基于模糊PID控制的气动负载模拟器研究.pdf

2 0 1 1年 6月 第 3 9卷 第 l 1 期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS J u n ． 2 0 1 1 V0 l | 3 9 No ． 1 1 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 1 ． 0 1 9 基于模糊 P I D控制 的气动负载模拟器研究 周毅 ，刘春辉，孔超 天津职业技 术师范大学汽车与交通学院，天津 3 0 0 2 2 2 摘要构建了由比例阀控缸实施加载的舵机气动伺服加载系统实验装置，研究其特性及控制策略。采用机理建模的方 法建立了系统的数学模型；在此模型基础上 ，设计了模糊 P I D控制器。编写实时控制程序，测定 0 ． 5 、1 、2 、5 H z三角波 条件下的特性。实验结果表明，气动负载模拟器在低频段有较好的力跟随特性。 关键词气动伺服；负载模拟器；模糊 P I D 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 1 1 1 0 7 0 3 Re s e a r c h o n t he Pn e uma t i c Loa d Si mul a t o r Ba s e d o n Fu z z y ． PI D Co n t r o l l e r ZHOU Yi ． LI U Ch u nh u i ． KONG Cha o T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t i o n ，T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t A p n e u ma t i c l o a d s i mu l a t o r ，l o a d e d w i t l l a c y l i n d e r c o n t r o l l e d b y p r o p o r t i o n a l v a l v e ，wa s e s t a b l i s h e d ． I t s e h a r a c t e r i s t i c s a n d c o n t r o l s t r a t e g y w e r e s t u d i e d ． T h e mo d e l o f t h e s i mu l a t o r w a s b u i l t a n d a f u z z y P I D c o n t r o l l e r wi t h f e e d f o r w a r d w a s d e s i g n e d a n d s i mu l a t e d b y Ma l l a b ． Us i n g r e a l t i me c o n t r o l p r o g r a m ， t h e e x p e ri me n t s o f 0 ． 5， 1，2 a n d 5 Hz t ria n g l e w a v e s t i mu l a t i o n we r e c a r r i e d o u t ． T h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e p e rfo r ma n c e o f t h e p n e u ma t i c l o a d s i mu l a t o r i s b e t t e r a t l o w f r e q u e n c y ． Ke y wo r P n e u ma t i c s e r v 0 s y s t e m ；L o a d s i mu l a t o r ；F u z z y P I D 负载模拟器是模拟飞行器在飞行过程 中舵面所受 空气动力矩的加载装置，其功能是在实验室条件下复 现飞行器舵面在空中所受的各种载荷，从而检测其舵 机 驱动系统的技术性能指标 ，将经典 的 自破坏全实物 实验转变为实验室条件下的预测性研究。负载模拟器 的使用能够缩短研制周期 ，节约研制经费，提高可靠 性和成功率，为新型飞行器的研制提供实验数据，为 新技术的推广提供可靠的实验资料。 常规 P I D控制器原 理简单 、适 应性强 ，但要手动 设置 P I D参数 ，对于存在非线性、时变的系统不易保 证其控制效果。作者设计的模糊 P I D控制器把模糊控 制和 P I D控制结合起来 ，利用模糊控制对 P I D控制器 参数进行在线调整 ，提高了气动负载模拟器的动态性 能 。 1 气动负载模拟器实验系统组成 负载模拟器实验系统如图 1所示。机械部分基本 原理是 伺服电机通过联轴器等带动舵片做一定频率 一 定角度的摆动；加载部分用气缸对舵片按照一定的 规律进行加载。气缸对舵片加载的力通过力传感器来 测定和反馈。 气缸 D／ A P CL7 2 6 气 源 工 控机 力传 感器 舵机 比例方向闽 I 伺服电机 A／ D PCL 8l 6 驱动 器 接 口板 卡 __-。。。。。