基于PLC的电液比例伺服系统模糊PID控制研究.pdf

2 0 1 4年 1月 第 4 2卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 42 No ． 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 2 2 基于 P L C的电液 比例伺服 系统模糊 P I D控制研究 张贵 ，黄静华 ，夏永胜 1 ． 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 2 3 0 0 0 9 ； 2 ．山推工程机械股份有限公司履带底盘分公司，山东济宁2 7 2 0 0 0 摘要囿于传统的 P I D控制器用于比例伺服液压缸位置控制时出现超调大、稳态精度低、响应时间较长等缺点，提出 参数在线 自整定模糊 P I D控制方法 ，并对模糊 P I D控制器的 P L C实现进行分析。针对汽车板簧试验台的比例伺服缸实际控 制进行试验 ，结果表明用 P L C实现的模糊 P I D控制器简单实用，控制精度高 ，适应性好，抗干扰能力强 ，鲁棒性好，从 而提高了控制品质，满足了控制要求。 关键词 P I D控制；模糊控制器 ；液压 比例伺服系统 ；P L C 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 0 8 33 R s e a r c h o n F u z z y PI D Co n t r o l f o r E l e c t r 0 h y d r a u l i c Pr o p o r t i o n a l S e r v o S y s t e m Ba s e d o n P LC Z HANG Gu i ，HU ANG J i n g h u a ，XI A Yo n g s h e n g 1 _ S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， He F e i A n h u i 2 3 0 0 0 9，C h i n a 2 ． C r a w l e r C h a s s i s B r a n c h o f S h a n t u i C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y C o ． ，L t d ． ， J i n i n g S h a n d o n g 2 7 2 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t Be c a u s e o f t h e l i mi t a t i o n s o f t r a d i t i o n a l P I D c o n t r o l l e r f o r s e r v o h y d r a u l i c c y l i n d e r p o s i t i o n c o n t r o l h a d l a r g e o v e r s h o o t ， l o w s t e a d y s t a t e a c c u r a c y ，l o n g e r r e s p o n s e t i me ，t h e me t h o d o f o n l i n e p a r a me t e r s e l f - t u n i n g f u z z y P I D c o n t r o l wa s p r o p o s e d ，a n d t h e f e a s i b i l i t y o f f u z z y P I D c o n t r o l l e r b a s e d o n P LC w a s a n aly z e d ．T h e c o n t r o l t e s t for p r o p o r t i o n al s e n r0 c y l i n d e r o f a u t o mo t i v e l e a f s p r i n g t e s t b e n c h w a s ma d e ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f u z z y P I D c o n t r o l l e r b a s e d o n P L C i s s i mp l e a n d p r a c t i c a 1 ．I t h a s h i g h c o n t r o l p r e c i s i o n，g o o d a d a p t a b i l i t y ，s t r o n g a n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t y a n d g o o d r o b u s t n e s s ．S o t h e c o n t r o l q u a l i t y i s i mp r o v e d，t h e c o n t r o l r e q u i r e - me nt s a y e me t ． Ke y wo r d s P I D c o n t r o l l e r ；F u z z y c o n t r o l l e r ；Hy d r a u l i c p r o p o r t i o n al s e Ⅳo s y s t e m；P L C 近几年来，电液比例伺服系统在工程中的使用越 来越广泛⋯。