電液比例控位系統(tǒng)的自調(diào)模糊PID控制研究

陳勁松

摘要：本文在介紹電液比例控位系統(tǒng)中的自調(diào)模糊PID控制原理的基礎上，通過數(shù)據(jù)比較該系統(tǒng)自調(diào)模糊PID控制和PID控制對信號的跟蹤效果進行分析研究，得出自調(diào)模糊PID控制比PID控制有更好的穩(wěn)定性能和安全性能。本文正是將這兩種控制思路有機地結合在一起，設計研究出了一種規(guī)則的自調(diào)模糊PID控制器。

關鍵詞：自調(diào)模糊PID控制;電液比例;控位系統(tǒng)

前言

隨著電液比例控位技術的深入發(fā)展，采用計算機自動控制的電液比例控位系統(tǒng)憑借自身成本低廉、環(huán)保能力強，安全性能好等優(yōu)點，在多種場所得到了廣泛應用。針對電液比例控位系統(tǒng)的多種特點，設計高性能的自調(diào)模糊PID控制器是時代的要求，意義深遠。

1.電液比例控位系統(tǒng)的概念

在液壓控制與轉(zhuǎn)動中，可以接收數(shù)字式或者模擬式信號，使流量和壓力之間受到比例控制，這被稱為電液比例控位系統(tǒng)。比如說，數(shù)字控位系統(tǒng)、脈波調(diào)制（PWM）系統(tǒng)都屬于電液比例控制系統(tǒng)的范疇。雖然比例控位與制動控制都廣泛應用于閉環(huán)和開懷系統(tǒng)。但就目前而言制動控制主要應用于閉環(huán)控制，而比例控制主要應用于開環(huán)控制。掌握制動裝置與比例控位裝置之間的差別是非常有意義的。制動控制儀器設備經(jīng)常具有內(nèi)反饋，任何發(fā)現(xiàn)到的錯誤代碼都會造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)欄改變，而這種改變正好是避免誤差的出現(xiàn)[1]。誤差為零制動系統(tǒng)會處于相對平衡狀態(tài)，直到新的錯誤代碼被檢測出來。比例控位系統(tǒng)是一種具有增益效應的轉(zhuǎn)換器。

比如，比例控位系統(tǒng)能把一個非線性運動驅(qū)動轉(zhuǎn)變成等比例的流量壓力，轉(zhuǎn)換常數(shù)值取決于控制部件的尺寸和它的制造精準度。閉環(huán)比例控位系統(tǒng)能用于內(nèi)部閉環(huán)反饋系統(tǒng)。在制動控制系統(tǒng)中，平衡概念上的控制誤差理論上要為零，而比例控位系統(tǒng)卻絕不可以零。在比例控位系統(tǒng)中，控制主元件能有很多種狀態(tài)，分別與受控部件之間相對應運動。開關控制與比例控位相對應。開關控制中主控制元器件僅有兩種狀態(tài)，即停止和啟動。因此要完成復雜的高質(zhì)量控制，一定要有足夠多的元件，把各種元器件調(diào)整成特定的狀態(tài)。必要時擰動這個元件，來完成受控部件按指定的要求和順序動作。

比例控位和開關控位都可以進行自動和手動控制，不一樣的地方是比例控位中比例元件依據(jù)接受的控制信號，自動變換狀態(tài)，從而使系統(tǒng)大為簡化。在工程應用中，由于大多數(shù)被控部件僅需要那么幾種狀態(tài)，因而開關控位有其自己的優(yōu)勢。開關部件簡單安全，幾乎不存在運行不穩(wěn)定的狀況?？梢赃\用計算機傳輸?shù)臄?shù)字信號驅(qū)動開關元器件，從而省去非常昂貴的轉(zhuǎn)換元器件，使電器控制變得更加簡單易行。在虛擬化比例控位中，假如需要計算機來進行自動控制，則一定要有D/A和A/D接口元器部件與計算機系統(tǒng)連接，這使得成本增加，另外對使用者的要求也很高[2]。近些年來，開發(fā)研制出了數(shù)字型比例元件，其傳輸量與脈波數(shù)、脈波寬或脈波頻率成正比例關系。這類元器件實際上是電液數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它的優(yōu)點是速度快，反復利用度高，不污染環(huán)境且可以與計算機直接相連，是電液比例技術中一個全新的領域。

