叉車電液伸縮臂的控制算法研究

石璐奇，唐廷彩，高 強(qiáng)，陳 碩，莫浩彬，王澤灝

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京210031）

伸縮臂叉車在傳統(tǒng)叉車的基礎(chǔ)上，結(jié)合了汽車起重機(jī)的伸縮臂結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型物品的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、堆垛。

電液比例控制技術(shù)借助電液比例閥實(shí)現(xiàn)了電液控制，有利于液壓系統(tǒng)朝智能化的方向發(fā)展[1-2]。PID控制是一種經(jīng)典的控制方法。它通過(guò)對(duì)控制參數(shù)的比例、積分、微分運(yùn)算來(lái)調(diào)整控制參數(shù)，進(jìn)行控制[3]。但PID控制不能進(jìn)行參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整，所以增加了模糊控制，應(yīng)用模糊PID在Matlab的Simulink中搭建模型，對(duì)伸縮臂電液控制系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行仿真分析。

1 叉車電液伸縮臂系統(tǒng)原理

叉車電液伸縮臂液壓系統(tǒng)是一種基于電液比例控制技術(shù)的液壓系統(tǒng)。該液壓系統(tǒng)主要包括伸縮回路、變幅回路和輔助回路。三個(gè)回路由同一個(gè)液壓泵供油，原理相同，使用了相同的液壓元件。液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。當(dāng)控制器向三位四通換向閥輸入信號(hào)時(shí)，控制三位四通換向閥的左通和右通。換向閥右通，液壓油缸左側(cè)進(jìn)油，活塞向左運(yùn)動(dòng)；換向閥左通，液壓油缸右側(cè)進(jìn)油，活塞向右運(yùn)動(dòng)。油缸活塞桿帶動(dòng)伸縮臂的工作，調(diào)整伸縮臂的長(zhǎng)度和高度。當(dāng)控制器不輸入信號(hào)時(shí)，油液經(jīng)換向閥流回油箱。

圖1 叉車電液伸縮臂液壓系統(tǒng)原理圖

2 模糊PID模型

選擇使用二維模糊控制器作為模糊PID控制器。模糊控制器的輸入變量為牽引力偏差E和偏差變化率EC，輸出變量為參數(shù)修正量KP、KI、KD.

2.1 輸入輸出變量論域及模糊子集確定

所研究的系統(tǒng)變量為連續(xù)變量，但模糊控制器只能接收離散數(shù)據(jù)，所以將論域離散化[4]。誤差E、誤差變化率EC和輸出變量KP、KI、KD三個(gè)變量的基本域?yàn)樗鼈兊娜≈捣秶?，且都為精確量。將E、EC、KP、KI和KD的基礎(chǔ)域分成離散若干級(jí)，得出5個(gè)量的語(yǔ)言子集域。

取誤差E模糊集合域?yàn)椋篍={-n，-n+1，…，0，…，n-1，n}

取誤差變化率EC的模糊集合域?yàn)椋篍C={-m，-m+1，…，0，…，m-1，m}

取輸出變量KP的模糊集合域?yàn)椋?/p>

KP={-i，-i+1，…，0，…，i-1，i}

取輸出變量KI的模糊集合域?yàn)椋?/p>

KI={-l，-l+1，…，0，…，l-1，l}

取輸出變量KD的模糊集合域?yàn)椋?/p>

KD={-s，-s+1，…，0，…，s-1，s}

首先將誤差E、誤差變化率EC、輸出變量KP、KI、KD 改變分為“高”、“中”、“低”3 個(gè)級(jí)別加以區(qū)別。又因?yàn)檎`差E、誤差變化率EC、輸出變量KP、KI、KD可為正值或負(fù)值。依據(jù)模糊PID控制器的控制規(guī)律以及經(jīng)典PID的控制方法[5]，本文將語(yǔ)言論域分為7個(gè)模糊子集，語(yǔ)言變量值記為：“正高”（PH）、“正中”（PM）、“正低”（PL）“零”（Z）、“負(fù)低”（NL）、“負(fù)中”（NM）、“負(fù)高”（NH），7 個(gè)檔次。

為使子集能更好的包含研究區(qū)間，以免出現(xiàn)不受控的情況，可取 n，m，i，l，s均為 3.雖然 n，m，i，l，s選取數(shù)值愈大，精準(zhǔn)度愈準(zhǔn)，但會(huì)加大計(jì)算的工作量，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變緩。

為使計(jì)算方便，引入量化因子K.

