模糊PID方法用于液壓比例閥的高精度定位控制

李 劍，劉渭苗，徐長安，孫筵葳，李宏偉

(中國重型機(jī)械研究院有限公司板帶精整研究所，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著我國鋼鐵行業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)線對全自動功能的需求也越來越多，其中對比例閥的定位控制精度的要求也越來越高，但使用較高控制精度的比例閥新產(chǎn)品成本太大。本文提出一種模糊PID控制方法，通過軟件配合具有一定精度的比例閥來提高其控制精度，改進(jìn)控制效果，并應(yīng)用于比例閥高精度定位控制系統(tǒng)中。

1 控制原理

在比例閥的控制系統(tǒng)中，液壓站為比例閥和油缸提供動力，電源模塊為比例閥提供電源?？刂圃砣鐖D1所示，PLC控制模擬量輸出模塊為比例閥提供－10 V～+10 V的模擬量信號，絕對值編碼器反饋的脈沖數(shù)乘以脈沖當(dāng)量計(jì)算得到油缸的實(shí)際行程，定位要求的設(shè)定值減去編碼器計(jì)算的實(shí)際行程得到定位誤差，定位誤差作為PID調(diào)節(jié)器的輸入，然后PID調(diào)節(jié)器輸出電壓信號給模擬量輸出模塊，以達(dá)到對比例閥的定位控制。

圖1 控制原理圖Fig.1 Control principle of valve system

(1)比例閥。比例閥的控制主要是通過比例放大器來實(shí)現(xiàn)，以內(nèi)置式比例方向閥為例，比例閥放大器就在閥上集成，通過給放大器的D與E接口輸入不同的電壓值(0～±10 V)就可以實(shí)現(xiàn)控制，此電壓值近似正比于流量(即油缸的速度)，而電壓的正負(fù)即對應(yīng)著油缸的方向(即油缸上升或下降)，放大器的電氣控制接口如圖2所示［1］。

(2)PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)利用PID調(diào)節(jié)器來對比例閥的輸入電壓值進(jìn)行控制，編碼器讀取的脈沖數(shù)除以絕對值編碼器額定脈沖(單圈脈沖數(shù))，然后乘以螺距，得出油缸行程的實(shí)際位置。設(shè)定的定位位置減去編碼器測量的實(shí)際位置，得到控制誤差量，誤差量經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器就得到比例閥所需要的控制電壓?？刂圃硪妶D3。

2 控制方案

對于比例閥不同的工作區(qū)間，需要設(shè)定不同的PID參數(shù)，當(dāng)比例閥定位誤差較大時(shí)需要給定一個(gè)較大的比例參數(shù)、一個(gè)較小的積分常數(shù)和一個(gè)較小的微分參數(shù)，來對控制誤差進(jìn)行放大，并減小響應(yīng)時(shí)間，而不用太多考慮穩(wěn)態(tài)誤差;當(dāng)比例閥定位誤差較小時(shí)候，則需要給定一個(gè)較小的比例參數(shù)，并配合一個(gè)較大的積分和較大的微分參數(shù)來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位控制，如表1所示。

模糊控制器和常規(guī)的控制器相比較無需建立控制對象的數(shù)學(xué)模型，對被控對象的時(shí)滯、非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對干擾也有較強(qiáng)的抑制能力，即魯棒性較好。FUZZY—PID控制器的復(fù)合方式來控制比例閥這樣一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的控制對象不失為一個(gè)好方法，用模糊規(guī)則使控制器在不同的工作區(qū)間自適應(yīng)調(diào)整 PID 參數(shù)值［2，4］。

表1 PID參數(shù)對應(yīng)比例閥在不同工作區(qū)間的值Table 1 PID parameters corresponding to values of proportional valve in different operating regions

首先編輯模糊控制器的輸入值:對于每個(gè)控制誤差區(qū)間定義不同的參數(shù)功能，參照表1輸入?yún)?shù)(控制誤差值)。對應(yīng)于定位偏差小于10 mm為小誤差，定位偏差小于20 mm并且大于10 mm為中誤差，定位偏差大于20 mm為大誤差。

同理編輯輸出變量Kp、Tn、Tv的參數(shù)功能。KP有三個(gè) 1.0、1.5、2.0，Tn有三個(gè) 2000、1500、1000，Tv有兩個(gè) 1000、0;分別為小、中、大。Kp的功能如圖4、圖5所示。

對PID參數(shù)進(jìn)行模糊修正的過程中，模糊控制器的性能對系統(tǒng)的控制特性影響很大，而模糊控制器的性能在很大程度上取決于模糊控制的規(guī)則和規(guī)則的可調(diào)整性［5］。根據(jù)成員功能和表1，定義模糊規(guī)則表見如表2。

表2 模糊規(guī)則表Table 2 List of fuzzy rules

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢，在PLC系統(tǒng)中為模糊控制器和PID控制器建立兩個(gè)DB塊，命名為fuzzy data block和PID data block。在SIMATIC S7系統(tǒng)中以AWL代碼的形式調(diào)用模糊控制和PID控制的FB塊，其中Kp變量為real類型，Tn和

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在廣州某重卷機(jī)組中對自動上卷功能中上卷小車的比例閥進(jìn)行定位控制，采用SIMATIC S7－400作為基礎(chǔ)控制器件，編寫并調(diào)用模糊控制和PID控制FB塊來進(jìn)行比例閥控制，采用絕對值編碼器對比例閥油缸位置進(jìn)行測量，選取表1中的第1組和第3組參數(shù)作為PID調(diào)節(jié)器的固定參數(shù)和模糊控制PID的變參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，監(jiān)控曲線如圖6所示。

圖6 模糊PID與常規(guī)PID試驗(yàn)比較Fig.6 Experimental comparison of fuzzy PID and conventional PID

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出模糊PID在響應(yīng)開始時(shí)響應(yīng)速度很快，但到達(dá)規(guī)則切換點(diǎn)以后響應(yīng)趨于平穩(wěn)，在穩(wěn)態(tài)誤差范圍之前微分參數(shù)起作用使系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)克服了輸出電壓過快變化帶給比例閥的抖動和輸出電壓過慢帶給比例閥的死區(qū)不響應(yīng)。整個(gè)過程比例閥輸出平穩(wěn)，定位精度高，并且動態(tài)過程響應(yīng)快，超調(diào)量小，穩(wěn)態(tài)誤差小，是一種可以采用并推廣的好方法。

［1］ FESTO．電磁閥樣本［K］．2010:60－63．

［2］ 李國勇．一種新型的模糊PID控制器［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2003(10):1492－1493．

［3］ 西門子公司．PID control樣本［K］．2010:26－29．

［4］ 鐘慶昌，謝劍英，李輝，等．變參數(shù)PID控制器［J］．信息與控制．1999，28(4):273－276．

［5］ 金以慧．過程控制［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1998．