参数自整定模糊PID控制器在大型液压源温控系统中的应用

2008年 4月 第 36卷 第 4期 机床与液压 MACH INE TOOL & HYDRAUL ICS Ap r12008 Vol136 No14 收稿日期 : 2007 - 06 - 14 作者简介 : 陈超 (1985—) , 男 , 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室硕士研究生 , 主要从事机电液控制技术方面的研 究。电话 : 0571 - 87952500 - 231, E - mail: cc1600@1261com。 参数自整定模糊 PID控制器在大型液压源温控系统中的应用 陈超 , 龚国芳 , 徐晓东 , 王静 (浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 , 杭州 310027) 摘要 : 为满足某大功率、大流量的液压油源系统油温的高精度控制要求 , 针对液压系统温度场大时滞、非线性、时变 性的特点 , 设计了参数自整定模糊 P ID控制器 , 使用 SIMUL INK结合 MATLAB中的 FUZZY工具箱进行仿真研究 , 结果表 明 , 该控制器用来控制液压源的温度是十分有效的。 关键词 : 模糊 P ID; 温度控制 ; 液压源 ; 大流量 中图分类号 : TH137　　文献标识码 : B　　文章编号 : 1001 - 3881 (2008) 4 - 105 - 3 The Applica tion of Fuzzy Param eters Self2tun ing P ID Con trol in Tem pera ture Con trol System of Large2sca le Hydraulic Resource CHEN Chao, GONG Guofang, XU Xiaodong, WANG J ing (State Key Laboratory of Fluid Power Transm ission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) Abstract: In order to obtain the high control p recision of the oil temperature in the hydraulic resource with high power and flow, a fuzzy parameters self2tuning P ID controllerwas designed, considering the feature of the large time delay, the nonlinearity, and slow2 time varying for hydraulic temperature field. The simulation was done using SIMUL INK and FUZZY toolbox. Result shows that the temperature of hydraulic resource is controllable by use of the control system. Keywords: Fuzzy P ID; Temperature control; Hydraulic resource; H igh flow 0　前言 液压系统油温的控制在一些场合是非常重要的。 为某功率达 700kW、总流量达 2 157L /m in的大型液 压源进行温度控制系统设计 , 使其油温控制精度达到 国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ( GB /T 793522005) 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的 B 级精度要求 ( ±2℃)。该液压源向某大型液压元件测试实验台供 油 , 液压系统为全封闭系统 , 采用闭式压力油箱。液 压源大功率、大流量的特点对其温控系统设计提出了 很高的要求。 由于液压系统、冷却器及油箱温度场 , 本质上是 一种大时滞、非线性、时变系统 [ 1 ] , 考虑到液压系统 温度场热交换过程的复杂性和随机性 , 已有的大时滞 过程的控制方法如 Sm ith预估控制器、广义预测控 制 , 在对温度场大时滞复杂系统的控制中都遇到了很 大的困难。本文通过采用参数自整定模糊 P ID控制算 法 , 应用模糊推理在线调整 P ID 3个参数 , 避免常规 P ID控制依赖系统模型、对时变参数敏感、动态响应 较差以及模糊控制稳态精度较差等缺点 , 结合两种控 制方式的优点 , 使系统在快速性、稳定性和准确性上 获得更加优良的性能。通过 SIMUL INK结合 MATLAB 中的 FUZZY工具箱进行仿真 , 结果表明 , 该算法具 有很强的鲁棒性和动态响应特性 , 满足应用于温控系 统的要求。 1　液压源温控系统工作原理及组成 该大功率液压源为全封闭系统 , 采用闭式压力油 箱。