●___●●_。。_一 P CL 8 3 3卜 一 图 1 气动负载模拟器框图 2 气缸加载系统的数学模型 采用比例方向阀的阀控缸结构如 图 2所示。其 中，1 为进气 口，2 、4为负载侧，3 、5为排气 口， A 。 和 A 分别为气缸左右腔的活塞有效面积，C 为 阀 芯台肩与 阀套 的配合 间隙，z 、z 、 和 z 分别为 1 、1 - 4 、2 3和 4 5的节流边 的遮 盖 开 口 量 ， P ． 和p 分别为气缸左右腔的压力 ， 和 为气 缸左右两腔及相连气路的有效容积， 为气缸位移 ， m为质量负载。 收稿 日期 2 0 1 0 0 51 1 基金项目天津职业技术师范大学科研发展基金资助项 E t K J 1 0 - 0 4 作者简介周 毅 1 9 8 2 一 ，男，助教 ，研究 方向为流体传 动与控 制。电话1 3 7 5 2 6 0 5 2 8 9 ，Em a i l z h o u y i 一 0 8 2 2 1 63． e o m。 第 1 1期 周毅 等基于模糊 P I D控制的气动负载模拟器研究 7 1 图2 比例方向阀控缸示意图 2 ． 1 质量流量方程 取比例方向阀阀口流动临界压力 比b 0 ． 3 5 。流 人左右两腔的质量流量方程分别为 Q Q ， 一 Q 3 i R T , [ p 。 A p 。 ／ ≯ ， b 一 p 。 A v 3 p ， ， b ] 1 Q b Q 2 一 Q 。 [ P A p 2 ／ p ， b ～ P A p 。 ／ p 2 ， b ] 2 式中Q 。 、Q 、Q ， 、Q 分别为 1 - * 2 、1 4 、2 3 、 4 的质量流量 ； A 1 、A v 2 、A v 3 、A 分别为 1 - - 2 、1 - * 4 、2 - 3 、 4 节流 口有效 面积 ； 为气体常数； 为气源温度。 2 ． 2 系统压 力微 分 方程 把系统视为理想状态，根据质量流量方程和热力 学方程可以得到系统的压力微分方程为 一 3 k R T ㈩ 式 中 V 1 V 1 0 A l ； l加一 A 2 ； k为绝热指数，k 1 ． 4 ； 为气缸活塞位置； 。为气缸下腔 无杆腔初始体积 ； 为气缸上腔 有杆腔初始体积。 2 ． 3 系统力平衡方程 气缸水平推动舵片，给舵片施加一个力矩来模拟 所受到的空气铰链力矩，没有弹性负载。根据牛顿第 二定律 ，得系统的力平衡方程为 P l A 1 - p 2 A 2 一 ， n 茹 一 F 5 式中 肛为黏性阻尼系数 ； F为输出力； m为活塞杆等的质量和。 3控制器设计与仿真 为了提高系统的性能，运用模糊自适应 P I D控制 器，来改善由于气缸的不对称性引起的差异。模糊控 制和常规 P I D控制相结合，对 P I D参数进行 自整定 ， 这就是模糊 自适应 P I D控制器，其结构 图见 图 3所 示 。图中，k 。 为比例控制系数；k 为积分控制系数； k 为微分控制系数。 图3 模糊 自适应 P I D控制器 模糊控制器采用两输入三输出的形式 ，以误差 I e l 和误差变化率 f e c J 为输入语言变量，k k ； 和 k 为输出语言变量。作者利用 M a t l a b的模糊控制工具 箱 ，建立一个 Ma m d a n i 型的模糊 P I D控制器 ，其仿真 模型如图4所示。整个模型由模糊控制器模块、P I D 模块、控制对象及输入输出等部分组成。 图4 模糊 自适应 P I D控制仿真模型 根据 P I D参数的整定原则和实际操作经验，针对 k p 、k 、k 3个参数的模糊规则如表 1 所示。 表 1 k 、k i 、k a 的模糊规则表 z o z o， P B， z o Ps P B， PB ， P s PM PB／ PB，zo PB PM， PB，zo P B， P B ， P s P B， P B ， P s PB，PB，Ps PM，PM， Zo PM， ps ／ P B P M， P z， PB PM， Ps ， P M P s ， P s ， p M PB ， Z o， p B pB ， z o， P B P B ／ z o， P M PM／zo，PS 曩 吴 6 6 ． 5 7 7 ． 5 8 7 7 ． 2 7 ． 4 7 ． 6 7 ． 8 8 时 间， s 聍 N[ s _ s l t z 响应 曲线 b 1 0 l -l z 响应曲线 图5 模糊 P I D控制仿真曲线 7 2 机床与液压 第 3 9卷 4 气动负载模拟器的实验研究 编写程序实现对 实验 台的实时控制 ，主要包括 两个部分 1 通过伺 服 电机接 口板 卡和研 华 的 P C L 7 3 0卡 ，来 实 时 控 制 电机 按照 一定 的规 律转 动 ； 2 通过传感器形 成闭环控制 ，来控制气缸 对舵 片施 加 一 定 的力 矩 。 控制程 序的组成如 图 6所 I 初 始 化 模 块I ● l 主 控 制 模 块I 土 土 土 土 土 信 控 数 遁 号 滤 发 生 模 操 作 面 块 i D lu 动态链接库 善 l 设 备 驱 动 程 序l 姜-2020} v k 一 ． 0 l 2 3 4 5 时 间， s a 0 ． 