專家控制器在精校機上的仿真研究

丁曙光,楊文旭,桂貴生

(合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院,安徽 合肥 230009)

1 引言

精校機主要用于校直軸類零件,軸類零件在加工及熱處理的過程中容易出現(xiàn)彎曲變形,影響零件的使用效率及壽命,所以通常在軸類零件加工過程中都適當?shù)膽眯Ｖ惫ば颉，F(xiàn)在常用的校直機是液壓式點壓校直機,采用壓頭下壓校直工件的方法,因此壓頭的行程控制性是校直機校直的關(guān)鍵技術(shù)[1]。而且此系統(tǒng)對控制精度的要求很高,不允許過大超調(diào) (過壓),既要提高加工效率,又要較高的校直精度,且電液伺服系統(tǒng)在本質(zhì)上又是一個非線性系統(tǒng),所以控制起來有難度。

傳統(tǒng)的 PI D控制是以對象的數(shù)學模型為基礎(chǔ)的一種控制方式,不能有效克服負載、模型參數(shù)大范圍變化及非線性因素的影響。因此應該采用更好的控制方法來控制對象。而專家系統(tǒng)對上述問題能作出較好的預測,并能找出解決問題的適當方法。本文提出了一種基于專家控制規(guī)則的PI D控制算法,把專家系統(tǒng)和 PI D控制器結(jié)合起來,利用專家系統(tǒng)知識庫來修正 PI D參數(shù),改變PI D控制方式,以達到最佳 PI D控制的效果。

2 專家整定 PI D控制系統(tǒng)的原理和設(shè)計

2.1 數(shù)字 PI D的控制算法

目前,PI D控制算法是一種廣泛應用的控制方法,具有結(jié)構(gòu)簡單,參數(shù)整定方便等優(yōu)點,在許多場合能獲得令人滿意的效果。但是當被控制對象的特性比較復雜時,由于標準 PI D算式中積分項的作用,如果參數(shù)調(diào)整不合理,可能使系統(tǒng)產(chǎn)生一個較大的超調(diào)量,導致系統(tǒng)不停地震蕩。數(shù)字 PI D的控制算法為

2.2 專家整定 PI D的工作原理

(1)專家整定 PI D控制系統(tǒng)是以閉環(huán)負反饋控制理論為基礎(chǔ),將 PI D控制與專家系統(tǒng)結(jié)合在一起,實現(xiàn)專家系統(tǒng)對 PI D的優(yōu)化,完成專家經(jīng)驗對 PI D控制器的整定。專家自整定 PI D控制系統(tǒng)如圖 1所示。

圖 1 專家整定 PI D控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

系統(tǒng)的工作原理:首先根據(jù)生產(chǎn)過程的要求確定控制系統(tǒng)性能指標的要求,以誤差信號為基礎(chǔ)來識別專家控制系統(tǒng)的性能指標,同時以此作為推理機的產(chǎn)生式規(guī)則的前提條件進行推理,確定 PI D的參數(shù)調(diào)整方向和調(diào)整量,專家控制器指導 PI D控制器參數(shù)調(diào)整,實現(xiàn)控制功能。系統(tǒng)的性能指標有誤差平方的積分函數(shù)、時間與誤差平方乘積的積分函數(shù)、絕對誤差的積分函數(shù)、時間與絕對誤差乘積的積分函數(shù)。但是對于熱工控制系統(tǒng),使用以上指標并不能保證品質(zhì)滿足要求,因此我們選用綜合型指標為目標函數(shù),即仿真時以單項指標為準則進行優(yōu)化,單項指標包括衰減比、衰減率、最大動態(tài)偏差、超調(diào)量、穩(wěn)定誤差、過渡時間以及上升時間[3]等。通常選擇其中的幾項作為衡量某一控制器是否有效的指標。

