基于數(shù)字PID控制的魚(yú)雷深度模擬系統(tǒng)研究

趙 鈺, 高天柱, 陳 靜, 王立文, 寇小明

基于數(shù)字PID控制的魚(yú)雷深度模擬系統(tǒng)研究

趙 鈺1,2, 高天柱1, 陳 靜1, 王立文1,2, 寇小明1

(1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安, 710075)

為了提高魚(yú)雷半實(shí)物仿真試驗(yàn)中深度模擬設(shè)備的響應(yīng)速度和控制精度等性能指標(biāo), 開(kāi)發(fā)了一種基于PC104產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)數(shù)字比例-積分-微分(PID)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用上、下位機(jī)的模式, 利用串口進(jìn)行通信; 在控制算法上, 針對(duì)PID控制存在的積分飽和、抗干擾和動(dòng)態(tài)過(guò)程加速等問(wèn)題, 設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制修正算法,確保了系統(tǒng)的控制速度和精度。通過(guò)對(duì)魚(yú)雷半實(shí)物仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知, 所得到性能指標(biāo)滿足實(shí)際要求。

魚(yú)雷深度模擬; 數(shù)字PID; 控制修正算法

0 引言

深度模擬器是魚(yú)雷半實(shí)物仿真中的重要設(shè)備, 其通過(guò)控制液壓油源的壓力輸出, 模擬海水不同深度變化時(shí)作用于魚(yú)雷上的靜態(tài)壓力。在魚(yú)雷半實(shí)物仿真試驗(yàn)中, 深度模擬系統(tǒng)的精度及響應(yīng)速度會(huì)直接影響到試驗(yàn)中深度模擬的準(zhǔn)確性, 進(jìn)而影響仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度。本文采用修正后的比例-積分-微分(proportion-integration-differentia- tion, PID)控制算法, 完成了基于液壓隨動(dòng)的深度模擬系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì), 該系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間快、精度及動(dòng)態(tài)指標(biāo)高、噪聲小等特點(diǎn), 可以滿足魚(yú)雷半實(shí)物仿真對(duì)深度模擬準(zhǔn)確性及快速性的需求。

本文研究結(jié)果適用于高精度的液壓隨動(dòng)控制系統(tǒng), 也可應(yīng)用于對(duì)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓力輸出模擬有較高標(biāo)準(zhǔn)要求的其他場(chǎng)合。

1 硬件設(shè)計(jì)

深度模擬器由兩部分組成, 一部分為控制系統(tǒng), 是該模擬器的計(jì)算機(jī)控制模塊; 另一部分為液壓系統(tǒng), 是該模擬器的液壓油源和電液轉(zhuǎn)換執(zhí)行模塊, 用于完成電信號(hào)到壓力的轉(zhuǎn)換。深度模擬器的系統(tǒng)組成及原理如圖1所示。

圖1 深度模擬器原理圖

深度模擬器具有深度模擬范圍大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、精度要求高等特點(diǎn), 用經(jīng)典的模擬PID方法難以在整個(gè)深度范圍內(nèi)同時(shí)獲得良好的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能。近年來(lái), 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展, 現(xiàn)代工業(yè)控制過(guò)程中, 基本采取參數(shù)調(diào)節(jié)更加靈活的動(dòng)態(tài)數(shù)字PID控制器取代參數(shù)固定的模擬PID控制器, 以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制策略[1]。為保證系統(tǒng)的控制速度和精度, 本文亦采用帶有智能性的動(dòng)態(tài)數(shù)字PID控制器來(lái)構(gòu)建深度模擬器的控制系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及市場(chǎng)調(diào)研選用PC104產(chǎn)品, PC104是一種緊湊型的IEEE-P996工業(yè)總線規(guī)范, 是專(zhuān)門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線, 其主要優(yōu)點(diǎn)[2]是: 1) 小尺寸結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械尺寸是96′90 mm; 2) 堆棧式連接?？偩€以“針”和“孔”形式層疊連接, 即PC104總線模塊之間總線的連接是通過(guò)上層的針和下層的孔相互咬合相連, 這種層疊封裝有極好的抗震性; 3) 輕松總線驅(qū)動(dòng)。4 mA總線驅(qū)動(dòng)即可使模塊正常工作, 每個(gè)模塊1~2 W功耗。