配电功率高达 700kW , 控制供油最大流量为 355L /m in, 动力供油流量 1 802L /m in, 则系统总回油 流量高达 2 157L /m in, 油温控制目标为 45℃, 控制 精度 ±2℃, 冷却水流量为 45m3 /h, 液压源大功率、 大流量的特点对其温控系统设计提出了很高的要求 , 其温控系统原理见图 1。 1—闭式压力油箱 　2—油箱出口温度传感器 　3—主供 油温度传感器 (主控点 ) 　4—系统回油温度传感器 　 5—板式换热器 　6—静态平衡阀 　7—离心水泵 　8— 水箱 　9—三通比例流量水例 　10—油箱回油口温度传 感器 图 1　液压源温控系统原理图 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 在温度控制系统中 , 冷却元件采用板式热交换 器 , 采取离心泵循环供水方式提供冷却介质 , 使用三 通比例流量水阀调节冷却水流量 , 添加 Y型过滤器 保护系统。三通比例流量水阀 B 口回路串连静态平 衡阀 , 水路中的静态平衡阀起到调节回路液阻的作 用。通过调节 B路液阻与 A路板换液阻相匹配 , 可 以优化三通比例流量水阀的调节性能。 主供油处温度 3为主控点 , 保证该处液压油温度 为 (45 ±2) ℃, 当溢流阀压力及泵流量调定后 , 该 处的油温则主要受板式换热器冷却作用的影响 , 通过 板式换热器的冷却水的流量不同 , 其冷却能力也不 同 , 通过调节三通比例流量水阀的阀芯位置 , 就可以 调节通过 A口 , 即通过板换的水流量。采用模糊 P ID 温度控制器 , 其输出控制三通比例流量水阀的阀芯位 置 , 进而达到温度调节的目的。 同时监测油箱出口温度 2, 系统回油温度 4, 油 箱回油口处温度 10, 以之为辅助控制参考。 2　参数自整定模糊 P ID控制器的设计 P ID控制具有简单、稳定性好、可靠性高等优 点 , 其特别适用于线性、定常、时不变系统 , 但其依 赖系统模型、对时变参数敏感、动态响应较差。对于 那些非线性、时变、大滞后复杂系统 , 很难达到理想 的控制效果。模糊控制与 P ID控制器相比具有不依赖 系统数学模型、调节速度快、鲁棒性好等优点 , 但稳 态精度欠佳是模糊控制的一个弱点。将这两种控制策 略结合起来 , 取长补短 , 形成了模糊 P ID复合控制方 法。 211　系统结构 参数自整定模糊 P ID控制系统结构如图 2所示。 在常规 P ID基础上 , 以温度反馈值与目标值的误差 E 和误差变化率 EC作为输入 , 用模糊推理的方法对 P ID参数 Kp、Ki、Kd 进行在线自整定 , 以满足不同 E 和 EC对控制器参数的不同要求 , 从而使受控对象具 有良好的动、静态性能。 图 2　参数自整定模糊 P ID控制结构图 212　P ID参数在线整定原则 P ID控制中 Kp、Ki、Kd 各参数的作用不再赘述。 根据系统在受控过程中对应不同的 | E |和 | EC | , 将 P ID参数的整定原则归纳如下 : (1) 当 | E |较大时 , 取较大的 Kp 与较小的 Kd , Ki = 0, 以使系统有较好的跟踪性能 , 同时由于对积 分作用进行了限制 , 可避免出现较大的超调。 ( 2) 当 | E |为中等大小时 , Kp 取较小值 , 以降低 响应超调量。Kd 的取值对系统响应影响较大 , Ki 的 取值也要适当。 (3) 当 | E |较小时 , Kp 与 Ki 均取较大值 , 以提 高系统的稳定性 , 此时 Kd 值的选择应根据 | EC |的大 小 , | EC |较大时 , Kd 取较小值 , | EC |较小时 , Kd 值 取大一些 , 以避免系统在设定值附近出现振荡。 213　模糊控制器的设计 本设计中用于 P ID参数调整的模糊控制器采用两 输入 ( E, EC) , 三输出 (ΔKp , ΔKi , ΔKd ) 的形式。 设定 E、EC、ΔKp、ΔKi、ΔKd 语言值的模糊子集为 {负大 , 负中 , 负小 , 零 , 正小 , 正中 , 正大 } , 简 记为 { NB , NM , NS, ZO, PS, PM , PB } , 并将其 量化到 [ - 6, 6 ] 的区域内。误差的基本论域为 [ - 48, 48 ], 误差变化的基本论域为 [ - 014, 014 ], 误差模糊状态的论域为 [ - 6, 6 ], 误差变化 模糊状态的论域为 [ - 6, 6 ], 则误差的量化因子 Ke 图 3　输入输出各变量 隶属度函数曲线 取 1 /8, 误差变化的量 化因子 Kec取 15。 输入输出变量均选 用三角隶属函数 , 其隶 属度函数曲线见图 3。 在三角形隶属函数 中 , 任何一个特殊的随 机输入输出值的隶属度 可由下列方程来描述 : μLV ( a) = ( a - p) / ( q - p) 　　p≤a≤q μLV ( a) = ( r - a) / ( r - q) 　　q≤a≤r 式中 : LV为相应条件下 , 不同的描述语言 ; μ为隶属度 ; p为各变量在一特殊变化段中的下限 ; r为各变量在一特殊变化段中的上限 ; q = ( p + r) /2。 