(2)專家整定 PI D采用產(chǎn)生式規(guī)則,專家控制系統(tǒng)根據(jù)控制專家的經(jīng)驗從特征識別得到的系統(tǒng)狀態(tài)特征和性能特征出發(fā),總結(jié)出調(diào)試控制規(guī)律或規(guī)程,采用專家語言描述的整定 PI D控制參數(shù)的整定規(guī)則。獲取規(guī)則的方法有兩種,一種是直接從該領(lǐng)域的專家那里得到,另一種是通過系統(tǒng)仿真的方法間接獲取?，F(xiàn)在通常利用 Matlab語言的 simulink工具箱整定 PI D參數(shù)的規(guī)則,通過建立控制對象的數(shù)學模型,在模型下面不斷調(diào)試 PI D參數(shù),從而摸索出整定規(guī)則。

2.3 校直機液壓伺服系統(tǒng)的專家整定 PI D規(guī)則

校直機液壓伺服系統(tǒng)專家整定 PI D采用產(chǎn)生式整定規(guī)則,是目前最常用的專家系統(tǒng)的知識表示方法,也被公認是最合理的。所有的規(guī)則采用相同的結(jié)構(gòu),每條規(guī)則都使用 if…then的結(jié)構(gòu)表示,不但容易被接受和理解,而且便于管理。當滿足規(guī)則的條件時,便激發(fā)規(guī)則,執(zhí)行動作[4]。由于規(guī)則是不斷更新的,每條規(guī)則之間聯(lián)系不大,對規(guī)則的修改彼此之間也不會有太大的沖突,所以這種表示規(guī)則的方法也便于隨時修改,保證了規(guī)則庫的實時性。

令 e(k)為離散化的當前采樣時刻的誤差值,e(k-1)為前一個采樣時刻的誤差值,有△e=e(k)-e(k-1),規(guī)則如下。

規(guī)則一,當誤差的絕對值小于某一規(guī)定的范圍,此時的控制參數(shù)處于合理的范圍內(nèi),可以不必修改。即

規(guī)則二,當誤差大于某一極限值時,此時的誤差已經(jīng)很大了,必須考慮加大比例參數(shù)盡快的減少誤差。即

規(guī)則三,當誤差大于零,誤差的變化率小于零時,說明誤差正在向變小的方向變化,此時應該適當?shù)募右稽c積分環(huán)節(jié)。即

規(guī)則四,當誤差小于零,而誤差的變化率也小于零時,誤差有增大的趨勢,故此時應增大一點比例環(huán)節(jié),同時增大一點微分環(huán)節(jié),促進系統(tǒng)的穩(wěn)定。即

規(guī)則五,當誤差小于零而誤差的變化率大于零時,誤差整趨向零,此時只需增加微分環(huán)節(jié)的控制作用,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。即

規(guī)則六,當誤差大于零且誤差變化率也大于零時,誤差向變大的方向發(fā)展,此時應該立即增大比例系數(shù),以遏制系統(tǒng)誤差繼續(xù)增大的趨勢,同時加入積分以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差,再加強微分的控制作用,保證系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。即

規(guī)則七,當誤差大于零并且小于規(guī)定的最大值且誤差的變化率小于零時,雖然誤差是朝著變小的方向發(fā)展,但總體誤差還是很大的,此時要實行較強的控制。即

以上七條規(guī)則是總結(jié)出來的整定 PI D參數(shù)的經(jīng)驗方法。

3 專家自整定系統(tǒng)進行仿真

當某型號精校機液壓位置伺服系統(tǒng)的負載為慣性負載與外力負載 (即壓頭空載下行)時,得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)[6]為

用Matlab/simulink對該系統(tǒng)進行仿真,對于以上的規(guī)則,采用M文件的形式易于仿真,校直機壓頭分別用傳統(tǒng) PI D控制,常規(guī)模糊控制以及專家整定 PI D控制仿真結(jié)果如圖 2所示。

