葉海平

模糊PID控制應(yīng)用于液壓同步控制系統(tǒng)的研究

葉海平

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，福建，漳州 363000）

液壓同步控制系統(tǒng)工程機械中受到廣泛地應(yīng)用。液壓同步控制系統(tǒng)具有非線性、參數(shù)時變、大慣性、遲滯系統(tǒng)等特性。模糊控制算法對控制對象具有很好的逼近作用。將模糊控制理論應(yīng)用到PID控制中，提高PID控制器的控制能力。將模糊PID控制器應(yīng)用到液壓同步控制系統(tǒng)中，進一步提高液壓同步控制系統(tǒng)的動態(tài)和系統(tǒng)穩(wěn)定性。利用MatLab軟件對液壓同步系統(tǒng)進行建模和仿真實驗。仿真結(jié)果表明基于模糊PID控制的液壓同步控制系統(tǒng)具有很好的動態(tài)性能和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性。

同步回路；模糊控制；液壓控制；PID控制器

0 引言

PID控制器由于操作簡單、靈活等特性，廣泛應(yīng)用于液壓同步控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)執(zhí)行裝置的同步運行。隨著智能制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，在一些智能的工程機械中，對同步控制系統(tǒng)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的PID控制已經(jīng)不能滿足智能工程機器發(fā)展的需求[1-2]。

模糊控制是模糊數(shù)學(xué)同控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物。模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思維方式, 對難以建立精確數(shù)學(xué)模型的對象實施的一種控制。因此，模糊控制對工業(yè)智能控制具有舉足輕重的作用。PID控制器由于其操作方便、靈活控制等特性，被廣泛應(yīng)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(yīng)，響度速度達不到要求。目前模糊控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，如劉文秀等[3]將模糊控制應(yīng)用到配料稱重系統(tǒng)，陳佳林等[4]將模糊PID應(yīng)用到磨削機床伺服電機控制。而將模糊PID控制器應(yīng)用到液壓同步控制系統(tǒng)的研究相對較少。

1 液壓同步控制系統(tǒng)設(shè)計

液壓同步控制系統(tǒng)，就是由幾個液壓馬達作為執(zhí)行裝置，機器在運行過程中需要若干個液壓馬達才能實現(xiàn)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(cè)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(jù)位置差，使用控制算法得到控制量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)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[3]。

圖1 雙缸液壓機同步控制原理

2 模糊自整定PID控制器的設(shè)計

將模糊控制應(yīng)用到PID控制當(dāng)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(shù)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(shù)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控制器再進一步地控制液壓同步系統(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(shù)為系統(tǒng)誤差E和誤差變量率，輸出為PID控制器的修正參數(shù)為。根據(jù)模糊分割理論，確定分割數(shù)為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。輸入變量系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)誤差率的論域為{-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(shù)是對模糊概念的定量描述，常用的有高斯幻術(shù)、三角函數(shù)、S形函數(shù)等。三角隸屬函數(shù)具有結(jié)構(gòu)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形函數(shù)來描述，輸入變量的隸屬度函數(shù)曲線如圖2所示，輸出變量的隸屬度函數(shù)曲線如圖3所示[4-5]。

圖2 E和Ec的隸屬度函數(shù)曲線

圖3 ΔKp、ΔKi和ΔKd的隸屬度函數(shù)曲線

2.2 建立模糊規(guī)則表

根據(jù)PID控制器的工作原理、比例系數(shù)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中的主要作用和影響，在不同的和時，被控過程對參數(shù)和的調(diào)整規(guī)則如下所示：

1)當(dāng)較大時，通常通過調(diào)大的值和調(diào)小的值，來加快控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度；為了防止控制系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)較大的超調(diào)，需要對積分值加以控制，必要時取為零。

2)當(dāng)和的值相對適中的時候，為了避免出現(xiàn)太大超調(diào)，通常把比例系數(shù)和積分系數(shù)的值調(diào)??；此時，因為微分系數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)影響較大，一般取值適中。

3)當(dāng)?shù)闹递^小時，為保障系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，可以考慮調(diào)大比例系數(shù)和積分系數(shù)；同時，為了防止控制系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，考慮到系統(tǒng)的抗干擾能力，比例系數(shù)的值要根據(jù)的值來調(diào)整，當(dāng)值小時，調(diào)大，反之，調(diào)小。

