駝峰車(chē)輛減速器閉環(huán)控制PID參數(shù)的模糊自整定

楊軍霞

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070)

駝峰車(chē)輛減速器閉環(huán)控制PID參數(shù)的模糊自整定

楊軍霞

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，蘭州 730070)

編組站車(chē)輛減速器是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛溜放調(diào)速控制的關(guān)鍵設(shè)備之一，而目前使用的過(guò)程控制數(shù)學(xué)模型調(diào)速方案存在控制精度不高等缺點(diǎn)?，F(xiàn)基于模糊自整定的原理，根據(jù)駝峰車(chē)輛減速器控制系統(tǒng)的性能和要求，提出一種按減速器調(diào)速過(guò)程對(duì)不同溜放車(chē)組的參數(shù)自整定的方法，并設(shè)計(jì)出了模糊自整定PID控制器。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)及調(diào)整，制定適合于駝峰車(chē)輛減速器控制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則，利用模糊控制策略可實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。以此可以實(shí)現(xiàn)駝峰車(chē)輛減速器對(duì)速度的控制。

編組站；車(chē)輛減速器；模糊控制；控制精度；PID控制

駝峰車(chē)輛減速器控制系統(tǒng)應(yīng)能夠保證被控車(chē)組離開(kāi)減速器的實(shí)際速度與系統(tǒng)要求的計(jì)算速度一致，但實(shí)際存在著較大誤差[1-2]。

駝峰車(chē)輛減速器控制系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、減速器、被控車(chē)組和測(cè)速雷達(dá)組成的閉環(huán)控制，其中校正環(huán)節(jié)(計(jì)算機(jī))采用PID控制器。在實(shí)際控制過(guò)程中，由于被控車(chē)組參數(shù)的不確定性，且易受復(fù)雜因素的影響，運(yùn)用減速器過(guò)程控制數(shù)學(xué)模型很難提高減速器的控制精度。采用純PID控制策略很難提高減速器的控制精度，駝峰車(chē)輛減速器的速度控制誤差超過(guò)3 km/h的車(chē)組還占有一定的比例[3]。而模糊控制不需要建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，以領(lǐng)域?qū)＜一蚴炀毑僮魅藛T的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，將智能控制算法引入PID控制器，利用智能控制中的模糊策略和模糊推理機(jī)制實(shí)時(shí)對(duì)PID三個(gè)參量進(jìn)行最佳調(diào)整。該控制器對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)和環(huán)境變化有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，能夠滿(mǎn)足減速器的控制精度在要求的范圍之內(nèi)，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的功能和效果[4-5]。

1 模糊自整定PID控制器的原理

模糊自整定PID控制器是以被控車(chē)組離開(kāi)減速器的速度偏差e和速度偏差變化率ec作為輸入，使之可以達(dá)到任意時(shí)刻的速度偏差e及其變化率ec對(duì)控制器參數(shù)的需求。利用模糊理論在線(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行校正，改善系統(tǒng)的性能[6-7]。其原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

PID參數(shù)的模糊自整定的基本原理是：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在不同時(shí)刻中PID的3個(gè)參數(shù)與速度偏差e和速度偏差變化率ec之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再將其模糊化后得到E和EC，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)制定控制策略以此達(dá)到推理機(jī)制，最后將所得模糊量進(jìn)行精確化，可得到Kp、Ki和Kd三個(gè)參量的精確值。如此反復(fù)，以滿(mǎn)足在不同狀態(tài)下控制器參數(shù)的不同要求，而使被控車(chē)組的速度能夠到達(dá)給定速度的控制要求[8]。

在被控車(chē)組受減速器控制的過(guò)程中，Kp、Ki和Kd的模糊量可表示為

(1)

式中，F(xiàn)(·)表示模糊運(yùn)算。整個(gè)模糊自適應(yīng)PID控制器可表示為

(2)