在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí), 為保證輸出壓力穩(wěn)定, 油源系統(tǒng)必須向伺服閥提供恒定的壓力油, 模擬深度最大值為600 m, 換算壓力為6.0 MPa, 因此油源系統(tǒng)壓力應(yīng)能穩(wěn)定在6.5 MPa左右。液壓系統(tǒng)油路原理如圖2所示。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)嚙合齒輪油泵轉(zhuǎn)動(dòng), 油泵從油箱吸油, 對(duì)液壓系統(tǒng)供油。精密濾油器對(duì)液壓油進(jìn)行過(guò)濾, 板式溢流閥使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在6.5 MPa, 油源壓力表監(jiān)測(cè)并顯示系統(tǒng)壓力值。壓力恒定的系統(tǒng)油液接入電液伺服閥的壓力腔, 通過(guò)控制伺服閥, 使其工作腔產(chǎn)生期望的壓力輸出。壓力傳感器測(cè)量輸出壓力, 并將測(cè)量結(jié)果反饋回PID控制計(jì)算機(jī), 油源壓力表和控制壓力表分別顯示油源壓力及系統(tǒng)的輸出壓力值。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2 PID控制算法

PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一, 它所涉及的算法和控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 十分適用于工程應(yīng)用背景, 且控制效果一般都能令人滿意, 是一種應(yīng)用非常普遍的控制策略[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 數(shù)字PID控制器成為主要趨勢(shì)。在控制過(guò)程中, 把連續(xù)的PID算法離散化, 結(jié)合計(jì)算機(jī)CPU的邏輯判斷和分析能力, 使得數(shù)字PID的形式多樣化, 如果想要更改某些參數(shù)時(shí), 無(wú)需修改硬件, 只需要修改軟件即可, 所以靈活性強(qiáng)[4]。數(shù)字PID 控制器的離散化數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:K是比例系數(shù);K是積分系數(shù);K是微分系數(shù);()為第個(gè)采樣時(shí)刻控制器的輸出量;()為第個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值。

PID控制器是深度模擬器控制系統(tǒng)的核心。由于軟件系統(tǒng)的靈活性, 數(shù)字PID控制器可設(shè)計(jì)為帶有一定的智能性, 其3個(gè)控制參數(shù)K,K,K可根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況在控制過(guò)程中不斷自我調(diào)節(jié), 以適應(yīng)系統(tǒng)變化, 達(dá)到最佳的控制效果。

2.1 PID調(diào)節(jié)規(guī)律

分析及產(chǎn)品調(diào)試結(jié)果表明, PID 參數(shù)可依據(jù)以下原則選取[5-6]。

1)K作為主控量的比例增益值, 其主要作用是提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性, 其值越大, 作用越明顯, 但可能導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩加劇, 甚至不穩(wěn)定;K作為誤差的積分增益值, 其主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差, 其值越大, 積分作用越明顯, 亦有可能導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩加劇, 超調(diào)量增大;K作為誤差的微分增益值, 在誤差的調(diào)整過(guò)程中主要起阻尼作用, 可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性, 有助于減小超調(diào)量, 消除振蕩, 縮短調(diào)節(jié)時(shí)間t。

2) PID控制中的比例控制是最基本的控制環(huán)節(jié), 它在整個(gè)過(guò)程中均起作用, 微分控制主要在前期過(guò)程起作用, 積分控制主要在后期起作用。

3) 在誤差的調(diào)整過(guò)程中合理選取并匹配上述3個(gè)增益值, 可以在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和快速性方面達(dá)到滿意的控制效果。在偏差比較大時(shí), 為盡快消除偏差, 提高響應(yīng)速度, 同時(shí)為了避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào), 應(yīng)提高K的增益值, 降低K及K的增益值; 在偏差比較小時(shí), 為提高穩(wěn)態(tài)精度、減小偏差, 并防止超調(diào)過(guò)大、產(chǎn)生振蕩、穩(wěn)定性變壞, 應(yīng)降低K和K值, 適當(dāng)提高K值; 在偏差很小時(shí), 為消除靜差, 克服超調(diào), 使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定, 應(yīng)進(jìn)一步降低K值, 提高K值, 合理控制K值為小量。