通常以超調(diào)量的大小,上升時間和穩(wěn)定時間的快慢來衡量該控制方法是否優(yōu)于其他的控制策略。圖 2中三條曲線分別為傳統(tǒng) PI D控制,常規(guī)模糊控制和專家整定 PI D在校直機的液壓伺服系統(tǒng)的仿真圖像。由圖 3可以看出,專家整定 PI D控制和常規(guī)模糊控制的控制效果明顯高于傳統(tǒng)的 PI D的控制效果,從超調(diào)量上看,專家自整定控制以及常規(guī)模糊控制的超調(diào)量基本上沒有,也都沒有出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象,同比的傳統(tǒng) PI D控制有明顯的超調(diào)量,而且還很大;從上升時間上看,也可以得到專家整定 PI D用的時間最短,而且達到穩(wěn)定的時間也快于傳統(tǒng)的 PI D控制和常規(guī)模糊控制。模糊控制的控制效果雖然優(yōu)于傳統(tǒng) PI D控制的控制效果,但是其達到穩(wěn)定時用的時間要長于專家整定 PI D,而且穩(wěn)定性也遜于專家整定 PI D,呈現(xiàn)明顯的波動。所以整體上來講專家整定 PI D控制器應用在校直機上是滿足要求的。

圖 2 三種 PI D控制仿真比較

因為在建立系統(tǒng)模型求出傳遞函數(shù)的過程中,許多參數(shù)的計算都會或多或少的引入經(jīng)驗系數(shù),機器在工作的過程中某些參數(shù)會隨環(huán)境的變化而變化,例如油的粘性會隨溫度的變化而有可能變稀或者變稠,所以系統(tǒng)的傳遞函數(shù)參數(shù)因人為或者工作條件的變化產(chǎn)生些許改變。為了驗證總結(jié)出來的規(guī)則對該液壓伺服系統(tǒng)具有普遍的適應性,在此修改傳遞函數(shù)的部分參數(shù)加以驗證。修改后的精校機的負載為慣性負載與外力負載(即壓頭空載下行)時,得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

仿真圖如圖 3、圖 4所示。

圖 3 參數(shù)變化前的仿真圖像

圖 4 參數(shù)修改后的仿真圖像

由仿真圖像可以看出修改參數(shù)后的系統(tǒng)仿真圖像和修改參數(shù)之前的圖像基本上是重合的,無論是上升時間,穩(wěn)定時間或者是超調(diào)量都沒有太多改變。故可以得出該專家整定 PI D控制器的整定規(guī)則對該液壓伺服系統(tǒng)具有適應性。

4 結(jié)論

本文將專家整定 PI D控制應用于校直機上,通過Matlab/simulink進行仿真研究,得出專家整定 PI D的控制效果要優(yōu)于傳統(tǒng) PI D和常規(guī)模糊控制的結(jié)論。而且專家整定 PI D控制系統(tǒng)適合對象特征易于變化的情況,專家控制系統(tǒng)可以在線跟蹤控制過程,并及時的發(fā)現(xiàn)控制性能的變化,及時的改變 PI D參數(shù),達到更好的控制對象的效果,使控制對象始終運行在最佳的狀態(tài)。

[1] 陳永新.精校機電液位置伺服系統(tǒng)的研究 [D].合肥:合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院,2004.

[2] 彭花,周文祥.基于MATLAB的專家整定 PI D控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].中國測試技術(shù),2003,04(7):55-56.

[3] 白冬梅,呂麗霞.專家整定 PI D控制系統(tǒng) [J].測控技術(shù),2004,23(4):46-47.

[4] 王筱芳.專家系統(tǒng)的研究與探索[J].2008,(9):50-60.

[5] 董澤,劉娜,韓璞.專家整定 PI D控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機仿真,2002,19(1):23-25.

[6] 丁曙光,盧檢兵,桂貴生.基于 Fuzzy-PI D控制算法的校直機電液伺服系統(tǒng)的仿真與應用研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學,2007.