2.自調(diào)模糊PID控制設計

2.1自調(diào)模糊PID控制器的結構

圖2是自調(diào)模糊PID控制器結構圖。它以偏差轉(zhuǎn)換率EC和偏差e作為輸入，以PID控制器的參數(shù)、、作為輸出。它運用模糊理論對PID技術參數(shù)進行教正，教正計算方法如下：=+，=+，=+。其中、、是提前調(diào)定的量，、、為模糊控制器的輸出，、、為PID控制器的輸出。詳細結構見圖1。

圖1 自調(diào)模糊PID控制器結構圖

2.2自調(diào)模糊PID設計思想

自調(diào)模糊PID控制參數(shù)的設計思想是首先挑出PID 3個數(shù)據(jù)參數(shù)、偏差|E|和偏差轉(zhuǎn)換率|EC|之間的模糊關系，在測試中通過連續(xù)檢測|E|和|EC|值，再依據(jù)模糊控位基理來進行參數(shù)、、的準確校正，以完成不同|E|和|EC|值對控位參數(shù)的不同要求，以使被控部件具有優(yōu)良的使用性能。正常情況下，在|E|和|EC|的共同作用下，被控元件對參數(shù)、、的自調(diào)整定要求如下：（1）當|E|較大時，為使控位系統(tǒng)擁有良好的跟蹤性能，要取數(shù)值大的和數(shù)值小的;同時為減少系統(tǒng)響應次數(shù)出現(xiàn)大幅度的超調(diào)，應對其作用嚴格限制，一般取=0。（2）當|E|為中等數(shù)據(jù)值時，為使系統(tǒng)具有小規(guī)模的超調(diào)，應取數(shù)值小的、適合的和，以確保控位系統(tǒng)的反應速度;其中的數(shù)值對控位系統(tǒng)的響應速度有較大影響。（3）當|E|數(shù)值較小時，為使控位系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定狀態(tài)，要取數(shù)值較大的和;同時為減少系統(tǒng)在特定值區(qū)間出現(xiàn)振蕩，應依據(jù)|EC|來選定。當|EC|數(shù)值較小時，的數(shù)值一般取為中等大小;當|EC|數(shù)值較大時，數(shù)值要取得小一些。

自調(diào)模糊PID控制在電液比例控位系統(tǒng)中的控制效果是理想的。自調(diào)模糊PID控制的單位響應曲線上升速度快，過渡時間短，超調(diào)量小，這些都表明利用自調(diào)模糊PID控制能夠完成電液比例系統(tǒng)的準確控制[3]。由于自調(diào)模糊控制具有一定的智能性，且都屬于非線性控制，所以，設計的PID控制器性能非常優(yōu)良。

3.結論

電液比例控位系統(tǒng)中自調(diào)模糊PID控制以數(shù)字PID控制技術為基礎，引入自調(diào)模糊理論，將PID數(shù)據(jù)參數(shù)偏差變化數(shù)值準確反應出來。自調(diào)模糊PID控制所選取的、、三個參數(shù)是動態(tài)變化的數(shù)值，這更符合被控元件對象的控制規(guī)則，計算方法易于在計算機上完成，適于時時自動控制。

參考文獻：

[1]楊詠梅，陳寧.基于MATLAB的模糊自整定PID參數(shù)控制器的設計與仿真[J].微計算機信息，2011，11（09）：137-140.

[2]袁鳳蓮.Fuzzy自整定PID控制器設計及其MATLAB仿真[J].沈陽航空工業(yè)學報，2012，12（08）：130-132.

[3]王三武，董金發(fā).基于MATLAB模糊自整定PID控制器的設計與仿真[J].機電工程技術，2013，10（10）：121-123.

基金項目：宜賓市科技局項目（2011ZGY002）