擾變化而變化，性能控制特性主要是靜態(tài)特性和動態(tài)特性，調(diào)節(jié)量、反應(yīng)時間等為動態(tài)特性，穩(wěn)定性、頻率等為靜態(tài)特性。借此本文提出“面向控制性能”PID參數(shù)自整定控制，用于WK-35電動挖掘機(jī)頂升系統(tǒng)，該控制方式可以根據(jù)頂升狀態(tài)動態(tài)修改控制模型參數(shù)，使得PID三個控制系數(shù)Tp、Ti、Td達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而實現(xiàn)頂升缸的智能控制。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 模糊PID 控制器原理框圖

一個PID控制器的控制參數(shù)由兩個模糊控制器進(jìn)行整定，PID控制參數(shù)及其算法為：

并聯(lián)模糊PID控制可以有效的減少單個控制器的系統(tǒng)變量的數(shù)目，是因為該種控制方式可以根據(jù)特性分類，單個模糊控制器只需要提高其中一種特性，且該系統(tǒng)的變量只與相關(guān)的特性有關(guān)。

模糊PID控制器包含兩大部分：模糊控制器和PID控制器，而該同步頂升控制系統(tǒng)需形成3種模糊控制器。通過給定值的偏差以及偏差變化率與1號液壓缸活塞桿位移值，模糊控制器2對參數(shù)kp、ki、kd的初值進(jìn)行修改，使1號液壓缸，在頂升過程中表現(xiàn)出較好的靜態(tài)特性。通過1號液壓缸活塞桿位移值的偏差以及偏差變化率和2（或3或4）號液壓缸活塞桿位移值，模糊控制器3對參數(shù)kp、ki、kd的初值進(jìn)行修改，使1號液壓缸在頂升過程中和2（或3或4）號液壓缸同時表現(xiàn)出較好的同步性。

該同步頂升控制系統(tǒng)需形成模糊PID控制器1和2。1號液壓缸的升降過程由模糊PID控制器1控制，其輸入就是1號液壓缸活塞桿給定值與位移值與給定值的偏差和所受載荷F1，輸出就是PID控制參數(shù)的初值kp、ki、kd，和它的修改值kp、ki、kd。2（或3或4）號液壓缸的升降過程由模糊PID控制器2控制，輸出為PID控制參數(shù)的初值kp、ki、kd，和它的修改值kp、ki、kd，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。PID控制器子模型如圖8所示。

圖7 模糊PID控制器模型

圖8 PID子模型

利用Matlab中的fuzzy指令建立模糊規(guī)則庫，如圖9（a）所示。根據(jù)專家經(jīng)驗以及現(xiàn)場的工作經(jīng)驗依次編寫好模糊規(guī)則，如圖9（b）所示。

圖9 模糊規(guī)則的建立

5 同步頂升控制系統(tǒng)仿真與驗證

5.1 AMESim/Simulink聯(lián)合仿真

在系統(tǒng)設(shè)計所要求的各項技術(shù)參數(shù)中，驗證其是否達(dá)到所預(yù)期目標(biāo)值，可采用計算機(jī)仿真進(jìn)行檢驗。在AMESim進(jìn)行系統(tǒng)建模無需建立很精確的數(shù)學(xué)模型，但又存在一些其他的問題，如智能控制系統(tǒng)建模與仿真的不易實現(xiàn)。為解決這一問題，通過利用Simulink進(jìn)行數(shù)值運算，但在模擬液壓系統(tǒng)時，數(shù)學(xué)模型的精度會極大的影響仿真結(jié)果，結(jié)合兩者的優(yōu)異性，利用AMESim/Simulink接口來實現(xiàn)聯(lián)合仿真，升降系統(tǒng)在整個系統(tǒng)的建模以及仿真方面遇到的難題得到有效解決。Simulink調(diào)用在AMESin環(huán)境下建立的液壓系統(tǒng)模型編譯而成的S函數(shù)，之后進(jìn)行聯(lián)合仿真。

5.2 液壓缸同步頂升過程數(shù)值求解

本系統(tǒng)每個液壓缸活塞桿都單獨配備一個電液比例換向閥，實現(xiàn)每個液壓頂升桿的單獨控制，從而更好迎合實際工程的需要。因此，4臺液壓缸的活塞桿的同步精度較為重要。通過控制各個電液比例換向閥閥口的開度大小從而控制其對應(yīng)液壓油的流速，使四個液壓缸頂升最終達(dá)到或者在一定時間內(nèi)的位移值可以保持在一定誤差范圍內(nèi)，從而保證整個液壓頂升系統(tǒng)運動過程中的同步精度。在第三章已經(jīng)建好的同步頂升液壓系統(tǒng)AMEsim仿真模型中加入創(chuàng)建與MATLAB聯(lián)合仿真的接口模塊，得到的AMESim/Simulink聯(lián)合仿真AMEsim部分模型如圖10所示。

圖10 聯(lián)合仿真AMEsim模型

設(shè)置同步頂升四個液壓缸位移傳感器輸出信號和輸入液壓缸壓力（壓力傳感器測得）為輸入量X1、X2、X3、X4、P1、P2、P3、P4，四 個 二 位二通電磁球閥控制量為輸出量U1、U2、U3、U4，從而創(chuàng)建出聯(lián)合仿真的關(guān)鍵模塊，即AMEsim與Simulink軟件聯(lián)合接口模塊模型，如圖11所示。

