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。楊曉玫等人針對無刷直流電機(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通過鋼絲繩進(jìn)行提升或者下降，叉梳臂升降臺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)動的叉梳載車板在水平方向上移動，如果需要存取汽車，則可利用叉梳臂升降臺和叉梳式載車板梳齒之間的交叉結(jié)構(gòu)對汽車進(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)編碼器可以檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將旋轉(zhuǎn)編碼器檢測出來的脈沖信號送回PLC 控制器，然后進(jìn)行計數(shù)以及計算電機(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

2.1 PID控制

PID 控制器可以被應(yīng)用在各種場合，其也能對電機(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；（）為反饋變量；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，通過傳感器和PLC 高速計數(shù)模塊不斷檢測計算速度的偏差量和速度差變化率的變化值，并利用設(shè)計好的模糊控制關(guān)系對計算測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，從而對PID 控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)PID 控制器計算調(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

模糊控制是一種通過模仿生產(chǎn)人員的實際操作經(jīng)驗的規(guī)則控制。對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、輸出變量的論域為[-6，6]。使用7 個模糊語言變量進(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，因為不同的運(yùn)行工況會導(dǎo)致3 個參數(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圖

3 模糊PID控制器的仿真與試驗驗證

3.1 模糊PID控制器的仿真

針對叉梳式立體車庫控制系統(tǒng)，在MATLAB 中建立模糊PID 控制器的對比模型進(jìn)行仿真。利用試湊的方法，根據(jù)順序分別計算K、K以及K，將計算得出的3 個參數(shù)代入模糊PID 控制器，并設(shè)定仿真時間為3 s，仿真得到的曲線圖如圖6 所示，在階躍信號下，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)仿真對比圖

由此可知，對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，由PID 控制器控制的系統(tǒng)會更容易出現(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，因為控制系統(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控制器性能測試

為驗證模糊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，由于實際的立體車庫成本過高，因此設(shè)計了如圖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)中的速度測量反饋系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)編碼器和PLC 的高速計數(shù)模塊組成。以叉梳式立體車庫升降機(jī)構(gòu)為研究對象，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)編碼器測得當(dāng)前速度，經(jīng)過計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，叉梳臂升降臺速度也隨之上升，此時立體車庫升降機(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)速到對應(yīng)的速度值，最終使實際運(yùn)行速度與給定速度基本保持一致，速度反饋最大間隔時間為0.425 s，最大誤差不超過1%。試驗調(diào)試結(jié)果表明，設(shè)計的模糊PID 控制器可以對立體車庫電機(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 控制器的對比仿真模型，還搭建了叉梳式立體車庫樣機(jī)進(jìn)行測試，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)計的模糊PID 控制器可以對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。