專家系統(tǒng)模糊PID在攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)上的應(yīng)用

1、專家系統(tǒng)模糊PID在攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)上的應(yīng)用蔡夢克，賈莉，趙素素，陳新軒（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安710064）摘要：為了能夠提高混合料攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)對不同工況下的恒速控制水平，深入地研究了專家系統(tǒng)模 糊PID控制在其中的應(yīng)用。首先，分析了攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)的基本原理；然后，介紹了專家系統(tǒng)模糊 PID控制器的基本原理，并且設(shè)計了相應(yīng)的控制系統(tǒng)；最后，通過軟件對其進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明該方法 對恒速控制具有較好的控制精度。關(guān)鍵詞：專家系統(tǒng)模糊PID控制；攤鋪機(jī)；液壓行駛系統(tǒng)Application of Expert System Fuzzy PID on the paver hydra

2、ulic driving systemCai Mengke ,Jia Li,Zhao Susu,Chen Xinxuan（Chang7 an universituy Engineering Machinery Institute,Shanxi Xian 710064）Abstract: in order to improve the hydraulic driving system of asphalt mixture paving machine, the application of fuzzy PID control in the expert system is studied in

3、depth. Firstly, the basic principle of the hydraulic driving system is analyzed. then introduces the basic principles of expert system based on fuzzy PID controller and design the corresponding control system; and finally, its simulation analysis and the results show that this method for constant sp

4、eed has better control accuracy.Keywords: expert system based on fuzzy PID control; asphalt paver,;hydraulic driving system1引言瀝青混合料攤鋪機(jī)屬于連續(xù)式作業(yè)機(jī)械，由于其主要用于道路面層的鋪筑，因此對作業(yè) 的質(zhì)量要求較高，其行駛性能的好壞將直接影響其攤鋪質(zhì)量。由于傳統(tǒng)PID控制具有操作方 便、可靠性高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各種大型機(jī)械的液壓系統(tǒng)中。然而在攤鋪機(jī)的作業(yè) 過程中，由于負(fù)荷的變化、路面的不同、材料等不同因素的影響，單單采用傳統(tǒng)PID控制已 經(jīng)不足以應(yīng)對那些非線

5、性、時變性的復(fù)雜的液壓伺服系統(tǒng)了，也很難使行駛系統(tǒng)的各項指標(biāo) 在最佳范圍內(nèi)。這對攤鋪路面的平整度、初始密實度和離析度將產(chǎn)生直接的影響。而模糊控 制具有響應(yīng)快，對干擾不敏感，并且對被控對象是否具有精確的數(shù)學(xué)模型不依賴等優(yōu)點，尤 其對于那些非線性、時變及滯后的系統(tǒng)非常適合4,5。因此將專家系統(tǒng)模糊PID控制應(yīng)用在攤 鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)上，對攤鋪機(jī)各種工況下的恒速控制水平有顯著的提升。2行駛液壓系統(tǒng)與控制原理瀝青混合料攤鋪機(jī)行駛液壓系統(tǒng)為雙泵雙馬達(dá)回路，主要有變量泵、變量馬達(dá)與控制 閥組成。圖1為單邊行駛液壓系統(tǒng)原理圖，其控制原理如下：比例電磁閥Y1.1/Y1.2二者之一分別通電實現(xiàn)泵高、低壓腔的轉(zhuǎn)換

6、，從而實現(xiàn)攤鋪機(jī)前 進(jìn)或后退行駛。行駛速度大小依賴于Y1.1/Y1.2的PWM控制電流的大小。調(diào)節(jié)左右兩側(cè)對應(yīng) 方向的比例電磁閥，使其工作電流大小不同，可產(chǎn)生左右行駛差速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。當(dāng)一側(cè)比例 閥的Y1.1通電，另一側(cè)比例閥的Y1.2通電，且電流大小相等，即左右兩側(cè)履帶速度相反時， 實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。采用雙排量變量馬達(dá)，馬達(dá)排量只有最大和最小兩種狀態(tài)，電磁閥Y03用于調(diào)節(jié)馬達(dá)排 量。排量最小為高速小轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)場行駛工況，排量最大為低速大轉(zhuǎn)矩攤鋪作業(yè)工況。當(dāng)油路中壓力過高時，安全溢流閥3或4打開，目的是防止油路過載，起保護(hù)元件的作 用；止回閥5和6用于向回路補(bǔ)油；補(bǔ)油安全溢流閥7調(diào)整補(bǔ)油泵最高壓力，以保

