液压挖掘机节能参数自适应模糊PID控制器研究

1、第19卷第6期2003年11月农业工程学报T ransactions of the CS AE V ol. 19N o. 6N ov. 2003液压挖掘机节能参数自适应模糊PID 控制器研究金立生, 赵丁选, 丁德胜, 叶忠军(吉林大学机械科学与工程学院, 长春130025摘要:从节能角度出发, 提出了一种新的液压挖掘机节能控制方法参数自适应模糊PI D 控制系统:根据工况的变化, 模糊控制系统实时计算出适合条件的控制参数输入PI D 控制中, 从而实现最佳的实时控制。基于此方法进行了仿真和台架试验, 结果证明本控制系统优于传统的PI D 控制方法。关键词:液压挖掘机; 自适应控制; PI D

2、 模糊控制; 节能; 仿真中图分类号:T U621文献标识码:A 文章编号:100226819(2003 0620087204 收稿日期:2003201206修订日期:2003203231基金项目:国家自然科学基金项目(59705005 ; 机械部跨世纪优秀人才专项基金资助项目(96250404作者简介:金立生(1975- , 男, 山东潍坊人, 博士生, 长春市人民大街142号吉林大学南岭校区机械科学与工程学院机械电子工程系,1300251引言近年来, 随着国民经济的高速发展, 液压挖掘机在农业中的需求量越来越大, 被广泛应用于各项农田水利建设及农业开发中。与此同时, 由于液压挖掘机工作条件

3、恶劣, 载荷变化大, 使发动机经常偏离低油耗区工作, 机器性能得不到充分发挥, 尤其是液压系统能源消耗更为严重, 造成大量能源浪费。液压挖掘机的“节能”问题已经受到了业内人士的普遍关注。目前, 国外在这方面的研究已经比较成熟, 主要是采用分工况控制系统1。而国内, 这方面的研究正在进行中, 以浙江大学冯培恩教授领导的研究小组在这方面处于国内领先水平。吉林大学一直从事电控液压技术研究, 并从1996年开始涉足挖掘机节能技术, 对液压系统节能问题有较深的研究。为推动我国液压挖掘机节能技术的发展, 本文首次将参数自适应模糊PI D 控制方法引入到液压挖掘机的节能控制中, 试研制一新型控制器, 克服传

4、统控制方法不能实现精确控制的缺点。2节能原理通过分析, 液压挖掘机的能量损失主要包括三个方面:(1 发动机与液压泵功率不匹配造成的能量损失; (2 液压系统溢流阀损失; (3 滑阀的压差损失。借鉴国外先进理论, 本文提出如下节能模式:液压挖掘机在实际工作时, 根据其工作情形, 可以将其分成以下几个动力模式:重载模式H (重视挖掘机的生产效率即发动机在全功率工况下工作, 对应发动机额定转速2500r/min 、经济模式E (重视节约燃油, 对应全功率时转速的85% 、轻载模式L (进行精细作业, 对应全功率时转速的65% 、怠速模式I (挖掘机不工作, 对应转速约为650r/min 。具体来说,

5、 在某一模式下, 根据发动机转速的变化和液压泵出口处压力情况, 通过调节变量泵的排量, 使变量泵的功率始终跟踪发动机的输出功率, 使发动机的转速始终保持在规定的低油耗区范围内, 从而实现节能。3控制系统的构成考虑到液压挖掘机作业循环的多工况, 以及外负载的多变化, 使比例驱动系统面临着强烈的干扰, 加上各回路液压缸活塞杆位移对杆件转角具有传动比等因素, 给系统辨识带来很大的困难, 从而难以得到精确的数学模型。若采用传统PI D 控制, 则会产生一个很大的超调量, 使系统不停的震荡。而模糊控制作为一种智能控制理论, 它不需要系统的精确数学模型, 只依据操作人员的经验和专家的知识, 经一定的数据处

