基于模糊PID的液壓自動(dòng)調(diào)平與升降控制系統(tǒng)研究

唐平建，孫澤林，宋 鵬

(中國(guó)人民解放軍63870部隊(duì)， 陜西 華陰 714200)

質(zhì)心位置的測(cè)量對(duì)于確定車輛的機(jī)動(dòng)性、操縱穩(wěn)定性和安全性具有十分重要的意義[1-3]。目前，車輛(特別是特種車輛)的質(zhì)心測(cè)量大多采用可傾斜平臺(tái)測(cè)量法。該方法采用合力矩定理，利用平臺(tái)水平、傾斜狀態(tài)分別測(cè)量出水平、豎直方向的質(zhì)心坐標(biāo)值，測(cè)量的準(zhǔn)確度和自動(dòng)化程度較高，得到了廣泛應(yīng)用。可傾斜平臺(tái)主要有側(cè)傾和縱傾兩種方案，有三點(diǎn)支撐、四點(diǎn)支撐、六點(diǎn)支撐等支撐方式。由于三點(diǎn)決定一個(gè)平面，三點(diǎn)支撐自動(dòng)調(diào)平的控制相對(duì)容易，但測(cè)量時(shí)要求被試車輛概略居中，否則會(huì)影響支撐的穩(wěn)定性；四點(diǎn)、六點(diǎn)支撐的穩(wěn)定性好，但存在靜不定的問(wèn)題，容易產(chǎn)生“虛腿”現(xiàn)象，自動(dòng)控制較難，效率難以提升[4]。為此，本文充分考慮設(shè)備的可靠性、成本及測(cè)量效率，在車輛質(zhì)心測(cè)量設(shè)備研制中采用“縱傾+三點(diǎn)支撐”的方案，將模糊PID 控制策略應(yīng)用到此系統(tǒng)中以提高系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)平與升降性能。

1 調(diào)平與升降系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 調(diào)平與升降系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

車輛質(zhì)心測(cè)量設(shè)備的調(diào)平與升降系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。測(cè)量平臺(tái)由A、B、C三點(diǎn)支撐，其中A為固定點(diǎn)，位置始終保持不變，通過(guò)調(diào)整B、C液壓缸的位置實(shí)現(xiàn)測(cè)量平臺(tái)的調(diào)平和升降。傾角傳感器為一縱一橫正交布置，檢測(cè)出測(cè)量平臺(tái)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，用于判斷是否精確調(diào)平及給出傾斜角度值，作為伺服控制閉環(huán)的反饋。平臺(tái)限制裝置用于支撐臺(tái)面，可避免稱重傳感器及液壓系統(tǒng)受到持續(xù)壓力和車輛駛?cè)肱_(tái)面時(shí)的瞬時(shí)沖擊。

圖1 調(diào)平與控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)布局示意圖

1.2 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓系統(tǒng)的硬件主要由液壓站(包含液壓泵、伺服電機(jī)、油源及附件等)、液壓缸、液壓控制閥組件等部分組成，其工作原理如圖2所示。測(cè)量平臺(tái)的調(diào)平與升降依靠對(duì)液壓系統(tǒng)各組件的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終由Y1、Y2升降液壓缸去執(zhí)行。

圖2 液壓系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)采用恒壓變量泵控制系統(tǒng)壓力。油缸運(yùn)動(dòng)速度較小時(shí)，系統(tǒng)壓力達(dá)到工作上限，油泵輸出壓力達(dá)到恒壓點(diǎn)，在升壓過(guò)程中對(duì)蓄能器充油、穩(wěn)壓，油泵電機(jī)消耗功率逐漸變小。平臺(tái)油缸運(yùn)動(dòng)速度較大時(shí)，蓄能器釋放能量，維持平衡系統(tǒng)工作壓力，油泵自動(dòng)調(diào)整流量輸出，直到達(dá)到壓力上限。工作中系統(tǒng)意外斷電時(shí)，蓄能器為系統(tǒng)供油，滿足運(yùn)動(dòng)平臺(tái)短時(shí)連續(xù)工作，達(dá)到液壓系統(tǒng)的斷電保護(hù)功能。