汽车板簧试验台正是电液比例伺服系统 的一个工程应用。但由于液压系统本身非线性、时变 性和大迟滞等特点 ，使得传统固定参数的P I D控制方 式很难满足高精度的控制要求，从而导致实验台无法 获取较为精确的实验数据。为了提高实验台控制精 度，提高系统响应速度，决定在传统 P I D控制基础上 引入模糊控制 。通过模糊控制使得 P I D的参数可以 实时在线调整 ，使其更好地兼顾系统的静态和动态性 能 ，以便提 高系统 的鲁棒性 。同时用 西 门子 P L C s 7 - 2 0 0代替常规的调节器来实现模糊 P I D参数在线 自整 定算法。 1 汽车板簧试验 台电液比例伺服 系统结构 汽车板簧试验台电液 比例伺服系统 由控制系统、 液压系统、比例伺服液压缸三部分组成。控制系统主 要由上位机 工控机和 P L C 作为控制器组成 ； 液压系统主要由电机、柱塞泵、过滤器、蓄能器 、水 冷系统 、空冷系统等组成；比例伺服缸 由比例 电磁 阀、磁致伸缩位移传感器、液压缸等组成。液压原理 图如图1 所示。 图 1 汽车板簧试验台液压原理图 收稿 日期 2 0 1 3一 O 1一 o 4 作者简介张贵，硕士研究生，主要从事伺服液压系统设计和控制研究。Em a i l 5 7 3 5 0 6 3 0 0 q q ． e o m。 8 4 机床与液压 第 4 2卷 汽车板簧试验台电液比例伺服系统主要为了精确 实现液压缸的位移量。而位移量的实现过程如下通 过控制系统中上位机 工控机发出的位移信号指 令经 P L C模拟量输入端 口输入 给 P L C，由基于 P L C 的调节器运算之后 ，将误差值通过 P L C模拟量输出 端口发送给比例伺服阀的放大器，比例伺服阀放大器 通过控制比例伺服阀的开口控制液压缸的位移量。而 液压缸的实际位移量会通过内置的位移传感器发 出， 同时经 P L C模拟量输入端 口输入到 P L C中作为信号 负反馈 ，以此构成 电液 比例伺服系统的闭环控制结 构 ，见图 2 。 l圭 譬 壬 l 。l ＼r ]厂 ] 厂 丽 r1 齿 鬟 矣 鬈 H插 箍 阀 H鎏 茬 l 图2 比例伺服系统闭环控制结构图 2 模糊 P I D算法结构 传统的 P I D控制，因结构简单、使用方便、适应 性强等特点，在工业控制领域中具有广泛的应用 。 然而，传统的 P I D控制由于 P I D参数固定，对于非线 性、大迟滞系统，控制效果并不十分理想。而简单的 模糊控制，虽能适应非线性、大迟滞系统，但是由于 模糊控制是通过系统误差 e 和误差变化率 d e ／ d t 的大 小，根据人为经验的判断来实时调整控制系统的控制 输出，控制过程不精确，容易使得系统在平衡点处来 回震荡，影响系统的控制效果。而模糊 P I D控制结合 了二者的优点 ，通过对系统误差 e 和误差变化率 d e ／ d t 大小 的分析 ，根 据工 程设计 人员 的知识 和实 践 经验，找出 P I D参数与误差 e 和误差变化率 d e ／ d t 之 间的模糊关系，建立模糊控制规则；再利用模糊规则 进行模糊推理，查询模糊规则表，实时在线调整 P I D 的控制参数，使得不同的误差 e 和误差变化率 d e ／ d t 对应不同的 P I D参数，从而提高控制系统的的适应性 和控制精度 。模糊 P I D控制结构图见 图 3 。 图 3 模糊 P I D控制结构图 3 模糊 P I D控制器设计 电液比例伺服系统采用三变量二维模糊控制器。 它以上位机的给定位移值与电液比例伺服系统的实际 位移值的偏差值 e 和偏差的变化率 e C的大小作为模 糊控制 器 的输 入 量 。以 P I D 的 3个 参 数 的 调 整 量 △ K p 、A K i 、A K O 为输 出量。模糊 P I D控制器通 过定 时采样，不断地检测 e 和 e c ，并根据已制定的模糊规 则输出P I D参数调整量 ，最终计算得出新的 P I D参 数。校正算法如下 r Kp K △ { K i K i A K 【 K d K d △ 式中K p 、K i 、K 为 P I D预设 调 整参 数；A K 、 A K i 、A K d 为模糊控 制器输 出参数 ；K p 、K i 、K d为 P I D控制器实际控制参数。 3 ． 1 输 入模 糊化 E和 E C为 e 和 e c模糊 化 后 的模 糊 量 ，而 A K 、 △ K I 、A K 。 分别为 △ 、△ K、△ 的模糊量。由电液 比例伺服液压系统可知，误差 e的基本论域为[一 7 5 ra i n ，7 5 m m] ，误差变化率 e c的基本论域为 [一0 ． 5 m ／ s ， 0 ． 5 m ／ s ] 。对应的模糊子集论域均取为 一3 ， 一 2 ， 一1 ，0 ，1 ，2 ，3 。模 糊化 子 集均 为 { N B， N M，N S ，Z R，P S ，P M，P B} 。A K P 、A K I 、A K D的 模糊子集论域也取为 一3 ，一 2 ， 一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ， 模 糊 化 子 集 均 为{ N B，N M，N S ，Z R，P S ，P M， P B} 。