被控過(guò)程對(duì)參數(shù)Kp、Ki和Kd的自整定要求從式(2)可歸結(jié)如下。

(1)當(dāng)被控車(chē)組離開(kāi)減速器的速度Vs與計(jì)算機(jī)給定的速度Vj之間存在較大的誤差時(shí)，為使減速器的過(guò)程控制系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，應(yīng)該取比較大的Kp和比較小的Kd，同時(shí)為避免減速器控制系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)比較大的超調(diào)，應(yīng)該限制積分作用，一般取Ki=0。

(2)當(dāng)被控車(chē)組離開(kāi)減速器的速度Vs與計(jì)算機(jī)給定的速度Vj之間的誤差中等大小時(shí)，為使減速器的過(guò)程控制系統(tǒng)響應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)該盡量取小，Ki和Kd的取值可適中。

(3)當(dāng)被控車(chē)組離開(kāi)減速器的速度Vs與計(jì)算機(jī)給定的速度Vj之間的誤差比較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，Kp和Ki應(yīng)該取比較大的值，同時(shí)為了避免減速器的過(guò)程控制系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)較大的振蕩，并考慮其抗干擾性能，當(dāng)速度誤差|Vs-Vj|的變化較小時(shí)，Kd應(yīng)取較大的值；當(dāng)速度誤差|Vs-Vj|變化較大時(shí)，Kd應(yīng)盡量取較小的值。

2 模糊自整定PID控制器的設(shè)計(jì)

本文采用的控制器為2I3O的形式，兩個(gè)輸入分別為被控車(chē)組的速度偏差量和速度偏差變化量經(jīng)模糊化的語(yǔ)言變量E和EC，3個(gè)輸出分別為Kp、Ki和Kd。具體設(shè)計(jì)如下[8]。

2.1 建立語(yǔ)言變量的賦值表

速度偏差E和速度偏差變化率EC的賦值表分別如表1、表2所示。

表1 語(yǔ)言變量E賦值

表2 語(yǔ)言變量EC賦值

2.2 建立模糊規(guī)則表

模糊控制設(shè)計(jì)的核心是建立針對(duì)Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的模糊控制規(guī)則表，分別如表3、表4、表5所示。

表3 Kp的模糊規(guī)則

表4 Ki的模糊規(guī)則

2.3 解模糊

由模糊規(guī)則推理得出的結(jié)果是一個(gè)模糊量，而PID算法要求有一個(gè)確定的值才能去控制減速器，這里采用重心法對(duì)模糊量進(jìn)行解模糊，可表示為

(3)

式中，ui為輸出模糊集合U中的各個(gè)元素；μU(ui)為與其相對(duì)應(yīng)的隸屬度；u0為用重心法求得的精確值。

表5 Kd的模糊規(guī)則

在實(shí)際的控制過(guò)程中，首先采樣當(dāng)前的溜放車(chē)組實(shí)際的速度Vs和計(jì)算機(jī)給定的速度Vj，計(jì)算速度誤差和誤差變化；然后根據(jù)計(jì)算的誤差和誤差變化，從查詢(xún)表中查找相應(yīng)的校正量ΔKp、ΔKi和ΔKd；最后計(jì)算Kp、Ki和Kd的輸出量，控制減速器的制動(dòng)或緩解。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

選擇TW-2型駝峰自動(dòng)化系統(tǒng)，按減速器的作用可分為間隔調(diào)速和目的調(diào)速，間隔調(diào)速位為一、二部位減速器，其目的是對(duì)溜放車(chē)組的速度進(jìn)行調(diào)整來(lái)保證某個(gè)間隔；目的調(diào)速位為三、四部位減速器，其目的是提高減速器的控制精度，使溜放車(chē)組在預(yù)定的停車(chē)點(diǎn)停車(chē)。本文將三部位減速器控制軟件中的常規(guī)PID控制器改為模糊自整定PID控制器[9-10]。圖2為常規(guī)PID算法和模糊自整定PID算法在系統(tǒng)輸入一個(gè)0.36的階躍響應(yīng)時(shí)的輸出響應(yīng)曲線(xiàn)。常規(guī)PID算法在穩(wěn)定后，其曲線(xiàn)發(fā)生了震蕩，模糊自整定PID算法在穩(wěn)定后，其曲線(xiàn)并沒(méi)有震蕩，而且縮短了駝峰車(chē)輛減速器控制系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間[11-12]。