7、證其能充 分供油。圖1單邊行駛液壓系統(tǒng)1-行駛泵；2-補(bǔ)油泵；3、4-液壓安全閥；5、6-補(bǔ)油止回閥；7-補(bǔ)油安全溢流閥8-梭閥；9-行駛馬達(dá)；10-制動電磁閥2專家系統(tǒng)模糊PID控制策略2.1專家系統(tǒng)模糊PID控制的思路由于攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)采用的是雙泵-雙馬達(dá)回路系統(tǒng)，所以對其行駛系統(tǒng)的控制主要 是對泵-馬達(dá)系統(tǒng)的控制?；趯＜蚁到y(tǒng)的模糊PID控制的思路如下：專家模糊PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由參數(shù)可 調(diào)整的PID控制系統(tǒng)和專家模糊控制系統(tǒng)兩部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。而基于專家系 統(tǒng)模糊PID的液壓行駛系統(tǒng)的控制工作原理為：在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上,依據(jù)專家知識 和通過以往實驗數(shù)據(jù)總結(jié)

8、出來的經(jīng)驗，確定出可以反映系統(tǒng)特性的特征參數(shù)，對于不同工況 下的攤鋪機(jī)泵-馬達(dá)系統(tǒng)采取不同的控制量來調(diào)節(jié)，建立相應(yīng)的規(guī)則庫，以攤鋪機(jī)行駛速度的 偏差e和偏差的變化率ec作為輸入，并采用模糊推理機(jī)的推理方法實現(xiàn)對PID控制參數(shù)比例 系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd的實時調(diào)節(jié)，從而使被控對象具有良好的動態(tài)、靜態(tài)特 性，以達(dá)到其實現(xiàn)恒速控制的目的。推理機(jī)RQ)+,圖2基于專家系統(tǒng)模糊PID控制的攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)示意圖2.2專家系統(tǒng)模糊PID控制參數(shù)的隸屬度函數(shù)確定選擇攤鋪機(jī)行駛速度偏差e和偏差變化率ec作為系統(tǒng)的輸人變量，并選擇參數(shù)kp、ki 和kd作為輸出變量1。根據(jù)攤鋪機(jī)行駛泵-馬達(dá)系統(tǒng)控

9、制的基本要求，將偏差e和偏差變化率ec的分為7個模糊 集：NB （負(fù)大），NM（負(fù)中）,NS（負(fù)小）,ZO（零）,PS（正?。?PM（正中）,PB（正大）。將偏差e和偏差變 化率ec的變化等級分為7等：-3, -2, -1，0，1，2, 3，從而得到輸入變量隸屬度表和隸屬 度函數(shù)，見表1和圖3。將輸出變量kp、ki和kd分為7個模糊集：NB（負(fù)大），NM（負(fù)中）,NS（負(fù)?。?ZO（零）,?$（正 ?。?PM（正中）,PB（正大）。其變化等級分為9等：-4，-3，-2，-1，0，1，2，3, 4，從而得到 輸出變量隸屬度表和隸屬度函數(shù)，見表2和圖4。.變化等級-2-10123模糊集、-3PB0

10、00000.51PM00000.510PS0000100ZO0001000NS0010000NM010.50000NB10.500000表1輸入變量e、ec的隸屬度表變化等級X-4-3-2-101234模糊集PB00000000.51PM000000.510.50PS000000.5000ZO000010000NS0000.500000NM00.510.500000NB 10.50000000圖3輸入變量e、ec的隸屬度函數(shù)圖4輸出變量kp、ki和kd的隸屬度函數(shù)2.3專家系統(tǒng)模糊PID控制模糊化規(guī)則令e(k)表示離散化的當(dāng)前采樣時刻的誤差值，e(k 一 1)表示前一個采樣時刻的誤差值， e(

