电液比例压力阀的模糊-自适应模糊PID复合控制技术

　　0　引言

　　电液比例阀控制系统广泛应用于精度要求较高的机械加工和冶金等行业。传统的控制方式大多采用比例积分微分(PID)控制技术,它具有简单、可靠和参数整定方便等优点,但由于电液比例阀控制系统是复杂的非线性高阶系统,受温度、速度和负载等参数变化的影响较大,因而在控制性能要求较高的场合依靠常规的PID控制难以取得较好的控制效果。将模糊控制和PID控制相结合是一种优化液压系统控制性能的有效方法。这种控制系统一方面可使PID控制具有模糊控制的智能;另一方面可使模糊控制具有确定的控制结构,从而使所设计的控制器具有两种控制的优点。

　　本文采用双模糊控制器,一个用于在线整定PID参数,另一个则与PID控制平行,大偏差(误差e>0·1MPa)时采用模糊控制,保证快速性和抑制超调;小偏差(-0·1MPa≤e≤0·1MPa)时采用自适应模糊PID控制,以消除稳态误差,此PID控制可以实现在线整定,从而达到较理想的控制性能。

　　1　电液比例阀的模糊控制器设计

　　本文研究的电液比例控制系统以压力控制为主,因此选取压力的误差e和误差变化率ec为模糊控制器输入量,比例压力阀的控制电压直接控制阀芯的移动,所以,选择阀控电压U为模糊控制的输出变量,采用二维模糊控制器。设定误差、误差变化率和电压的基本论域均为[-6,6];描述输入输出变量的词集为:

　　E={NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB}

　　EC={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

　　U={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}

　　式中:NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB为负大,负中,负小,负零,正零,正小,正中,正大。

　　模糊变量选取梯形隶属函数,分别如图1、图2、图3所示。模糊控制规则查询表如表1所示。

　　2　自适应模糊PID控制器设计

　　2·1　PID算法

　　PID控制式为:

　　K_D[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

　　式中:KP、KI、KD分别为比例系数、积分时间常数和微分时间常数;u(k)为k时刻的输出量;Δu(k)为输出量的变化率; e(k)为k时刻的偏差; e(k-1)为k-1时刻的偏差。

　　增量型控制算式有以下优点:因为输出是增量,即使偏差长期存在,输出Δu(k)一次次积累,最终可使执行器到达极限位置,但只要偏差e (k)换向,Δu(k)也立即变号,从而使输出脱离饱和状态,消除了发生积分饱和的危险,输出只是增量,计算机误动作时造成的影响较小。

　　2·2　模糊化设计

　　模糊PID控制器的推理部分为双输入三输出系统,其结构框图如图4所示。模糊控制设计的两个输入量是偏差和偏差变化率的绝对值,输出是PID参数ΔKP,ΔKI,ΔKD。按设定值要求将E,EC和ΔKP,ΔKI,ΔKD的论域均定义为[-3,-2,-1,0,1,2,3],采用模糊语言变量对其进行描述,分别为:PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB。利用MATLAB设计E、EC、ΔKP、ΔKI、ΔKD的论域对应的模糊语言变量的隶属函数曲线如图5所示。