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2 0 1 2年 2月 第 加 卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I C S F e b ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 3 ． 0 0 6 免疫 P I D算法在 Y H I O - 2 0 0 0型等温锻造液压机中的应用研究 丁曙光 ，王亮亮 ，桂贵生 ，李华 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 ． 合 lr z r- 大学电气与自动化工程学院， 安徽合肥 2 3 0 0 0 9 摘要针对某型号等温锻造液压机滑块速度的控制要求，提出基于免疫控制的 P I D算法，设计出免疫 P I D控制器并应 用于等温锻造机的滑块速度控制中， 仿真结果和系统实际运行效果表明免疫 P I D控制性能要优于传统 P I D控制，具有较 高的控制精度和较强的鲁棒性，且满足等温锻造液压机滑块速度的控制要求。 该技术已成功应用于大型数控薄板冲压液压 机的控制系统中。 关键词 等温锻造； 免疫算法； P I D控制器； MA T L A B仿真 中图分类号 T G 3 1 5 ． 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 3 0 1 93 Ap pl i e d Re s e a r c h i n t h e Yt t l 0- 2 0 0 0 I s o t he r ma l Fo r g i ng Hy dr o s t at i c M a c hi ne Ba s e d o n I mmun e PⅢAl g o r i t h m DI NG S h u g u a n g ，WANG L i a n g l i a n g 。 ，GUI Gu i s h e n g ，L I Hu a 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 mo 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 An h ui 2 3 0 0 09。Ch i na 2 ． S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，He f e i Un i v e rsi t y o f T e c h n o l o gy ， H e f e i A n h u i 2 3 0 0 0 9，C h i n a A b s t r a c t I n o r d e r t o r e a c h t h e c o n t r o l r e q u i r e m e n t s o f s l i p p e r b l o c k s p e e d i s o the r ma l f o r gi n g h y d r o s t a t i c ma c h i n e ， o n e P I D al g o r i t h m w h i c h b a s e d o n i mmu n e a l g o ri t h m Was p r o v i d e d ．I mmu n e P I D c o n t r o l l e r W as d e s i g n e d a n d a p p l i e d i n the c o n t r o l o f s l i p p e r b l o c k s pe e d ．T h e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n a n d o p e r a t i o n i n p r a c t i c a l s y s t e m s h o w tha t the p e rf o r man c e o f i mmu n e P I D c o n t r o l l e r i s s u per i o r t o t r a d i ti o n al o n e ．