6、理后, 形成若干条规则, 作为模糊控制规则, 然后仿照人脑的模糊推理过程, 确定推理法则, 最后作出模糊决策, 去执行具体的动作。借助于模糊控制理论的优点, 为更好的解决上述问题, 本文拟研究一新型的控制器参数自适应模糊PI D 控制器对变量泵进行控制, 而采用位置液压缸控制油门的位置, 控制系统的构成见图1。本文主要介绍变量泵的控制。图1参数自适应模糊PI D 控制系统结构图Fig. 1S tructure figure of PI D fuzzy controlsystem with self 2tuning parameters4油门控制当操纵者设定某一动力模式后, 只有当挖掘机长时间超

7、载或挖掘机处于不工作的条件下, 才对油门位置进行控制。当油门位置固定以后, 在其他条件下, 只改变78变量泵的排量, 使变量泵的功率始终匹配发动机的功率。为此采用位置液压缸来精确地控制油门位置。通过它与油门机械连接起来实现重载、正常、轻载、怠速等的不同工况下发动机油门位置的控制。它的动作指令来自数字控制系统, 其外形可如图2所示。这种液压缸的技术已经相当成熟且被系列化, 配置在扫雪车、钻孔机、液压挖掘机及林业机械上。 图2位置调整式液压缸Fig. 2Hydraulic cylinder with positionadjustment5参数自适应模糊PI D 控制器5. 1控制器的原理与参数自整

8、定规则传统PI D 控制器的作用可通过下式表示u (k =k P e (k +k I ki =0e (i +k D ec (k 其增量式为u (k =k P e (k +k I e (k +k D ec (k -ec (k-1 式中u (k , u (k 控制器的输出值和输出增量; e (k =n -n (k , n , n (k 发动机给定转速和实际转速; ec (k =e (k -e (k -1 转速偏差增量; k P , k I , k D 比例、积分和微分系数。k P 的作用在于加快系统的响应速度, 提高系统的调节精度, 但k P 过大将导致系统不稳定。k I 的作用在于消除系统的稳态

9、误差。而k D 的作用在于改善系统的动态性能。 考虑到实际情况, 本文采用了参数自适应模糊PI D 控制器, 其实现思想是先找出PI D3个参数与偏差E 和偏差变化率EC 之间的模糊关系, 在运行中通过不断检测E 和EC , 再根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改, 以满足在不同E 和EC 时对不同参数的不同要求, 使控制对象具有良好的动、静态性能。根据参数k P 、k I 、k D 的作用, 在不同的E 和EC 下, 系统的调节对参数k P 、k I 和k D 的自整定要求可简单地归纳为1 当|E |较大时, 为加快响应速度, 并避免E 瞬间变大, 应取较大的k P 和较小的k D ,

10、同时为防止积分饱和, 避免系统出现较大的超调, 应使k I =0。2 当|E |和|EC |中等大小时, 为减小超调, 应取较小的k P , 适当的k I 和k D , 特别是k D 对系统的影响比较大。3 当|E |较小时, 为使系统具有良好的稳态性能, 应增大k P 和k I 的值, 同时为避免系统在设定值附近震荡, 并考虑抗干扰性能, 应取适当的k D , 即|EC |较小时, k D 取中等大小, |EC |较大时, k D 取小些。5. 2各变量隶属度函数的确定与建立参数调节规则表由图1可见, 参数校正部分实质是一个模糊控制器, 其输入语言变量是偏差绝对值|E |和偏差变化率绝对值|

11、EC |, 在本系统中分别是转速偏差绝对值|e |(即实时检测的转速与设定转速之差 和转速偏差变化率的绝对值|e |。而输出语言变量为k P 、k I 和k D 。在控制系统中, 选用的发动机为6102BG, 设定转速偏差|e |与转速偏差变化率|e |的基本论域分别为0, 50和0, 30, 考虑到系统采用的变量泵为A7V40EP1LPF00, k P 、k I 和k D 的基本论域分别取为0, 20、0, 10和0, 0. 05, 若选定|E |、|EC |、k P 、k I 和k D 的论域X 、Y 、Z P 、Z I 和Z D 都为0, 1, 2, 3。根据基本论域与论域X 、Y 、Z