2.2 PID控制算法的優(yōu)化及工程實(shí)現(xiàn)

PID控制在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中, 雖有其獨(dú)特的優(yōu)越性, 但也存在著一些缺陷, 比如積分飽和問(wèn)題、抗干擾問(wèn)題和動(dòng)態(tài)過(guò)程加速問(wèn)題等等。對(duì)于數(shù)字PID控制器來(lái)說(shuō), 通?？梢詮目刂扑惴ㄈ胧? 對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行修正, 最大限度地降低其對(duì)控制系統(tǒng)的影響。本文為解決上述問(wèn)題, 研究設(shè)計(jì)了針對(duì)性的修正算法, 具體如下。

1) 飽和作用及其抑制。實(shí)際系統(tǒng)中, 控制量因受元件物理或機(jī)械性能的約束而限制在一定范圍內(nèi), 即min≤≤max。如果控制量在這個(gè)范圍內(nèi), 那么PID控制可以達(dá)到預(yù)期效果; 一旦超出了這個(gè)范圍, 則實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量就不再是計(jì)算值, 由此將引出不期望的飽和效應(yīng)[7]。數(shù)字PID控制中的飽和作用主要是由積分項(xiàng)引起, 稱(chēng)為積分飽和, 積分飽和的影響是使系統(tǒng)輸出產(chǎn)生明顯的超調(diào)。

針對(duì)積分飽和現(xiàn)象, 本文根據(jù)實(shí)際情況, 采用了遇限消減積分法對(duì)控制算法進(jìn)行修正。遇限消減積分法的基本思路是[8]: 當(dāng)控制進(jìn)入飽和區(qū)以后, 便不再進(jìn)行積分項(xiàng)的累加, 而只執(zhí)行消弱積分的運(yùn)算。即在計(jì)算()時(shí), 先判斷(–1)是否已超出限制值。若(–1)>max,則只累加負(fù)偏差; 若(–1)

2) 干擾的抑制。為了消除隨機(jī)干擾的影響, 除了從系統(tǒng)硬件及環(huán)境方面采取措施外, 在控制算法上也應(yīng)采取一定措施, 抑制干擾的影響。

對(duì)于作用時(shí)間較為短暫的快速干擾, 可以連續(xù)多次采樣, 剔除其中的最大、最小值, 對(duì)其余的采樣值求平均數(shù), 該方法足以消除快速隨機(jī)干擾。對(duì)于一般的隨機(jī)干擾, 考慮到干擾主要通過(guò)微分項(xiàng)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響, 可采取對(duì)干擾不過(guò)于敏感的四點(diǎn)中心差分法抑制隨機(jī)干擾。主要思路是[4], 將K選擇的比理想情況稍小一些, 用四點(diǎn)差分法構(gòu)成偏差平均值

再通過(guò)加權(quán)求和形式近似構(gòu)成微分項(xiàng)

然后將其替代原式中的微分項(xiàng)。

3) 動(dòng)態(tài)過(guò)程加速。采取增量算法的數(shù)字PID, 在被控量尚未接近給定量, 僅僅開(kāi)始向給定量變化時(shí), 比例項(xiàng)與積分項(xiàng)的符號(hào)相反, 這造成控制過(guò)程減慢。為加快開(kāi)始階段的動(dòng)態(tài)過(guò)程, 可選擇一偏差范圍ε, 當(dāng)系統(tǒng)偏差絕對(duì)值在此偏差范圍內(nèi)時(shí), 按正常規(guī)律調(diào)節(jié); 當(dāng)系統(tǒng)偏差絕對(duì)值在此偏差范圍外時(shí), 可令K值取0, 即采取PD算法。利用該修改算法, 能夠有效加快控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及算法驗(yàn)證