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無(wú)動(dòng)力自鎖保護(hù)回路(11-12)，在系統(tǒng)突然斷電時(shí)能保證測(cè)量平臺(tái)當(dāng)前的姿態(tài)，以保護(hù)測(cè)量平臺(tái)及被試車輛的安全。此時(shí)，可啟動(dòng)安全保護(hù)程序，使測(cè)量平臺(tái)緩慢地停止在最低位置，以確保設(shè)備、被試車輛和人員的安全。

2 基于模糊PID的液壓自動(dòng)控制

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用PLC(可編程邏輯控制器)對(duì)液壓閥組件進(jìn)行控制，自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理和流程如圖3所示。對(duì)測(cè)量平臺(tái)的調(diào)平與升降通過(guò)A/D、D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)控制，采用高精度縱、橫傾角傳感器檢測(cè)平臺(tái)的水平狀態(tài)及縱傾角度，并反饋給PLC形成閉環(huán)控制[5]。由于液壓傳動(dòng)存在非線性，傳統(tǒng)PID的控制效果不太理想，經(jīng)常出現(xiàn)超調(diào)量大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等現(xiàn)象，模糊PID控制可較好地解決這個(gè)問(wèn)題。

車輛質(zhì)心測(cè)量前，將車輛駛?cè)霚y(cè)量平臺(tái)并概略居中，系統(tǒng)上電，觀察軟件、傳感器及各項(xiàng)狀態(tài)參數(shù)是否正常，確定正常后啟動(dòng)液壓系統(tǒng)。選擇自動(dòng)運(yùn)行方式(手動(dòng)操作僅用于系統(tǒng)調(diào)試和故障處理)，對(duì)測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行精確調(diào)平，然后測(cè)量車輛的質(zhì)量和水平方向(X、Y向)的質(zhì)心位置。如要測(cè)量車輛的質(zhì)心高度(Z向)，則進(jìn)行平臺(tái)傾斜操作，輸入所需的傾斜角度，進(jìn)行測(cè)量平臺(tái)的自動(dòng)傾斜，精確到位后進(jìn)行質(zhì)心高度測(cè)量。最后，測(cè)量平臺(tái)歸位，車輛駛出平臺(tái)，測(cè)量完成，系統(tǒng)斷電。

2.2 模糊PID的自動(dòng)控制策略

PID控制的適應(yīng)性強(qiáng)，只要參數(shù)整定合適，適用于各種控制對(duì)象，但不能進(jìn)行自適應(yīng)控制。模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制方法，是智能控制的一個(gè)重要分支，在自動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。模糊控制具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性，能夠有效地處理系統(tǒng)的不確定性、測(cè)量的不精確性等模糊性，適合應(yīng)用于非線性、時(shí)變和時(shí)滯控制系統(tǒng)中。將PID控制與模糊控制相結(jié)合，通過(guò)模糊邏輯算法整定出PID的3個(gè)參數(shù)，具有自適應(yīng)的特性，能夠提高系統(tǒng)控制精度，測(cè)量平臺(tái)在自動(dòng)調(diào)平與升降過(guò)程中更加平順和穩(wěn)定，效率更高[6-9]。

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

在測(cè)量平臺(tái)調(diào)平時(shí)，理想狀態(tài)是縱、橫傾角均為0，采用縱、橫傾角傳感器的偏差e、e′及其偏差變化率de/dt、de′/dt作為模糊PID控制的輸入變量。在測(cè)量平臺(tái)縱傾時(shí)，采用縱向傾角傳感器與輸入傾角值的偏差E及偏差變化率dE/dt、橫向傾角傳感器的偏差e′及偏差變化率dE/dt作為模糊PID控制的輸入量?？刂圃砣鐖D4所示，圖4中Δkp、Δki、Δkd是PID參數(shù)的修正值。在運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)不斷檢測(cè)角度偏差實(shí)時(shí)修正控制參數(shù)，以適應(yīng)不同時(shí)刻的角度偏差對(duì)控制參數(shù)的要求。