12、 P 、Z I 和Z D , 可以分别求出对应的量化因子k X 、k Y 、k KP 、k KI 、k K D 。对于语言变量|E |、|EC |、k P 、k I 和k D 分别取四种模糊语言值:零(Z 、小(S 、中(M 、大(B 。模糊控制实践证明, 模糊控制过程对于语言变量值的隶属函数形状并不敏感, 只是对隶属函数的范围有一定的敏感。根据经验, 为了实现和处理方便, 本控制系统为|E |、|EC |、k P 、k I 和k D 均选用三角形隶属函数。|E |、|EC |的隶属度函数见图3, k P 、k I 和k D 的隶属度函数见图4。图3|E |和|EC |的隶属度函数Fig. 3

13、Membership degree function of |E |and |EC|图4k P , k I 和k D 的隶属度函数Fig. 4Membership degree function of k P , k I and k D上述在线自整定PI D 参数的模糊控制器是双输入三输出。当确定好输入输出的模糊量后, 就要寻找一组整定PI D 参数的模糊控制规则, 实际上此控制规则就是对k P 、k I 和k D 的调节规则。根据前面所述的参数自整定原则和专家的经验, 建立起表1所示的参数调节规则表。表1k P 、k I 和k D 的调节规则表T able 1Adjust ruler of

14、k P , k I and k D|EC |E |Bk P k I k DMk P k I k DSk P k I k DZk P k I k DB M Z S S S B M S Z Z S M M B Z M M S B B B S S M M Z B Z B M Z M B M M Z S M5. 3模糊推理首先计算出某一时刻的e (k 值, 从而得到ec (k =e (k -e (k -1 , 再分别乘以各自的量化因子后根据图3求出|E |、|EC |的隶属度。根据调节规则表1经相应的推理计算后, 得出k P 、k I 和k D 的模糊语言值, 求出对应的隶属度, 最后用重心法进行模糊

15、判断后再乘以各自的量化因子, 就可以得到k P 、k I 和k D 的精确调整值。实际上, 对于一个特定的输入量, 它最多只能模糊化为两个模糊量, 即它对应只有两个模糊量的隶属度不为0, 其余都为0。例如, 如果由某时刻|E |、|EC |计算出的u ME (|e | 、u B E (|e | 、u MC (|e | 、u BC (|e | 均不为零, 这时根据表1的k P 调整规则有以下四个推理语句: 1:if |E |=B and |EC |=M then k P =B 2:if |E |=B and |EC |=S then k P =B 3:if |E |=M and |EC |=M

16、then k P =M 4:if |E |=M and |EC |=S then k P =M 相应的隶属度计算如下u KP B (1 =u Be (|e | u Mec (|e |u KP B (2 =u Be (|e | u Sec (|e |u KPM (1 =u Me (|e | u Mec (|e |u KPM (2 =u Me (|e | u Sec (|e |将以上隶属度进行合成, 得到如下u KP B =u KP B (1 u KP B (2u KPM =u KPM (1 u KPM (2由于u KPZ 与u KPS 均为0, 所以将u P 按中心法进行模糊判决, 在乘以量化因

17、子u KP 即可得出参数u P 的精确整定值为u P =u KPM +u KP B×k KP同理, k I 和k D 参数的模糊推理和运算过程与u P 相同。由此在线整定求得的k P 、k I 和k D 的值, 即可直接输出作为传统PID 控制器参数的整定值, 从而实现了模糊PID 参数的自整定。6控制系统的仿真比较与台架试验6. 1系统仿真比较为了验证建立的参数自整定模糊PI D 控制器的有效性, 本文借助Matlab6. 2的Simulink 功能, 比较参数自整定模糊PI D 控制和普通PI D 控制在输入信号为单位阶跃函数的作用下的输出响应曲线(见图5所示 。其中普通PI D