圖11 聯(lián)合仿真接口模塊模型

在AMEsim創(chuàng)建好與Simulink的聯(lián)合仿真接口模塊后，讓AMEsim處于仿真模式，從接口模型打開Matlab，并在Matlab/Simulink模塊建立控制系統(tǒng)模型，如圖12所示。

圖12 Simulink中控制系統(tǒng)模型

在各頂升液壓缸PID控制參數(shù)整定的過程中，采用了3個并聯(lián)的模糊控制器，以實現(xiàn)控制效果。控制器通過實時動態(tài)反饋，對PID進(jìn)行參數(shù)整定，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，主要體現(xiàn)在大量縮短響應(yīng)時間、減小控制系統(tǒng)的超調(diào)量。模糊控制器2的主要作用就是對系統(tǒng)的靜差的改善，以及位移精度的提高，這個對頂升液壓缸的控制性能也有著較大影響。對于WK-35電動挖掘機(jī)的工作性能而言，系統(tǒng)同步頂升的精度至關(guān)重要，即是否保證四個頂升液壓缸真正做到同步上升。為了更為準(zhǔn)確的反映這一性能參數(shù)，將頂升主從動缸的頂升位移差作為系統(tǒng)動態(tài)性能的評價指標(biāo)。在實際工作時，由于避免不了主從動缸會出現(xiàn)受重不均的情況，從而產(chǎn)生出頂升位移差。當(dāng)該值達(dá)到±1mm時會影響同步頂升系統(tǒng)的動態(tài)性能及其可靠性。

為了突出模糊PID控制對液壓系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，通過對比分析液壓系統(tǒng)加入模糊PID控制器與加入常規(guī)PID控制器時系統(tǒng)的響應(yīng)，從而驗證所用方法的優(yōu)越性。

將Simulink仿真模型中的模糊環(huán)節(jié)去掉，采用基于Z-N參數(shù)整定的常規(guī)PID控制，分別設(shè)置不同負(fù)重，設(shè)置仿真時間為180s，繪制同步頂升液壓缸1與液壓缸3的頂升位移差曲線以及液壓缸2與液壓缸4的頂升位移差曲線，如圖13（a）所示；加入模糊模塊，設(shè)置同樣的參數(shù)，可得到結(jié)果如圖13（b）所示。

圖13 位移差變化趨勢圖

由圖13可知，不同頂升液壓缸之間依舊存在較小的位移差，且隨著負(fù)載位移的增加，頂升位移差也隨之遞增，在未加模糊控制算法時位移差值最大可達(dá)1.1mm，說明對整體系統(tǒng)性能產(chǎn)生了較大影響；加入模糊控制PID控制算法后，位移差值顯著降低，雖然其隨著時間推移曲線的變化與未加模糊算法時基本一致，但頂升最大位移差值僅有0.49mm，最大限度改善了WK-35電動挖掘機(jī)頂升工作時系統(tǒng)的同步控制性能。

WK-35電動挖掘機(jī)在礦山上實際工作時，液壓頂升系統(tǒng)由于負(fù)重不斷加壓，會出現(xiàn)影響工作性能的液壓沖擊與液壓振動。因此，需要仿真研究加壓時同步頂升系統(tǒng)加速度情況，并通過對比分析驗證加入模糊PID算法對產(chǎn)生沖擊和振動的控制效果，圖14所示是Z-N參數(shù)整定PID算法的加速度變化圖。

圖14 加速度變化趨勢圖

由Z-N參數(shù)整定的PID算法仿真曲線圖14（a）可知，液壓頂升系統(tǒng)分別在60s、120s、130s、150s、170s以及180s左右處產(chǎn)生了振動沖擊，振動幅度較大，最大可引起的加速度變化為12.1mm/s2，由此可見頂升時速度波動極其不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響設(shè)備頂升時的工作性能；采用參數(shù)自整定模糊PID算法后，由圖14（b）可知，振動引起加速度的波動出現(xiàn)顯著改善，幾處明顯的振動波動都得到了有效減弱，將WK-35電動挖掘機(jī)頂升時的加速度控制住±5mm/s2，大大增強(qiáng)了液壓缸頂升系統(tǒng)的動態(tài)性能。由此可以說明聯(lián)合仿真的可行性，以及加入模糊PID控制算法的必要性。

6 結(jié)論

本文根據(jù)WK-35電動挖掘機(jī)上下盤分離的特點采用基于壓力及位移控制的同步頂升方式，設(shè)計了基于PID與模糊控制的同步頂升控制策略，并通過AMESim/Simulink聯(lián)合仿真對控制系統(tǒng)進(jìn)行了驗證。

（1）基于壓力及位移控制的同步頂升技術(shù)，提出了同步頂升控制系統(tǒng)的總體方案以及設(shè)備選型。

（2）通過MATLAB的參數(shù)自整定模糊PID控制器，并借助AMESim/Simulink耦合接口，實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的雙通道聯(lián)合仿真。

（3）仿真結(jié)果證明了設(shè)計方案的可行性，即加入模糊PID控制算法后，頂升最大位移差值只有0.49mm。相比于Z-N參數(shù)整定的常規(guī)PID控制，大大增強(qiáng)了液壓缸頂升系統(tǒng)的動態(tài)性能。

（4）增加了加壓時同步頂升系統(tǒng)模擬仿真，數(shù)值求解結(jié)果驗證了聯(lián)合仿真的可行性，以及加入模糊PID控制算法的必要性。