隶属度函数都为三角形函数 ，如图4所示。 大 ． 3 ． 2 ． 1 0 l 2 3 E，EC，A ， Agl ， A置D 图 4 E 、E C 、A K p 、A K 1 、△ 的三角形隶属度函数 3 ． 2建立模糊控制规则 模糊控制器的设计核心是模糊规则的建立。而模 糊规则是基于工程设计人员的技术知识和实践操作经 验建立起来的，所以很大程度上模糊规则是否恰当是 模糊控制器控制效果好坏的直接影响因素。通过对系 统的稳定性 、响应速度、超调量和稳态精度各方面的 总结 ，可知当E偏差很大时，为使 系统具有较好 的快速跟踪性能 应该取大一些，而为避免造成微 分溢 出 K 应取 小一 些 ，同时为避 免 系统超 调 ，应 对 积分作用加以限制 ，通常 取零值 ；当偏差 E为中 等大小时，为减小系统超调应减小 K ，这时 的取 值对系统的影响较大，K 的取值要适当；当偏差 E 较小时，为防止超调过大产生振荡， 应减小，为 使系统尽快稳定，消除系统的稳态误差 ，提高控制精 度，K 应增大，综合考虑系统的抗干扰能力和系统 响应速度应使 适当取值。依此建立模糊规则表如 表 1 所示 。 第 1期 张贵 等基于 P L C的电液比例伺服系统模糊 P I D控制研究 8 5 表 1 A K p 、A K 。 和 A K 。的模糊规则表 3 ． 3输 出去模 糊化 对位移量偏差 和位移量偏差变化率 E C经过模 糊化和模糊推理后，通过加权平均法，计算出 P I D参 数调整值 △ K p ，A K ； ，A K d ，如下式所示 7 7 f A K ∑ E ， E C K pJ ∑ E ， E C I { A K i ∑ E ， E C K ／ ∑心 E ， E c I [ A K d ∑g j E ， E C ／ ∑ E ， E C 4 P L C控制器的程序实现 此系统采用西门子 7 - 2 0 0 P L C实现控制器 的功 能。通过 P L C的两个模拟量输入端 口和一个模拟量 输 出端 口进行 数 据 的采集 和输 出。为 了在 P L C中易 于编程 ，事先可将 E、E C模糊论域中的元素都转换 成{ 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ， } ，并将模糊论域中对应 的元素存入 P L C的寄存器中。在查询表查询过程 中 可先将 E、E C相应的转换值置入 自定义的数据块中， 经过限幅处理后根据输入模糊论域中的对应元素，采 用间接寻址查询模糊控制查询表。同时模糊输出量乘 以输出量化因子即可求得 A K 。 ，A K i ，A K s 的值。将 这 3个 P I D在线调整的补偿值累加到 P I D的预设值上 面 ，并通过传统的 P I D运算方法 ，输出比例伺服阀的 电压值。程序实现流程如图5所示。 图5 模糊 P I D控制器程序流程图 5结束语 采用阶跃输入作为比例伺服系统的激励 ，比较常 规 P I D控制器和模糊 P I D控制器对相同输入的响应特 性曲线 ，如图6 7所示 。可知模糊 P I D控制器 较常规 P I D控制器 响应时问短，超调小，稳态精度 高。由此表明电液比例伺服系统的位移控制通过模 糊 P I D控制可达到更好的控制品质 ，可使系统获得快 速 准确 的响应 。 l_ 4 1 ． 2 l 0 ． 8 0 ． 6 O． 4 O． 2 O ／ 图6 常规 P I D阶跃输入 图7 模糊 P I D阶跃输入 响应特性曲线 响应特性曲线 通过模糊 P I D控制实现了 P I D参数在线 自整定， 同时利用西 门子 7 - 2 0 0作为模糊 P I D控制器，使得 控制更为简单可靠。总体来说 ，基于 P L C的模糊 P I D 控制可靠性和控制效果都大大提高，满足汽车板簧试 验台的控制精度要求。 参考文献 【 1 】 钱阳辉 ， 陈冰冰． 基于电液 比例阀控缸位置系统控制的 策略的研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 2 7 1 0 31 0 5 ． 【 2 】 黄卫华， 方康玲． 模糊控制系统及应用[ M] ． 北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 1 2 ． 【 3 】 刘金琨． 先进 P I D控制 M A T L A B仿真[ M] ． 北京 电子 工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． 【 4 】 常满波 ， 胡鹏飞． 基于 M A T L A B的模糊 P I D控制器设计 与仿真研究[ J ] ． 机车电传动， 2 0 0 2 5 3 4 3 6 ． 【 5 】 K O V A C I C Z d e n k o ， B O G D A N s t j e p a n ． F u z z y C o n t r o l l e r D e s i g n T h e o r y a n d A p p l i c a t i o n s [ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 1 0 ． 【 6 】 徐春辉． 基于 P L C的过程控制实验装置液位模糊 P I D 控制[ J ] ． 电脑知识与技术 ， 2 0 1 1 6 3 9 6 7 3 9 6 8 ．