18、 曲线的k P 、k I 、k D 是根据推导出的传递函数求解得出, 分别为:40,0. 4,5; 采样时间为10ms 。图5系统对阶越信号输出响应Fig. 5Output response to step signal of the system从图5可看出, 采用参数自整定的模糊PI D 控制器比常规PI D 控制器的系统超调量明显减小, 同时调整时间大大缩短, 从而全面地改善了系统的动态性能。6. 2节能控制系统台架试验控制系统完成后, 在吉林大学挖掘机节能试验台进行了台架试验, 主要是验证控制系统的实际运行效果及所提出的理论与所建立系统是否合理及可靠。并观察此方案在实际应用中的其它问题

19、。在本次试验中用到的仪器和设备主要有:(1 北京华德北液液压设备制造有限公司生产的A7V40EP1LPF00型电控变量泵, 其排量与输入电流成线性关系。(2 加载装置本文采用了华德生产的DBE M10-30/ 200Y M 型电控溢流阀,BE M10-30/200Y M 型电控比例溢流阀是一种锥阀式结构的先导式比例溢流阀, 结构比较简单, 安装调试, 重复性精度和线性好, 通流能力强, 能够根据输入信号的变化无极调节系统的压力。(3 两套VT 2000型电液比例控制器, 分别用于控制变量泵的排量和电控溢流阀的压力。(4 转速传感器采用的是CT 552型光电转速表来测量发动机的转速。(5 压力传

20、感器采用的是中国航天科技集团公司第七零一研究所生产的AK 1型压力传感器, 测量范围020MPa , 允许过载20%。试验(仅以经济模式为例 共分两部分:(1 发动机油门及各传感器的标定试验。进行试验之前必须获得本工况下油门相对于基准点的位置, 作为本工况下的标定油门位置。对于轻载模式, 标定试验结果见表2。(2 性能试验。轻载模式工况下获得的试验结果(见表3 , 表中偏差为测量值与本工况下最优转速的差值。试验设定的起调压力为2MPa , 溢流阀开启压力为12MPa , 表中“3”表示工况已经发生变化, 发动机处于怠速状态, “-”表示报警指示灯不亮, “+”表示报警指示灯亮。试验结果表明,

21、开始时由于压力波动比较大, 出现了偏差超出允许值, 但总的说来, 结果比较理想, 控制系统基本合理。表2发动机油门位置标定试验结果T able 2Demarcate experimental results of theengine eccelerator position工况次数 载荷/MPa转速/r min -1偏差距基准点位置/mm平均值/mm15. 71755512. 6轻载25. 51754412. 612. 5 35. 31746-412. 3表3轻载L 模式下的试验结果T able 3Experimental results under light power m ode试验项目

22、试验组数7结论由于参数自适应模糊PI D 控制器在参数k P 、k I 和 k D 与转速偏差E 和偏差变化率EC 之间建立了在线自整定的基于人的经验和智能的关系, 从而使系统在不同的运行状态下对常规PI D 控制器的参数实现了智能调节, 因而它在改善被控过程的动静态性能、提高抗干扰能力及对参数的时变的鲁棒性等方面均优于传统的PI D 调节。通过试验证明该节能控制系统性能稳定、效果良好, 在挖掘机节能控制方面具有较好的应用前景。由于开始时压力波动大, 控制器的控制效果受到较大影响, 如何合理调整控制规则, 改善控制性能, 需要在今后进一步进行研究。参考文献1黄宗益. 液压挖掘机分工况控制J.建

23、筑机械,1998(1 :2832.2高峰, 冯培恩, 潘双夏, 等. 液压挖掘机节能控制综述J.工程机械与维修,2001(12 :4043.3曹恒, 孙宝元, 段军, 等. 柴油机模糊自校正PI D 控制器J.大连理工大学学报,2000(4 :465469.4刘骏跃. PI D 参数的模糊整定器研究J.自动化与仪器仪表,2001(5 :2022.5丁仲毅, 刘晋军. 液压挖掘机节能控制系统的研究与开发J.建筑机械,2000(6 :4951.6彭天好, 杨华勇, 傅新. 液压挖掘机全功率匹配与协调控制J.机械工程学报,2001(11 :5053.7郭晓方, 李伟哲, 黄宗益. 液压挖掘机的发动机-泵的联合控制系统研究J.同济大学学报,1999(3 :333336.E nergy 2saving PID fu