專家系統(tǒng)模糊PID在攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)上的應(yīng)用

蔡夢(mèng)克　賈莉　趙素素　陳新軒

摘要：為了能夠提高攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)在不同工況下的恒速控制水平，分析攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)的基本原理，深入地研究了專家系統(tǒng)模糊PID控制在其中的應(yīng)用。通過介紹專家系統(tǒng)模糊PID控制器的基本原理，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，并且使用軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明該設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)攤鋪機(jī)恒速控制具有較好的控制精度。

關(guān)鍵詞：專家系統(tǒng)模糊PID控制；攤鋪機(jī)；液壓行駛系統(tǒng)；恒速控制

中圖分類號(hào)：U415.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to improve the constant speed control level of pavers hydraulic driving system under different working conditions， the basic principles of the hydraulic driving system was analyzed， and fuzzy expert system with PID control was thoroughly studied. The mechanism of fuzzy expert system with PID controller was introduced and implemented， and was simulated with software. The results show that the designed control system yields decent precision in constant speed control.

Key words： fuzzy expert system with PID control； paver； hydraulic driving system； constant speed control

0引言

瀝青攤鋪機(jī)屬于連續(xù)式作業(yè)機(jī)械， 其主要用于道路面層的鋪筑，對(duì)作業(yè)質(zhì)量的要求較高，而其行駛性能的好壞將直接影響攤鋪質(zhì)量。由于傳統(tǒng)PID控制具有操作方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種大型機(jī)械的液壓行駛系統(tǒng)中。然而在攤鋪機(jī)的作業(yè)過程中，由于負(fù)荷的變化、路面的不同以及不同材料等因素的影響，單單采用傳統(tǒng)PID控制已經(jīng)不足以應(yīng)對(duì)非線性、時(shí)變性的復(fù)雜液壓伺服系統(tǒng)，也很難確保行駛系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)在最佳范圍內(nèi)。而這對(duì)攤鋪路面的平整度、初始密實(shí)度和離析度將產(chǎn)生直接的影響。

專家模糊控制響應(yīng)快，對(duì)干擾不敏感，不依賴被控對(duì)象，對(duì)非線性、時(shí)變及滯后的系統(tǒng)非常適合[1]。因此本文將專家系統(tǒng)模糊PID控制應(yīng)用在攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)上，對(duì)攤鋪機(jī)各種工況下的恒速控制水平有顯著的提升。

1行駛液壓系統(tǒng)與控制原理

瀝青攤鋪機(jī)行駛液壓系統(tǒng)為雙泵雙馬達(dá)回路，主要由變量泵、變量馬達(dá)與控制閥組成。圖1為單邊行駛液壓系統(tǒng)原理圖，其控制原理如下。

比例電磁閥Y1.1/Y1.2二者之一分別通電，轉(zhuǎn)換泵高、低壓腔，從而實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)前進(jìn)或后退。行駛速度大小依賴于Y1.1/Y1.2的控制電流，調(diào)節(jié)左右兩側(cè)對(duì)應(yīng)方向的比例電磁閥，使工作電流大小不同，產(chǎn)生左右行駛差速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。當(dāng)電流大小相等，方向相反，即左右兩側(cè)履帶速度相反，實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向[23]。

行駛系統(tǒng)采用雙排量變量馬達(dá)，馬達(dá)排量有最大和最小2種狀態(tài)，電磁閥Y03用于調(diào)節(jié)馬達(dá)排量。排量最小為高速小轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)場(chǎng)行駛工況，排量最大為低速大轉(zhuǎn)矩?cái)備佔(zhàn)鳂I(yè)工況[4]。

當(dāng)油路中壓力過高時(shí)，安全溢流閥打開，目的是防止油路過載，保護(hù)元件；止回閥用于向回路補(bǔ)油；補(bǔ)油安全溢流閥是調(diào)整補(bǔ)油泵最高壓力，以保證充分供油。

2專家系統(tǒng)模糊PID控制策略

2.1專家系統(tǒng)模糊PID控制的思路

由于攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)采用的是雙泵雙馬達(dá)回路系統(tǒng)，所以對(duì)行駛系統(tǒng)的控制主要是對(duì)泵馬達(dá)系統(tǒng)的控制。

專家模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要是由參數(shù)可調(diào)整的PID控制系統(tǒng)和專家模糊控制系統(tǒng)2部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于專家系統(tǒng)模糊PID的液壓行駛系統(tǒng)的控制原理：在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，依據(jù)專家及試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，確定系統(tǒng)特性。對(duì)于不同工況下的攤鋪機(jī)泵馬達(dá)系統(tǒng)采取不同的控制量，并建立相應(yīng)的規(guī)則庫(kù)；以攤鋪機(jī)行駛速度的偏差e和偏差的變化率Ce作為輸入，采用模糊推理機(jī)的推理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制參數(shù)，即比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性，以達(dá)到恒速控制的目的[5]。