由于車輛質(zhì)心測(cè)量的液壓系統(tǒng)是典型的低速重載系統(tǒng)，考慮到設(shè)備運(yùn)行的安全性，在調(diào)平與升降過(guò)程中液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度很低，在此采用了一種P-Fuzzy-PID的混合控制策略。先設(shè)定一個(gè)較大的閾值e1(調(diào)平)、E1(升降)和一個(gè)較小的閾值e2(調(diào)平、升降)、E2(升降)，然后利用偏差值與閾值進(jìn)行比較，以判斷采用哪一種控制方式，控制程序流程如圖5、圖6所示。

圖4 模糊PID控制原理框圖

圖5 自動(dòng)調(diào)平控制程序流程框圖

從圖5可以看出，自動(dòng)調(diào)平的規(guī)則為：① 當(dāng)偏差值|e|>e1且|e′ |>e1時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)處于啟動(dòng)階段，與調(diào)平要求差距較大，采用比例控制，能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，加快響應(yīng)過(guò)程；② 當(dāng)偏差值|e|

圖6 自動(dòng)升降控制程序流程框圖

3 驗(yàn)證

為解決車輛質(zhì)心測(cè)量平臺(tái)使用中調(diào)平與升降超調(diào)量大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，驗(yàn)證基于模糊PID的液壓自動(dòng)調(diào)平與升降控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，對(duì)設(shè)備原有的傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了基于模糊PID的控制改造。

在設(shè)備改造前后，在空載和負(fù)載條件下分別進(jìn)行了調(diào)平與升降試驗(yàn)。其中，負(fù)載試驗(yàn)采用約20T鋼板代替車輛進(jìn)行測(cè)量，如圖7所示。調(diào)平試驗(yàn)縱、橫傾角傳感器的初始角度均置于0.3°，當(dāng)縱、橫傾角傳感器的角度輸出值均穩(wěn)定在區(qū)間[-0.012°，0.012°]之間時(shí)判定達(dá)到調(diào)平狀態(tài)。升降試驗(yàn)在調(diào)平狀態(tài)下進(jìn)行，傾斜角度均為10°，當(dāng)測(cè)量平臺(tái)穩(wěn)定到10°±0.012°時(shí)判定上升到位；下降則是上升反過(guò)程。每個(gè)狀態(tài)的調(diào)平與升降試驗(yàn)均進(jìn)行5次，取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。

圖7 調(diào)平與升降試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖8 調(diào)平與升降試驗(yàn)結(jié)果曲線

比較兩種控制模式下的曲線可見(jiàn)，采用模糊PID控制相比傳統(tǒng)PID控制，性能得到了明顯提高，主要體現(xiàn)在：① 測(cè)量平臺(tái)調(diào)平時(shí)減少了超調(diào)量和震蕩次數(shù)，提高了調(diào)平穩(wěn)定性；② 調(diào)平與升降過(guò)程的響應(yīng)速度顯著提升，空載狀態(tài)調(diào)平時(shí)間從約110 s縮短到約45 s，負(fù)載狀態(tài)調(diào)平時(shí)間從約100 s縮短到約45 s，空載和負(fù)載狀態(tài)下的傾斜10°的上升與下降時(shí)間從約150 s縮短到約100 s。

4 結(jié)論

液壓自動(dòng)調(diào)平與升降控制一般采用傳統(tǒng)的控制方法，控制性能難以提高，容易出現(xiàn)超調(diào)量大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。本文采用模糊PID的自動(dòng)控制策略對(duì)傳統(tǒng)的PID控制進(jìn)行了改造，并進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的調(diào)平穩(wěn)定性和響應(yīng)速度等方面的性能均有明顯提高。