根据 P ID参数的整定原则 , 可得输出变量ΔKp、 ΔKi、ΔKd 的参数调整规则 , 以ΔKp 为例 , 其控制规 则表如表 1所示。 表 1　ΔKp 模糊控制规则表 E EC NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO N S NS ZO PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM PS ZO NS NM NM NM NB PB ZO ZO NM NM NM NB NB 　　将模糊控制参数调节规则写成条件语句的形式 , 表 1所列ΔKp 的模糊条件语句为 : ·601· 机床与液压 第 36卷 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net ( 1) if E =NB and EC =NB thenΔKp = PB; ( 2) if E =NM and EC =NB thenΔKp = PB; … ( 49) if E = PB and EC = PB thenΔKp =NB。 同理也可以写出ΔKi、ΔKd 的模糊条件语句。相 对应的隶属度函数计算为 : ( 1) μKp1 (PB ) =μPBKp (PB ) =μNBE (x)∧μNBEC (x); (2) μKp2 ( PB ) =μPB Kp ( PB ) =μNM E ( x) ∧μNB EC ( x) ; … ( 49 ) μKp49 ( NB ) =μNB Kp ( NB ) =μPB E ( x ) ∧ μPB EC ( x)。 依此类推 , 可求得ΔKp 在不同偏差 E和偏差变 化率 EC条件下的所有模糊取值的隶属度 , 并利用重 心法公式进行模糊判决 : u = ∑xi ×μN ( xi ) /∑μN ( xi ) 同理可相应求出参数ΔKi、ΔKd 的数值。 在线修正 P ID参数的计算公式如下 : Kj ( j = p, i, d) = k′j ( j = p, i, d) +ΔKj ( j = p, i, d) 3　基于 SIMUL INK的模糊 P ID控制器仿真分析 311　仿真数学模型的建立 图 4　试验响应曲 线法原理图 在温度自动调节系 统中将调节系统概括为 广义控制对象和温度调 节器两部分 , 广义控制 对象除工艺对象外还包 括温度传感器、调节阀 等 , 其动态特性通常用 具有纯滞后的标准近似形式表示。将该大型液压源系 统的传递函数简化为具有纯滞后的一阶惯性环节 , 其 传递函数模型为 : G ( s) = K1 + Tse -τs = 312 1 + 300se - 80s 式中 : K为系统增益 , T为时间常数 , τ为纯滞后时 间 , 其值通过试验响应曲线法确定。 如图 4所示 , 输入 x ( t)为阶跃式干扰 , 输出为 反映曲线 y ( t)。在曲线的拐点处作切线 , τ、T值可 由图得到 , 系统增益 K = y (∞) x (∞) 。求得 K = 312, T = 300 s, τ= 80 s。 312　系统仿真分析 用 MATLAB中的 FUZZY工具箱建立模糊控制 器 , 将其作为一子模块插入到 SIMUL INK环境中 , 用 SIMUL INK结合 FUZZY工具箱 , 对液压源温度控制系 统的参数自整定模糊 P ID控制器进行仿真 , 建立了系 统仿真模型如图 5所示 , 首先进行模糊 P ID控制与常 规 P ID控制仿真比较 , 然后根据实际液压源系统时变 性的特点 , 改变被控对象的参数 , 即改变其传递函 数 , 而控制器不变 , 来检验该控制器的鲁棒性。选取 采样时间为 1 s, 常规 P ID参数取值在 Z2N整定法的 基础上 , 试验调整得到 Kp = 014, Ki = 01002, Kd = 35, 实际液压源温度控制要求为 (45 ±2) ℃。 图 5　模糊 P ID控制器仿真模型 31211　温度模糊 P ID控制与常规 P ID控制响应比较 图 6　油温模糊 P ID与常规 P ID控制阶跃响应曲线 在大多数工况下 , 系统传递函数保持不 变 , 此时模糊 PID与常 规 PID控制的响应曲线 如图 6 所示。可以看 出 , 采用模糊 PID, 稳 态精度达到 ±015℃, 达到 液 压 源 要 求 的 ( 45 ±2 ) ℃精 度 仅 需 200s, 比传统 P ID 控制 器的系统超调量明显减小 , 响应时间缩短 , 全面改善 了系统的动态性能。 31212　控制对象时间常数改变时模糊 P ID 与常规 P ID响应比较 图 7　油温在 T改变时模 糊 P ID与常规 P ID 控制阶跃响应曲线 根据系统的时变特 性 , 当传递函数时间常 数 T变为 350 s, 而控制 器不变 , 模糊 P ID 与常 规 P ID控制的动态响应 曲线如图 7所示。可以 看出 , 采用模糊 P ID 比 传统 P ID控制器的系统 超调量明显减小 , 响应 时间缩短 , 模糊 P ID 控 制在系统发生变化时 , 仍能有效地控制温度 , 有很强的鲁棒性。 (下转第 36页 ) ·701·第 4期 陈超 等 : 参数自整定模糊 P ID控制器在大型液压源温控系统中的应用 　　　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 由于 ANP模型的计算较为复杂 , 在不借助于计算 软件的情况下 , 很难将 ANP模型应用于解决实际决策 问题 , Super Decision ( SD) 软件基于 ANP理论 , 已成 功地将 ANP的计算程序化 , 是 ANP的强大的计算工 具 [ 8 ] , 因此本文通过该软件来完成 ANP计算过程。 最后根据专家经验 , 制造网格平台确定一个制造 资源认证的最低值作为参考 , 当制造资源的认证值高 于这个值时制造资源企业就通过成功。也可以变定量 分析定性化 , 通过按照认证值的大小把认证结果分为 优秀、良好、一般、差等几个档次 , 便于制造网格平 台将来进行任务分配和资源调度。 图 4　SD软件在制造资源认证中的应用 4　结束语 本文首先结合认证制度的基本理论 , 提出了制造 网格中的制造资源认证的概念 , 然后分析了制造网格 中制造资源 , 并对其进行分类 , 在此基础上建立了制 造资源认证的体系结构 , 通过 ANP法和问卷调查法 相结合的方式对制造资源进行认证 , 利用数学算法等 技术手段解决了制造网格中的制造资源认证。 参考文献 【1】朱晓红 , 陈春平 1制造网格中制造资源描述机制研究 [J ] 1计算机技术与发展 , 2006, 16 (9) : 56 - 58, 611 【2】中国进出口质量认证中心 1 IS014001环境管理体系的 建立和审核 [M ] 1北京 : 中国检察出版社 , 20001 【3】黄琛 , 范玉顺 1 e2Manufacturing的体系结构和实施方 案研究 [ J ] 1中国机械工程 , 2004, 15 ( 19) : 1760 - 17641 【4】史忠植 1神经计算 [M ] 1 北京 : 电子工业出版社 , 19931 【5】陈衍泰 , 陈国宏 , 李美娟 1综合评价方法分类及研究 进展 [ J ] 1管理科学学报 , 2004, 7 (2) : 69 - 791 【6】Saatyt L1 Decision making with dependence and feedback [M ] 1 RW S Publication, Pittsburgh, PA, 20011 【7】王莲芬 1 网络分析法 (ANP) 的理论与算法 [ J ] 1 系统工程理论与实践 , 2001, 21 (3) : 44 - 501 【8】刘睿 , 余建星 , 孙宏才 , 等 1基于 ANP的超级决策软 件介绍及其应用 [ J ] 1 系统工程理论与实践 , 2003 (8) : 141 - 1431 (上接第 107页 ) 31213　控制对象三参数均改变时模糊 P ID 与常规 P ID响应比较 图 8　油温在 K、T、τ均改 变时模糊 P ID与常规 P ID控制阶跃响应曲线 根据系统的时变 特性 , 当传递函数增 益 K 变为 415, 时间 常数 T 变为 330 s, 延 时τ变为 60 s, 而控制 系统不变。模糊 P ID 与常规 P ID 控制的动 态响应曲线如图 8 所 示。可以看出 , 采用 模糊 P ID 比传统 P ID 控制的系统超调量明 显减小 , 响应时间缩短 , 模糊 P ID控制在系统发生变 化时 , 仍能有效的控制温度 , 有很强的鲁棒性。 4　结论 为某功率达 700kW、总流量高达 2 157L /min的大 型液压油源设计了模糊 P ID温度控制系统 , 并用 SIM2 UL INK结合 MATLAB中的 FUZZY工具箱并进行了仿真 研究 , 结果表明 , 自整定模糊 PID控制比常规 PID控 制具有更好的鲁棒性和动态响应特性 , 能适应实际系 统时变性的特点 , 200s的时间就可达到液压源 (45 ± 2) ℃的稳态精度要求 , 用来控制液压源的温度是十分 有效的 , 解决了液压系统温度场大滞后时变复杂系统 的控制问题 , 为温度控制系统的设计提供了有力的参 考 , 具有重要的理论意义和工程实际应用价值。 参考文献 【1】孙薇 , 何洪 , 周恩涛 1基于 MNN神经网络的液压系 统油温的 PWM 自学习控制 [ J ] 1中国机械工程 , 1998, 9 (7) : 7 - 141 【2】高东杰 , 谭杰 , 林红权 1应用先进控制技术 [M ] 1 北京 : 国防工业出版社 , 20031 【3】张庆 , 程维明 , 沈耀宗 , 等 1模糊控制在橡胶硫化温 度控制中的应用 [ J ] 1 光学精密工程 , 2001, 9 (4) : 385 - 3871 【4】WANG Y N, ZHANG C F1Genetic2based Neurofuzzy Net2 work Control for Comp licated Industrial Process [ J ]. 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