5Hz l 一给定信号2 一跟随信号 0 1 2 3 时 间， s b 1Hz l 一给定信号2 一跟随信号 罴 ． 要 ． 1 O l 2 3 时间， 0 c 2Hz 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 8 时 间， s d 5Hz 图7 系统力跟随曲线 可 以看 出，在 0 ． 5 H z 的情 况下 ，力 的跟随 情况 还比较理想，负载力矩的影响很小；在 1 H z的情况 下，能明显看到多余负载力矩的影响，但是影响比较 小；在 2 H z的情况下，气动系统的力跟随情况 比较 好 ，在气缸换 向时 ，加载 的力为 0 ，但 可 以看 出多余 力要比0 ． 5 、1 H z 时要大；在5 H z 的情况下，多余负 载力矩达到了最大力矩的 3 0 ％ 甚至更大，对系统的 性能有较大影响。 5 结束语 作者建立了被动式气动负载模拟器的数学模型 ， 进行了基 于分段 P I D控制 的 Ma t l a b ／ S i m u l i n k仿真， 最后测定了 0 ． 5 、1 、2 、5 H z 三角波条件下的特性。 结果表明气动负载模拟器在低频段运用模糊 自适应 P I D控制器有较好的力跟随特性，尽管在气缸换向时 有多余力产生，但幅值较小；当舵机的频率升高，在 换向时，能够明显看出多余负载力的影响，力的跟随 特性变差。因此，设计的模糊 自适应 P I D控制器在低 频段基本消除 了气缸 的非对称性对 系统 的影 响 ，有 较 强 的实用性 。 参考文献 【 1 】 杨庆俊 ， 包钢， 聂伯勋， 等． 比例方向阀控气动缸动力机 构建模[ J ] ． 哈尔滨工业大学学报， 2 0 0 1 4 4 9 4 4 9 8 ． 【 2 】 赵映秋， 罗骥 ， 李 昭明． 力矩 负载模 拟器 的设计研 究 [ J ] ． 云南电大学报， 1 9 9 5 2 ． 【 3 】 李运华 ， 焦宗夏， 王占林． 舵机力矩负载模拟器的混合控 制方法研究[ J ] ． 航空学报， 1 9 9 8 s 1 6 1 6 5 ． 【 4 】 刘金琨． 先进 P I D控制 M A T L A B仿真 [ M] ． 2 版． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 5 1 1 51 2 8 ． 【 5 】WA N G J i h o n g ， MO O R E P h i l i p R， P U J u n s h e n g ． C o n t r o l S t r a t e g y De v e l o p me n t f o r Hi s h S p e e d S e r v o -- p n e u ma t i c Ac t u a t o r S y s t e m[ C] ／ ／ P r o c e e d i n g o f t h e 1 4 t r i e n n i a l w o r l d c o n g r e s s o f I F A C ， B e j i n g ， 1 9 9 9 4 1 1 4 1 6 ． 【 6 】B e l f o r t e G ． F u z z y C o n t r o l o f a P n e u m a t i c S e r v o S y s t e m a n d C o m p a r i s o n w i t h S y s t e m s U s i n g O the r C o n t r o l [ C] ／ ／ I F - C A9 3， T e r r a s s a ， S p a i n ． 1 9 9 3 7一l 2 ． 上接 第 1 5 6页 再按下 “ 显示变化的接 口信号”后显示1 2 ，即 G 1 2 F v 0 一 F V 7 发生 了变化 ，全‘ 1 ’或全‘ 0’ 时，表示进给倍率为0 ，故坐标轴不能移动。 3 结束语 实践证明，将数据库、可视化网络编程等技术应 用到数控机床的故障诊断中是切实可行的。目前该系 统已成功应用于产教结合型柔性制造系统 F MS 的 E t 常维护中，有效减少了机床维修人员的诊断时间， 提高了故障诊断的效率。 参考文献 【 1 】 B E l l I N G F A N U C公司． 以太网板／ 数据服务器板操作说 明书 B - 6 3 3 5 4 E N [ M] ． 【 2 】 B E ll I N G F A N U C公司． F O C A S I _ 2 动态链接库函数光盘 A 0 2 B - 0 2 0 7 - J 7 3 7 1 1 [ C D ] ． 【 3 】B E ll I N G F A N U C公 司． F A N U C 0 i - C ／ 0 i M a t e ． c参数说 明书 B 一 6 4 1 2 0 C M ／ 0 1 [ M] ． 2 0 0 4 ． 【 4 】 B E ll I N G F A N U C公 司． F A N U C 0 i - C ／ 0 i M a t e ． C维修说 明书 B 一 6 4 1 1 5 C M ／ 0 1 [ M] ． 2 0 0 4 ．