2.2專家系統(tǒng)模糊PID控制參數(shù)的隸屬度函數(shù)確定

選擇攤鋪機(jī)行駛速度偏差和偏差變化率作為系統(tǒng)的輸入變量，并選擇參數(shù)kp、ki和kd作為輸出變量。

根據(jù)攤鋪機(jī)泵馬達(dá)系統(tǒng)行駛控制的基本要求，將e和Ce分為7個(gè)模糊集：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。將e和Ce的變化等級(jí)分為7等：-3、-2、-1、0、1、2、3，從而得到輸入變量隸屬度表和隸屬度函數(shù)，見表1和圖3。

將輸出變量kp、ki和kd分為7個(gè)模糊集：NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。其變化等級(jí)分為9等：-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4，從而得到輸出變量隸屬度表和隸屬度函數(shù)，見表2和圖4。

2.3專家系統(tǒng)模糊PID控制模糊化規(guī)則

令ek表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，ek-1表示前一個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，Δek表示誤差的變化值

Δek=ek-ek-1（1）

根據(jù)誤差及其變化，對(duì)專家推理機(jī)做如下分析。

（1） 當(dāng)|ek|>M1時(shí)，說(shuō)明此時(shí)誤差絕對(duì)值已經(jīng)很大，通常這種情況發(fā)生在控制初始階段或者超調(diào)量較大的階段，但無(wú)論誤差怎樣變化，控制器均以定值輸出，達(dá)到快速調(diào)整誤差的目的。同時(shí)使誤差絕對(duì)值以最大速度減小，避免超調(diào)。此時(shí)應(yīng)取大的kp和小的kd并使ki=0。

（2） 當(dāng)ekΔek>0時(shí)，誤差增大，若|ek|≥M2，說(shuō)明誤差較大，主要原因是反向控制量的生成或者超調(diào)量增加，為了提高控制精度，可以取適中的kp和ki，從而降低穩(wěn)態(tài)誤差。若|ek|

（3） 當(dāng)ekΔek<0，且ekΔek-1>0時(shí)，表明誤差絕對(duì)值有降低的趨勢(shì)，如果|ek|≥M2，通常處于控制中間階段，可以確保控制量恒定不變，反之，提高ki能夠降低穩(wěn)態(tài)誤差。

（4） 當(dāng)ekΔek<0，且ekΔek-1<0時(shí)，表明誤差在振蕩階段，此時(shí)取ki=kd=0，并用小的kp，可以降低誤差。

（5） 當(dāng)|ek|

以上：M1、M2為設(shè)定的誤差界限，且M1>M2；M3為任意小的正實(shí)數(shù)。

按照上面的kp、ki以及kd在攤鋪機(jī)泵馬達(dá)系統(tǒng)控制中的實(shí)際應(yīng)用狀況，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模糊化規(guī)則，見表3～5。

3專家系統(tǒng)模糊PID控制系統(tǒng)的仿真分析

為了驗(yàn)證恒速控制能否通過專家模糊PID控制在攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，本文通過Matlab軟件的Simlulink和Fuzzy模塊對(duì)其建模，進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5、6所示。

從圖5、6中可以看出，專家系統(tǒng)模糊PID控制技術(shù)的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)[6]。模糊PID控制器的控制輸出在波動(dòng)產(chǎn)生后較短時(shí)間內(nèi)，重新進(jìn)入收斂狀態(tài)，反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅速，可靠性較高，具有更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)量，從而能夠滿足攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)恒速控制的基本要求。

4結(jié)語(yǔ)

通過上述仿真分析可知，利用專家系統(tǒng)模糊PID控制對(duì)攤鋪機(jī)的液壓行駛系統(tǒng)進(jìn)行恒速控制，具有較好的控制效果。其仿真結(jié)果表明該控制技術(shù)具有響應(yīng)速度快和超調(diào)量小的優(yōu)點(diǎn)，能夠提高控制的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉金琨.智能控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2]劉金琨.先進(jìn)PID控制Matlab仿真（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3]王欣，高子瑜.工程機(jī)械典型控制系統(tǒng)[M].北京：人民交通出版社，2014.

[4]司癸卯，涂中華，王安麟，等.瀝青攤鋪機(jī)液壓行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制算法和控制策略[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，4（3）：283287.

[5]朱濤，李宏偉.基于模糊自適應(yīng)PID的攤鋪機(jī)行駛控制系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36（2）：6971.

[6]徐文山.模糊PID控制器設(shè)計(jì)及MATLAB仿真[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2014，31（4）：9195.

[責(zé)任編輯：杜敏浩]