F u r t h e rm o r e，i t h as b e t t e r a c c u r a c y i n c o n t r o l s y s t e m and mo re s t r o n g r o b u s t wh i c h c a n me e t the s l i p p e r s p e e d c o n t r o l d e m a n d o f i s o t h e r ma l f o 唱i n g h y d r o s t a t i c m a c h i n e ． Th i s t e c h n o l o g y h as a lr e a d y b e e n a p p l i e d s u c c e s s f u l l y i n l a r g e N u m e ri c al C o n t r o l p l a t e s t a mp i n g h y d r a uli c c o n t r o l s y s t e m． Ke y wo r d s I s o t h e r mal f o r g i n g ；I mmu n e alg o r i t h m；P I D c o n t r o l l e r ；MAT L A B s i mu l a t i o n 等温锻造是指在模锻的整个成形过程中将模具和 坯料温度保持相同或相近的恒定值，并用较慢的成形 速度来完成的成形方法。等温锻造液压机滑块速度的 控制非常复杂，普遍存在参数变化。Y H1 0 - 2 0 0 0等温 锻造液压机要求在等温锻造工作速度范围为 0 ． 0 0 5～ 0 ． 5 m m ／ s，并可实施应变速率控制 ，速度误差小于 1 ％ ，变速时，稳定时间小于 0 ． 0 5 S 。对于此类的被 控对象 ，经典 P I D控制很难对其实现有效的控制 ，所 以必须寻求新的控制策略。 免疫算法是基于免疫系统机制和免疫学理论开发 的工程应用算法。由于其方法的分散性、自主性和鲁 棒性 ，使得免疫算法越来越为各领域所接受 ，其研究 成果涉及控制、数据处理、优化学习和故障诊断等领 域。邹俊等人⋯基于生物免疫系统的反馈原理，提出 了免疫 P I D控制器 ，并将之应用于液压立辊压下系统 中，在外界扰动以及工况变化的情况下仍取得 良好的 控制效果。辛菁等人 基于遗传算法、模糊控制和生 物免疫系统反馈机理，提出模糊免疫 P I D算法 ，并将 之应用于双容液位系统的控制中。李岷闽等 借鉴免 疫反馈机理，提出一种新型的免疫 P I D控制器 ，并应 用于宝钢循环风机调速控制系统中，仿真结果表明该 方法能改善系统阶跃响应性能。 通过研究免疫算法的数学理论，提出基于免疫算 法的智能控制器，并应用到 Y H 1 0 - 2 0 0 0等温锻造液 压机滑块速度的控制中，达到适应性强、超调量小和 运行平稳等 目的，同时为以后的研究提供有价值的理 收稿 日期2 0 1 1 0 1 2 4 基金项 目国家重大科技专项资助项目 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 4 - 0 2 1 ；安徽省 自然科学基金资助项 目 0 9 0 4 1 4 1 5 5 ；安徽省科技攻 关项 目 0 6 0 1 2 0 1 9 A 作者简介丁曙光 1 9 6 2 一 ，男，副教授，主要研究方向为计算机应用技术、测试技术、数控技术。E ma i l i c e 4 5 8 5 1 2 6 ． c o rno 2 O 机床与液压 第加 卷 论依据 。 1 免疫原理和控制器的设计 免疫应答是机体对外来侵犯抗原的 自身防御反 应 ，杀伤和排除外来侵犯的抗原 ，恢复和保持机体的 免疫平衡。在免疫应答过程 中 B细胞和 T细胞起着 关键性的作用，B细胞主要功能是产生抗体，执行特 异性免疫功能 ；T细胞功能主要是对免疫应答过程进 行调节， T细胞分为辅助 T细胞 T 和抑制 T细胞 T 等亚群。当外界抗原进入生物体内，被抗原呈 递细胞消化后 ，会产生细胞介素激活免疫反应，当抗 原递呈细胞 A P C 把抗原递呈给 T细胞时，通常首 先激活辅助性 T细胞 T ，活化并释放淋巴因子， 进而激活 B细胞产生抗体，A P C递呈的抗原还能缓 慢 激 活 抑 制 T细 胞 T 。 ，活化的 T 。 细胞 反过来对 T h 细胞或 B 细胞发挥抑制作用⋯。 免疫系统反馈原理如 图 1 所示 。 图 1 免疫系统反馈原理图 免疫算法将外来侵犯的抗原和免疫系统产生的抗 体分别对应于实际求解 问题的目标函数和问题的解， 将控制系统中存在的未知或是扰动类比于外界入侵攻 击人体的抗原，宏观地比较了控制系统和免疫系统的 相似处，并提出了从控制角度模拟该过程应具有的思 路识别抗原并设计抗体消灭抗原，如表 1 所示。 表 1 免疫系统与控制系统的比较 免疫系统 控制系统 系统面临一种不确定的干扰 初次响应 系统面临新的干扰 再次响应 针对 快速 抗体识别抗原 确定控制器输出 1 ． 1 免疫反馈规则 由前述免疫反馈原理知，抗原入侵时，B细胞同 时受到 T h 细胞的活化作用和 T 。 细胞的抑制作用。 定义第 jc 代的外部物质量 抗原数量 为 8 ， 受到外部刺激来 自辅助 T细胞的输出为 II} 。 r h |i} k ， 占 ．j} 式中 是 T 细胞的刺激因子，符号为正。假设抑 制细胞对 B细胞的影响为 J } 。 后 J } A s 8 式 中 是 T 。 细胞 的抑制 因子，符号为正。 厂 是一个非线性 函数表示抑制细胞 T 。 的抑制量。则 B 细胞接受的总刺激为 s J } Ji } 一 Il} 1 ． 2 免疫 P I D控制器的设计 常规的增量式 P I D控制器的离散形式如下 M |j} u k一 1 Ii} 。 [ e ．I} 一 e 矗 一1 ] k i e k [ e - 2 e 一 1 一 e - 2 ] 式中Ii} 。 、 、k 分别为比例、积分、微分系数。 P控制器的控制规律如下 u i c J } e 目前，P I D控制算法是一种广泛应用 的控制方 法，其结构简单、参数整定方便，在许多场合能获得 令人满意的效果。但常规 P I D控制参数的不可变制约 了整个控制系统的性能，同时它不能有效克服负载、 模型参数大范围变化及非线性因素的影响，因此应采 用更好的控制方法来控制对象。 文中采用免疫算法与常规 P I D控制器结合而成的 免疫 P I D控制器以解决此问题。将免疫反馈机理应用 在控制中，可以使控制系统的第 个采样时刻给定值 与输出值的偏差 e Ii} 对应于免疫繁殖第 代 的抗原 数量 占 ，第 k 个采样时刻的控制器输出 “ 对应 免疫系统繁殖第 k 代时 B细胞接受 的总刺激 s ， 则控制规律可设计为 “ ．i} ．i} 。 1 一 ’ z u Ii} ， a u | I} e II} Ij} 。 。 e |j} 式中．i} 。 控制响应速度， 。 增大，响应速度会增大， 叼后 ／ k 。 控制响应稳定性， 增大；系统的超调量减 少，合理调整 k 。 和 r l ，可使控制系统具有较快的响 应速度和较少的超调L 4 ] 。文中 Il2 。 和 叼的最终取值为 11 ． 1，r l 0 ． 3。 为抑制细胞 T 。 的抑制量，[ 1 1 , | j} ，△ u Ii} ] ， 是关于 “ Ii} 、a u ．i} 的非线性函数。作者在设计过程 中采用模糊控制来逼近非线性函数， 】 ，其基本思 想为每个输入变量采用两个模糊集来模糊化，分别 是 “ 正” P 和 “ 负” J7 、 r ；输出变量采用 3个模 糊集模糊化，分别为 “ 正” P ， “ 零 ” z和 “ 负” I v 。各个模糊变量隶属函数定义为实数区 间。模糊控制器采用下面4条规则 l7 ] 1 i f M i s P a n d△ u i s P t h e n u ， △ M i s J 『、 r 1 2 i f l ／ , i s P a n d△ u i s Ⅳt h e n ， u ， △ I ‘ i s Z 1 3 i f i s Ⅳa n d△ “i s P t h e n “ ， △ u i s z 1 4 i f u i s N a n d△ M i s Ⅳt h e n ． 厂 H ， △ “ i s P 1 各规则中，模糊逻辑采用 Z a d e h的 a n d操作 ] ， 反模糊化方法采用常规 I n o m法，基于免疫反馈原理 的控制器实际上就是一个非线性 P控制器，其比例系 数 |i} 。 。 随控制器输出的变化而变化，将 P I D型控制器 的输出／ ／ , 作为外部物质 即抗原 8 |j} 的量，得到 如下的P I D型免疫控制器 k M Ii} M 后 一 1 |i} [ e 一 e k 一1 e Ii} 第 3期 丁曙光 等免疫 P I D算法在 Y H1 0 - 2 0 0 0型等温锻造液压机中的应用研究 2 l 等 d_ e k 一 2 e k 一 1 e |j} 一 2 ] u k 一 1 p k 。 ， [ e k 一 e k一 1 j } e | j} J i} e Jj} - 2 e k 一1 e k 一 2 ] 式中k 。 。 k ， [ 1 一 ， u k ， A u k ] 。 2 免疫 P I D控制系统与传统 P I D控制系统的仿真 对比 当 Y H1 0 - 2 0 0 0等温锻造液压机负载为外负载力 时，传统 P I D控制系统开环传递函数为 1 s T ，__ 1 6 7 ． 3 2 系统在不同使用环境下，油的黏性会随温度的变 化而变化 ，不同的负载以及其他一些因素，体现在系 统模型中 的变化范围较大，一般在 0 ． 2 0 ． 4之间。 免疫控制器根据上述控制规律在控制器中针对各种干 扰不断调整参数 ，以达到准确控制，使系统具有良好 的响应。用 M A T L A B ／ S I M U L I N K对该系统进行仿真， 分别用传统 P I D控制和免疫 P I D控制进行仿真。其中 图 2为 取值为0 ． 2时的仿真图，图 3为系统实际运 行效果图。 量 营 磺 者 越 图2 传统 P I D控制与免 图3 系统实际运 疫 P I D控制对比 行效果图 从仿真结果可以看出，免疫 P I D控制大大优于常 规 P I D控制的效果 ，而且免疫 P I D控制器的仿真曲线 在 0 ． 0 2 s 的时间内迅速稳定，说明其具有较强的适 应性 ，从系统实际运行效果可以看出系统经过调速以 后，依然可迅速达到稳定状态，证明此系统具有较强 的鲁棒性，其控制性能要优于传统的P I D控制。本项 技术也可以成功应用在大型数控薄板冲压液压机的控 制系统中。 