根據(jù)上面PID控制參數(shù)的調(diào)整規(guī)則，結(jié)合專家實際控制過程中的寶貴經(jīng)驗，可以設(shè)計出PID控制變量三個參數(shù)的控制規(guī)則如表1、表2 和表3 所示[6-7]。

表1 Kp控制規(guī)則表

表2 Ki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(shù)的表達式為

（3）

為3個參數(shù)的初值，{}{}{}為模糊控制表中的修正值。本文PID控制算式為：

2.3 用模糊控制實現(xiàn)PID自整定

通過以上設(shè)計步驟，將模糊控制應(yīng)用到PID控制器當(dāng)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[9]?？刂频脑韴D如圖4所示。

圖4 模糊PID液壓同步控制器原理圖

3 將模糊自整定PID 控制應(yīng)用到液壓控制系統(tǒng)中進行仿真

為了驗證模糊PID控制器的優(yōu)越性，選取某雙缸鍛造液壓機液壓同步控制系統(tǒng)為研究對象。根據(jù)液壓系統(tǒng)參數(shù)和傳遞函數(shù)公式，確定其傳遞函數(shù)為：

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(zhuǎn)化為一個s-function[10]，通過兩個軟件的接口將液壓系統(tǒng)模型導(dǎo)入Simulink中，與Simulink中搭建的控制系統(tǒng)模型進行聯(lián)合仿真[11-12]。

根據(jù)模糊PID控制器和液壓同步系統(tǒng)的工作原理，在Matlab軟件的Simulink里面構(gòu)建模糊控制器，進而將整個液壓同步系統(tǒng)的控制過程構(gòu)建出來，同時也將普通PID控制液壓同步系統(tǒng)構(gòu)建出來，如圖5所示。兩者在仿真過程中所有參數(shù)的值都是參數(shù)和的數(shù)值范圍為(0，20),初始PID參數(shù)值均為：= 0.2，= 0.1，= 0.5。然后將仿真結(jié)果進行比較，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(jié)果如圖6所示和圖7所示[13-14]。

圖6 PID控制方式下液壓缸活塞運動圖

Figure 6 Piston motion diagram of hydraulic cylinder under PID control mode

圖7 模糊PID控制方式下液壓缸活塞運動圖

Figure 7 Piston motion diagram of hydraulic cylinder under fuzzy PID control mode

通過仿真結(jié)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的超調(diào)量都明顯減小，位移穩(wěn)定后隨負載波動的最大幅值降為0.20 mm相比PID 控制位移的同步精度有了明顯提高?？梢?，模糊 PID 控制的控制效果最好，降低了位移的超調(diào)量和波動的程度，提高了同步精度，相比PID控制其具有更強的適應(yīng)性和魯棒性。

4 結(jié)論

將模糊控制應(yīng)用到PID控制當(dāng)中，提高PID控制器的性能，形成模糊PID控制器；將它應(yīng)用到液壓同步系統(tǒng)，提高液壓同步系統(tǒng)的整體性能。在Matlab軟件里，對模糊PID控制液壓同步系統(tǒng)和PID控制液壓同步系統(tǒng)進行建模仿真。通過仿真結(jié)果，驗證模糊PID液壓同步系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，超調(diào)量更小，整體性能更好。

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Application of Fuzzy-PID Control in Hydraulic Synchronization Control System

YE Hai-ping

（College of Mechanical Engineering,ZhangZhou Institute of Technology Zhangzhou, Fujian 363000, China）

Hydraulic synchronous control system is widely used in construction machinery. There are nonlinearity, time-varying parameters, large inertia and hysteresis in Hydraulic synchronous control system. The fuzzy control algorithm has a good approximation to the control object. The fuzzy control theory is applied to the PID control to improve the control ability of the PID controller. The fuzzy PID controller is applied to the hydraulic synchronous control system to further improve the dynamic and system stability of the hydraulic synchronous control system. The hydraulic synchronization system is modeled and simulated by MATLAB software. The simulation results show that based on fuzzy PID control, the hydraulic synchronous control system has good dynamic performance and system stability.

synchronization loop; fuzzy control; hydraulic control; PID controller

1674-8085(2020)01-0075-07

TH16/TP27

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2020.01.014

2019-06-20；

2019-09-10

福建省中青年教師教育科研基金項目（JAT160872）

葉海平(1982-)，男，福建漳州人，講師，碩士，主要從事數(shù)控技術(shù)和液壓技術(shù)方面的科研和教學(xué)工作(E-mail:44002326@qq.com).