當(dāng)基礎(chǔ)研究范圍的數(shù)值化級(jí)數(shù)選定后，K的大小就反應(yīng)了基本論域的大小變化趨勢(shì)。當(dāng)K變大時(shí)，會(huì)使基礎(chǔ)研究范圍變小，反之，當(dāng)K變小時(shí)，會(huì)使基礎(chǔ)研究范圍變大，從而引起偏差調(diào)控的反應(yīng)敏捷度的下降。

模糊控制器根據(jù)控制規(guī)則，推理出輸出變量后，不能直接作用，必須將其化為輸出變量基礎(chǔ)范圍中的對(duì)應(yīng)值才可以使用，所以引入比例因子Ku.

當(dāng)控制變量論域的最大值是定量時(shí)，比例因子Ku與基礎(chǔ)研究范圍的量化級(jí)數(shù)成反比，若Ku取值太大，會(huì)引起調(diào)控過(guò)程阻尼程度的降低。Ku選值過(guò)小，被控系統(tǒng)反應(yīng)變緩。

下圖2是本研究所選取的隸屬度函數(shù)圖像，用來(lái)確定輸入輸出變量的隸屬度關(guān)系。

圖 2 D、DE、KP、KI、KD 隸屬度函數(shù)圖像

2.2 模糊控制規(guī)則

模糊集合域D、DE輸入至模糊推理器，結(jié)合控制規(guī)則，推理合成輸出變量KP、KI、KD，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修正，最后輸出控制信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生作用。模糊控制規(guī)則通常基于工作人員與研究人員經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出，以“if……then……”的形式來(lái)表示。本次實(shí)驗(yàn)的模糊控制器使用雙輸入三輸出控制。

2.3 叉車電液伸縮臂系統(tǒng)模糊PID自適應(yīng)控制仿真

首先利用Matlab的模糊推理工具箱fuzzy建立模糊推理系統(tǒng)。再根據(jù)隸屬度關(guān)系，進(jìn)行輸入輸出變量隸屬度關(guān)系的設(shè)置。在規(guī)則編輯器中按照模糊控制狀態(tài)表的內(nèi)容輸入控制規(guī)則。在Matlab/Simulink中建立模糊PID模型。

Simulink中搭建的PID模型如圖3所示。

圖3 叉車電液伸縮臂系統(tǒng)的仿真模型

圖4 模糊PID自適應(yīng)控制器模型

Simulink中搭建的模糊PID模型如圖4所示。

3 運(yùn)行與分析

3.1 高度為定值

設(shè)定目標(biāo)高度為0.6 m，仿真時(shí)間設(shè)置為5 s，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 PID仿真結(jié)果圖

通過(guò)上圖可知，高度為0.6 m時(shí)，仿真初期有極短時(shí)間的震蕩，高度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間為0.2 s左右，之后穩(wěn)定在0.6 m，滿足系統(tǒng)的高度要求。

3.2 高度改變

在工作進(jìn)行時(shí)，根據(jù)工作要求，改變高度。設(shè)定20 s時(shí)，由0.3 m改為0.6 m，仿真時(shí)間設(shè)為50 s，PID以及模糊PID仿真結(jié)果如圖6所示（其中，位于上方的曲線為PID仿真結(jié)果圖，位于下方的曲線為模糊PID仿真結(jié)果圖）。

圖6 PID和模糊PID仿真結(jié)果圖

由圖6可知，PID仿真在20 s時(shí)高度出現(xiàn)階躍變化，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間大約為10 s，有較大的震蕩現(xiàn)象，所以PID模型滿足工作要求，同時(shí)還可以進(jìn)行進(jìn)一步改善。而模糊PID仿真初期響應(yīng)時(shí)間縮短為5 s左右，20 s時(shí)高度變化系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為5 s左右，同時(shí)震蕩現(xiàn)象明顯減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

在模糊PID控制算法控制下的叉車電液舉升系統(tǒng)具有響應(yīng)迅速，貨叉舉升速度平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)提高叉車的精細(xì)化操作有重要意義。

根據(jù)對(duì)叉車電液伸縮臂控制算法的研究，分別設(shè)計(jì)了PID控制器和模糊PID控制器，通過(guò)建立叉車電液伸縮臂控制系統(tǒng)模型進(jìn)行系統(tǒng)性能分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，在采用模糊PID控制方法之后，電液伸縮臂系統(tǒng)控制的過(guò)程更加平穩(wěn)，響應(yīng)速度更快，作業(yè)效率更高。

[1]汪 亮.單缸插銷電液控制系統(tǒng)仿真分析研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2015.

[2]勵(lì) 偉.大流量2D電液比例換向閥的設(shè)計(jì)及研究[D]杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]林 浩.模糊PID控制器仿真研究[D].貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2005.

[4]李明生，趙建軍，朱忠祥，等.拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)模糊PID自適應(yīng)控制方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013（10）:295-300.

[5]趙永娟，孫華東.基于Matlab的模糊PID控制器的設(shè)計(jì)和仿真[D].太原：中北大學(xué)，2005.