郭秀榮 鄭立文 杜丹豐

（1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著汽車保有量的增加，城市道路停車位緊缺，停車難問題已成為影響城市發(fā)展的重要因素之一，而新型的立體停車庫可以有效地解決停車難題。然而，現(xiàn)有的立體停車庫設(shè)備操作復(fù)雜、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此研究立體車庫的控制系統(tǒng)尤為重要。

該文以叉梳式立體車庫升降機(jī)構(gòu)電機(jī)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，探討立體車庫的電機(jī)控制方法。作為立體車庫的控制核心，電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)立體車庫的性能起關(guān)鍵作用，影響立體車庫的工作效率。傳統(tǒng)PID 控制也可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，從而達(dá)到所需的精度，但電機(jī)的響應(yīng)速度較慢，立體車庫控制系統(tǒng)效率不高。鄭清銘等人對(duì)同步電機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行研究，分析電機(jī)模態(tài)階數(shù)以及模態(tài)頻率的仿真結(jié)果，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。楊曉玫等人針對(duì)無刷直流電機(jī)使用了雙閉環(huán)PID 控制，該模型能夠較好地達(dá)到所需精度，但電機(jī)系統(tǒng)在傳統(tǒng)的PID 控制算法下難以達(dá)到同步運(yùn)行的精度。

基于上述研究現(xiàn)狀，利用模糊PID 控制器對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究，探討模糊PID 控制方法，以期對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)系統(tǒng)速度進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，提高叉梳式立體車庫存車、取車的效率。

1 立體車庫結(jié)構(gòu)及電機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 叉梳式立體車庫結(jié)構(gòu)

叉梳式立體車庫主要由升降機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)、鋼架結(jié)構(gòu)以及各種檢測(cè)裝置元件等組成，叉梳式立體車庫的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。叉梳式立體車庫的工作原理為叉梳式立體車庫中間的叉梳臂升降臺(tái)通過鋼絲繩進(jìn)行提升或者下降，叉梳臂升降臺(tái)上的汽車可以沿垂直方向上升或者下降，汽車也可由橫移電機(jī)驅(qū)動(dòng)的叉梳載車板在水平方向上移動(dòng)，如果需要存取汽車，則可利用叉梳臂升降臺(tái)和叉梳式載車板梳齒之間的交叉結(jié)構(gòu)對(duì)汽車進(jìn)行存取。

圖1 叉梳式立體車庫結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

叉梳式立體車庫的電機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。PLC 控制器作為叉梳式立體車庫的控制核心，它可以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。電機(jī)的速度控制是一種對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制的系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)出來的脈沖信號(hào)送回PLC 控制器，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)以及計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速差，通過變頻器調(diào)整異步電機(jī)工作電源的頻率和電壓，使異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整到一個(gè)穩(wěn)定值。

圖2 電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 PID控制

PID 控制器可以被應(yīng)用在各種場(chǎng)合，其也能對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，PID 控制算法的微分方程如公式（1）所示。

式中：（）為輸出信號(hào)；（）為反饋?zhàn)兞浚?span id="0wm0auu" class="emphasis_italic">K為比例系數(shù)；K為積分系數(shù)；K為微分系數(shù)。

2.2 控制器設(shè)計(jì)思路

由于立體車庫所存取車輛的尺寸大小不一樣，因此在存取汽車過程中，質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，立體車庫控制系統(tǒng)需要不斷調(diào)整控制器參數(shù)，以控制電機(jī)平穩(wěn)、快速地運(yùn)行，并對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行同步調(diào)節(jié)。當(dāng)立體車庫運(yùn)行時(shí)，通過傳感器和PLC 高速計(jì)數(shù)模塊不斷檢測(cè)計(jì)算速度的偏差量和速度差變化率的變化值，并利用設(shè)計(jì)好的模糊控制關(guān)系對(duì)計(jì)算測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，從而對(duì)PID 控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)PID 控制器計(jì)算調(diào)整好的PID 參數(shù)就可以得出變頻器的調(diào)整頻率值，從而對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行同步調(diào)節(jié)，模糊PID 控制原理如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制原理圖

2.3 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊控制是一種通過模仿生產(chǎn)人員的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則控制。對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析，選取模糊控制器的輸入?yún)?shù)為叉梳式立體車庫電機(jī)速度差和速度差的變化率e，設(shè)定模糊控制的輸出參數(shù)為K、K以及K。設(shè)定輸入、輸出變量的論域?yàn)閇-6，6]。使用7 個(gè)模糊語言變量進(jìn)行描述，分別為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（Z）、正?。≒S）、正中（PM）以及正大（PB）。根據(jù)隸屬函數(shù)的特性要求，采用三角型隸屬度函數(shù)，如圖4 所示。