圖2 常規(guī)PID算法和模糊自整定PID算法的控制效果

常規(guī)PID控制器與模糊自整定PID控制器在三部位減速器速度控制誤差的分布情況如表6所示。

表6 TW-2型駝峰自動(dòng)化系統(tǒng)三部位減速器控制誤差的分布情況 %

從表6的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，模糊自整定PID控制器能夠有效地降低減速器過(guò)程控制的誤差，減速器的控制精度有了明顯的提高。其中最明顯的是將大于3.0 km·h-1所占的百分比降至0.7%，顯著地提高了被控車(chē)組的安全連掛率。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)有經(jīng)典控制理論相比較，基于模糊自整定的PID控制具有適應(yīng)不同溜放車(chē)組速度控制的能力，駝峰車(chē)輛減速器的控制精度有明顯的提高，從而提高駝峰的解編能力，提高鉤車(chē)的安全連掛率，降低成本，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，控制系統(tǒng)的性能得到改善。

[1]沃華歐.駝峰車(chē)輛減速器閉環(huán)控制PD參數(shù)模糊在線(xiàn)自校正[D].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2007：117-120.

[2]姚精明.駝峰間隔調(diào)速智能控制研究[D].北京:鐵道部科學(xué)研究院，2001.

[3]徐萬(wàn)安.駝峰車(chē)輛溜放速度智能控制的研究[D].北京:鐵道部科學(xué)研究院，1999.

[4]李岱峰，郭祥熹，張 樸，等.T·JK T·JY系列車(chē)輛減速器[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

[5]吳芳美.編組站調(diào)車(chē)自動(dòng)控制[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

[6]曾光奇，胡均安，王東等.模糊控制理論與工程應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.

[7]林超力，劉鴻飛，孫惠軍，等.模糊自適應(yīng)PID算法在核磁共振譜儀樣品旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].分析化學(xué)，2011(4):506-510.

[8]黃友銳，曲立國(guó).PID控制器參數(shù)整定與實(shí)現(xiàn)[M].北京:科學(xué)出版社，2010：10-15.

[9]房俊全，朱從喬.柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID控制[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005(15):55-56.

[10]薛曉兵.駝峰速度控制的算法及軟件開(kāi)發(fā)[D].北京:清華大學(xué)，2009.

[11]吳振順，姚建均，岳東海.模糊自整定PID控制器的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(11):55-56.

[12]白瑞祥，陳曉艷，費(fèi)春國(guó).模糊自適應(yīng)PID控制及控件實(shí)現(xiàn)[J].分析化學(xué)儀器儀表學(xué)報(bào)，2003(S):583-585.

Fuzzy Self-tuning of PID Parameters for Hump Yard Retarder Feedback Control

YANG Jun-xia

(School of Electrical Engineering and Automation， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

Retarder is one of the most important equipment to achieve precise control of truck speed in marshaling yard. However， the mathematical speed control model for process control system has some shortages with low control precision. So， based on the principle of parameter fuzzy self-turning PID and the performance and requirements of retarder control system， a new control method and PID controller is designed to control different kinds of trucks at different speed levels. Moreover， the best fuzzy control rule that adapts to the hump retarder speed control system is worked out after many tests and adjustments. The fuzzy control concept can be employed to offer optimized PID parameter adjustment so that the precise control of hump truck speed can be controlled.

Marshaling yard; Retarder; Fuzzy control; Accuracy of control; PID control

2015-01-12

楊軍霞(1989—)，女，碩士研究生，E-mail:yangjunxia1234 56@163.com。

1004-2954(2015)09-0156-03

U284.63

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.035