3结论 针对常规 P I D控制参数的不可变，导致出现控制 系统性能受到制约的问题 ，作者将免疫算法与常规 P I D控制器结合而成一种免疫 P I D控制器，将此问题 良好解决 ，及时发现控制性能的变化，及时改变 P I D 参数 ，达到更好的控制效果 ，表明免疫 P I D控制器更 具适应性。 参考文献 【 1 】 邹俊， 傅新， 杨华勇． 免疫 P I D在液压位置伺服系统中的 应用研究[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 5 ， 4 1 1 1 5 ． 【 2 】 辛菁， 刘丁， 杜金华， 等． 基于遗传整定的模糊免疫 P I D 控制器在液位控制系统中的应用研究 [ J ] ． 信息与控 制， 2 0 0 4 ， 3 3 4 4 8 1 4 8 5 ． 【 3 】 李岷闽， 邹俊， 傅新， 等． 液力调速 自适应控制系统研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 ， 5 1 5 5 1 5 5 1 5 6 ． 【 4 】 谈英姿 ， 沈炯， 吕震中． 免疫 P I D控制器在汽温控制系统 中的应用研究[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 2 ， 2 2 1 0 1 4 81 5 2 ． 【 5 】 魏星， 刘琨， 王亚军． 模糊免疫 自 适应控制系统的 M a t l a b 仿真研究[ J ] ． 电力自动化设备， 2 0 0 5 ， 2 5 5 3 4 3 6 ． 【 6 】丁永生， 任立红． 一种新颖的模糊 自调整免疫反馈控制 系统[ J ] ． 控制与决策， 2 0 0 0 ， 1 5 4 4 4 3 4 4 6 ． 【 7 】王辰， 丁洪生 ， 付铁． M A T L A B的数控机床模拟免疫 P I D 控制仿真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 9 9 4 9 6 ． 【 8 】马高杰， 王凯， 李鹏阳， 等． 模糊免疫P I D 在燃气退火炉温 度控制系统中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 9 1 4 9 一 】 51 ． 上接第4页 【 5 】A k t u r k N ， U n e e b M， G o h a r R ． T h e E ff e c t s o f N u m b e r o f B a l l s a n d P r e l o a d O i l Vi b r a t i o n s As s o c i a t e d w i t l l B a l l Be a r - i n g s [ J ] ． J o u rna l o f T r i b o l o g y - T r ans a c t i o n s o f t h e A s m e ， 1 9 9 7 ， 1 1 9 4 7 4 7 7 5 3 ． 【 6 】 王大力 ， 孙立明， 单服兵， 等． A N S Y S 在求解轴承接触问 题中的应用[ J ] ． 轴承， 2 0 0 2 9 1 4 ． 【 7 】刘显军 ， 洪军， 朱永生， 等． 多支承轴系受力与刚度的有 限元迭代计算方法 [ J ] ． 西安交通大学学报， 2 0 1 0 ， 44 1 1 4 1 4 5 ． 【 8 】 戴曙． 数控机床设计讲座 数控机床主轴组件设计 [ J ] ． 制造技术与机床 ， 1 9 9 5 2 4 7 5 4 ． 【 9 】张中元， 王丽红， 原起富． 多联组配角接触球轴承的刚度 计算[ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 4 2 1 0 2 1 0 4 ． 【 1 0 】 刘艳华， 李志远， 张朝煌， 等． 高速角接触球轴承静态刚 度的分析与计算[ J ] ． 轴承， 2 0 0 5 8 1 3 ． 【 1 1 】王硕桂， 夏源明． 过盈配合量和预紧力对高速角接触球 轴承刚度 的影响[ J ] ． 中国科学技术大学学报， 2 0 0 6 1 2 1 3 1 41 3 2 0 ． 【 1 2 】 王保民， 胡赤兵， 邬再新， 等． 预紧对高速角接触球轴承 动态刚度的影响[ J ] ． 兰州理工大学学报， 2 0 0 9 2 2 9 3 2 ． 【 1 3 】 张迅雷， 邵凤常， 曹诚梓． 角接触球轴承静刚度的精确 计算[ J ] ． 轴承， 1 9 9 5 5 2 5 ． 【 1 4 】 罗祝三， 孙心德， 吴林丰． 滚动轴承在任意方向的支承刚 度[ J ] ． 南京航空航天大学学报， 1 9 9 2 3 2 4 8 2 5 6 ． 【 1 5 】冈本纯三． 球轴承的设计计算[ M] ． 黄志强， 译． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 2 3 4 8 ．
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