圖4 輸入、輸出三角隸屬度函數(shù)示意圖

當(dāng)叉梳式立體車庫運(yùn)行時(shí)，因?yàn)椴煌倪\(yùn)行工況會(huì)導(dǎo)致3 個(gè)參數(shù)K、K以及K發(fā)生變化，所以需要控制PID 參數(shù)的選取范圍，建立模糊規(guī)則庫對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 模糊規(guī)則表

以模糊規(guī)則為例，得到模糊推理曲面觀測(cè)圖如圖5 所示，圖5 的曲面基本平整，滿足模糊規(guī)則要求。

圖5 模糊推理輸出曲面觀測(cè)圖

3 模糊PID控制器的仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模糊PID控制器的仿真

針對(duì)叉梳式立體車庫控制系統(tǒng)，在MATLAB 中建立模糊PID 控制器的對(duì)比模型進(jìn)行仿真。利用試湊的方法，根據(jù)順序分別計(jì)算K、K以及K，將計(jì)算得出的3 個(gè)參數(shù)代入模糊PID 控制器，并設(shè)定仿真時(shí)間為3 s，仿真得到的曲線圖如圖6 所示，在階躍信號(hào)下，模糊PID 控制具有更快的響應(yīng)速度，可以達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定效果。

圖6 階躍響應(yīng)仿真對(duì)比圖

由此可知，對(duì)PID 控制器自整定的PID 參數(shù)來說，當(dāng)控制系統(tǒng)的參數(shù)因外界因素而產(chǎn)生變化時(shí)，由PID 控制器控制的系統(tǒng)會(huì)更容易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，而且控制系統(tǒng)的震蕩幅度比模糊PID 控制更大，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的本身也存在參數(shù)和結(jié)構(gòu)的不確定性，所以需要使用模糊PID 控制對(duì)控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，在模糊PID 控制策略下，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。

3.2 模糊PID控制器性能測(cè)試

為驗(yàn)證模糊PID 控制器的調(diào)速性能，搭建叉梳式立體車庫樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，由于實(shí)際的立體車庫成本過高，因此設(shè)計(jì)了如圖7 所示的3 層的叉梳式立體車庫樣機(jī)。叉梳式立體車庫樣機(jī)所用異步電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 440 r/min。

圖7 叉梳式立體車庫樣機(jī)圖

在開展叉梳式立體車庫試驗(yàn)的過程中，給變頻器和PLC控制器分別接入24 V 直流電源和220 V 交流電源，將軟件程序下載到PLC 控制器并進(jìn)行調(diào)試。模糊PID 控制系統(tǒng)中的速度測(cè)量反饋系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)編碼器和PLC 的高速計(jì)數(shù)模塊組成。以叉梳式立體車庫升降機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，在模糊控制系統(tǒng)工作過程中，通過安裝在升降機(jī)構(gòu)電機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得當(dāng)前速度，經(jīng)過計(jì)算可以得出速度差和速度差的變化率e，然后經(jīng)過模糊處理得到輸出值，再通過PID 控制器將其輸出到變頻器，變頻器調(diào)整頻率，以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

由圖8 可知，隨著變頻器頻率的升高，梳式立體車庫升降電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，叉梳臂升降臺(tái)速度也隨之上升，此時(shí)立體車庫升降機(jī)構(gòu)給定速度由0.0 m/s 上升到0.4 m/s，而反饋速度須在模糊PID 控制器下才能快速地同步調(diào)速到對(duì)應(yīng)的速度值，最終使實(shí)際運(yùn)行速度與給定速度基本保持一致，速度反饋?zhàn)畲箝g隔時(shí)間為0.425 s，最大誤差不超過1%。試驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的模糊PID 控制器可以對(duì)立體車庫電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行同步調(diào)速，且叉梳式立體車庫樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖8 速度跟蹤曲線

4 結(jié)論

針對(duì)叉梳式立體車庫存在電機(jī)速度響應(yīng)問題，該文提出了一種利用模糊PID 控制對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，建立了基于模糊PID 控制器的對(duì)比仿真模型，還搭建了叉梳式立體車庫樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，得出如下結(jié)論：1）根據(jù)仿真結(jié)果可知，模糊PID 控制器調(diào)節(jié)立體車庫控制系統(tǒng)的參數(shù)的速度更快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)小，并且具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。2）樣機(jī)調(diào)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的模糊PID 控制器可以對(duì)叉梳式立體車庫電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行同步調(diào)速，且叉梳式立體車庫樣機(jī)可以穩(wěn)定運(yùn)行。