11、k)表示誤差的變化值e (k) = e (k)- e (k 一一 1)( 1)根據(jù)誤差及其變化，對專家推理機(jī)做如下分析1當(dāng)I e(k)| M1時，說明此時誤差絕對值已經(jīng)很大，通常這種情況發(fā)生在控制初始階段 或者超調(diào)量較大的階段，但無論誤差變化怎樣，都需要讓控制器的輸出以定值輸出，以達(dá)到 快速調(diào)整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小，同時避免超調(diào)。此時應(yīng)取大的kp和小的kd 并使ki=0；當(dāng)e(k)e(k)0時，誤差增大，若|e(k)| M2，說明誤差較大，主要原因可能是反向控 制量的生成或者超調(diào)量增加導(dǎo)致的，為了提高控制精度，可以取適中的kp和ki，從而可以降 低穩(wěn)態(tài)誤差，若|e(k)|M2，表明

12、誤差不大，可以取小的ki和大的kd，從而可以提高控制的 穩(wěn)定性；當(dāng)e(k)e(k)0時，誤差絕對值有降低的趨勢，如果|e(k)| M2， 通常處于控制中間階段，可以確?？刂屏亢愣ú蛔?，反之，提高ki，從而能夠降低穩(wěn)態(tài)誤差;當(dāng)e(k)e(k)0，且e(k)e(k 一 1)0時，表明誤差在振蕩階段，此時取ki=kd=0，并 用小的kp，從而可以降低誤差；當(dāng)e(k)| M3時，控制誤差處于最小的狀態(tài)，此時可以采用小的kp和ki，從而使穩(wěn)態(tài) 誤差降低。按照上面的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki以及微分系數(shù)kd在攤鋪機(jī)泵-馬達(dá)系統(tǒng)控制中的實 際應(yīng)用狀況，設(shè)計了相應(yīng)的模糊化規(guī)則，見表3、表4、表5。ecNSZO

13、PSPMPB&.NBNMNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB表3 kp的模糊化規(guī)則表ecNBNMNSZOPSPMPBeNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBNMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB表4 ki的模糊化規(guī)則表ecNBNMNSZOPSPMPBe .NBPS

14、NSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZONSZONSNMNMNSNSZOZOZONSNSNSNSNSZOPSZOZOZOZOZOZOZOPMPBNSPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB表5 kd的模糊化規(guī)則表3專家系統(tǒng)模糊PID控制系統(tǒng)的仿真分析恒速控制能否通過專家模糊PID控制在攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)中實現(xiàn)，通過Matlab軟件的 Simlulink和Fuzzy模塊對其建模，進(jìn)行仿真。建立模型如圖4所示，運(yùn)行仿真2結(jié)果如圖5、 6所示。圖5普通PID控制響應(yīng)圖6專家模糊PID控制響應(yīng)從圖5圖6中可以看出，專家系統(tǒng)模糊PID控制技術(shù)的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制 技術(shù)，模糊PID控制器的控制輸出在波動產(chǎn)生后較短的時間內(nèi)，重新進(jìn)入收斂狀態(tài)。反 應(yīng)靈敏，動作迅速，可靠性比較高。具有更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)量，從而能夠滿足 攤鋪機(jī)液壓行駛系統(tǒng)恒速控制的基本要求。4結(jié)論通過上述仿真分析可知，利用專家系統(tǒng)PID控制對攤鋪機(jī)的液壓行駛系統(tǒng)進(jìn)行恒速控制， 具有較好的控制效果，其仿真結(jié)果表明該控制技術(shù)具有響應(yīng)速度快和超調(diào)量小的優(yōu)點，能夠 提高控制的可靠性。并且反應(yīng)靈敏，動作迅速，從而能夠達(dá)到恒速控制