深度模擬器軟件設(shè)計(jì)為顯控軟件和PID控制軟件兩部分, 其通過(guò)串口通信完成數(shù)據(jù)信息交換。

顯控軟件運(yùn)行在顯控計(jì)算機(jī)上, 可以為用戶提供友好清晰的操作界面, 如圖3所示。顯控軟件主要實(shí)現(xiàn)接收主仿真計(jì)算機(jī)傳送的過(guò)程控制命令, 并根據(jù)執(zhí)行結(jié)果, 返回相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志; 進(jìn)行工作設(shè)定、數(shù)據(jù)通信、圖像顯示及模擬器正常工作的協(xié)調(diào)管理; 自動(dòng)生成工作報(bào)告等。

圖3 深度模擬器操作界面

PID控制軟件運(yùn)行在PID控制計(jì)算機(jī)上, 主要負(fù)責(zé)反饋傳感器的數(shù)據(jù)采集, 接收顯控計(jì)算機(jī)通過(guò)串口發(fā)送的指令, 完成PID數(shù)字控制, 驅(qū)動(dòng)伺服閥, 完成深度模擬。軟件主要由AD采集、DA輸出、濾波模塊、PID控制、串口通信、定時(shí)中斷、自檢、數(shù)據(jù)監(jiān)控報(bào)警等模塊組成。采用修正的PID控制算法后, 深度模擬器的主要技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 深度模擬器主要技術(shù)性能指標(biāo)

深度模擬器在魚(yú)雷半實(shí)物仿真試驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用中, 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄, 如圖4所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線圖中可以看出, 無(wú)論是指令響應(yīng)速度、還是跟隨性方面, 該深度模擬系統(tǒng)均能夠達(dá)到很好的作用效果。

圖4 仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)魚(yú)雷半實(shí)物仿真試驗(yàn)的實(shí)際需求, 通過(guò)對(duì)液壓隨動(dòng)輸出系統(tǒng)的分析和研究, 確定采用帶有智能性的動(dòng)態(tài)數(shù)字PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓隨動(dòng)控制。為了能夠更好地提供人機(jī)界面操作以及提高深度模擬器的控制精度和響應(yīng)速度等性能指標(biāo), 在結(jié)構(gòu)上采用了上、下位機(jī)的模式, 上位機(jī)(顯控計(jì)算機(jī))用于人機(jī)操作界面的顯示, 下位機(jī)(PID控制計(jì)算機(jī))完成PID算法并輸出。在此基礎(chǔ)上, 又針對(duì)PID控制過(guò)程中存在的積分飽和、抗干擾、動(dòng)態(tài)過(guò)程加速問(wèn)題, 逐一設(shè)計(jì)了修正算法, 使深度模擬器的技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到了一個(gè)較高的標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)魚(yú)雷半實(shí)物仿真試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用, 證明本文的研究成果技術(shù)性能良好、系統(tǒng)安全可靠, 完全可以滿足魚(yú)雷半實(shí)物仿真試驗(yàn)的實(shí)際需求。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

A Digital PID Control System for Torpedo Depth Simulator

ZHAO Yu,GAO TianzhuCHEN Jing, WANG Li-wen,KOU Xiao-ming

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi￠an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi￠an 710075, China)

For improving such performances as response speed and control precision of a depth simulator in torpedo hardware-in-the-loop simulation test, a dynamic digital proportion-integration-differentiation(PID) control system was developed on the basis of PC104 products. The control system adopts the master/slave computers structure, and realizes communication through a serial port. Aiming at the problems in PID control, such as integral saturation, anti-interference, and dynamic process acceleration, a corresponding control correction algorithm was designed to guarantee the control speed and precision of the system. By analyzing the hardware-in-the-loop simulation test data of a torpedo, it is proved that the depth simulator with this PID control system achieves very good performances and meets the requirement in actual use.

torpedo depth simulation; digital proportion-integration-differentiation(PID); control correction algorithm

TJ630.33; TP391.9

A

1673-1948(2014)06-0461-04

2014-05-07;

2014-05-21.

趙 鈺(1987-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)樗螺d體測(cè)試技術(shù).