基于數字PID控制的魚雷深度模擬系統研究

趙 鈺, 高天柱, 陳 靜, 王立文, 寇小明

基于數字PID控制的魚雷深度模擬系統研究

趙 鈺1,2, 高天柱1, 陳 靜1, 王立文1,2, 寇小明1

(1. 中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075; 2. 水下信息與控制重點實驗室, 陜西 西安, 710075)

為了提高魚雷半實物仿真試驗中深度模擬設備的響應速度和控制精度等性能指標, 開發了一種基于PC104產品的動態數字比例-積分-微分(PID)控制系統。該系統在結構上采用上、下位機的模式, 利用串口進行通信; 在控制算法上, 針對PID控制存在的積分飽和、抗干擾和動態過程加速等問題, 設計了相應的控制修正算法,確保了系統的控制速度和精度。通過對魚雷半實物仿真試驗數據分析可知, 所得到性能指標滿足實際要求。

魚雷深度模擬; 數字PID; 控制修正算法

0 引言

深度模擬器是魚雷半實物仿真中的重要設備, 其通過控制液壓油源的壓力輸出, 模擬海水不同深度變化時作用于魚雷上的靜態壓力。在魚雷半實物仿真試驗中, 深度模擬系統的精度及響應速度會直接影響到試驗中深度模擬的準確性, 進而影響仿真試驗數據的可信度。本文采用修正后的比例-積分-微分(proportion-integration-differentia- tion, PID)控制算法, 完成了基于液壓隨動的深度模擬系統的研究與設計, 該系統具有響應時間快、精度及動態指標高、噪聲小等特點, 可以滿足魚雷半實物仿真對深度模擬準確性及快速性的需求。

本文研究結果適用于高精度的液壓隨動控制系統, 也可應用于對靜態、動態壓力輸出模擬有較高標準要求的其他場合。

1 硬件設計

深度模擬器由兩部分組成, 一部分為控制系統, 是該模擬器的計算機控制模塊; 另一部分為液壓系統, 是該模擬器的液壓油源和電液轉換執行模塊, 用于完成電信號到壓力的轉換。深度模擬器的系統組成及原理如圖1所示。

圖1 深度模擬器原理圖

深度模擬器具有深度模擬范圍大、動態響應快、精度要求高等特點, 用經典的模擬PID方法難以在整個深度范圍內同時獲得良好的靜態精度和動態性能。近年來, 隨著計算機技術發展, 現代工業控制過程中, 基本采取參數調節更加靈活的動態數字PID控制器取代參數固定的模擬PID控制器, 以實現更加復雜的控制策略[1]。為保證系統的控制速度和精度, 本文亦采用帶有智能性的動態數字PID控制器來構建深度模擬器的控制系統。根據系統設計要求及市場調研選用PC104產品, PC104是一種緊湊型的IEEE-P996工業總線規范, 是專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線, 其主要優點[2]是: 1) 小尺寸結構。標準的機械尺寸是96′90 mm; 2) 堆棧式連接。總線以“針”和“孔”形式層疊連接, 即PC104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連, 這種層疊封裝有極好的抗震性; 3) 輕松總線驅動。4 mA總線驅動即可使模塊正常工作, 每個模塊1~2 W功耗。

在液壓系統設計時, 為保證輸出壓力穩定, 油源系統必須向伺服閥提供恒定的壓力油, 模擬深度最大值為600 m, 換算壓力為6.0 MPa, 因此油源系統壓力應能穩定在6.5 MPa左右。液壓系統油路原理如圖2所示。

電機驅動內嚙合齒輪油泵轉動, 油泵從油箱吸油, 對液壓系統供油。精密濾油器對液壓油進行過濾, 板式溢流閥使系統壓力穩定在6.5 MPa, 油源壓力表監測并顯示系統壓力值。壓力恒定的系統油液接入電液伺服閥的壓力腔, 通過控制伺服閥, 使其工作腔產生期望的壓力輸出。壓力傳感器測量輸出壓力, 并將測量結果反饋回PID控制計算機, 油源壓力表和控制壓力表分別顯示油源壓力及系統的輸出壓力值。

圖2 液壓系統原理圖

2 PID控制算法

PID控制是最早發展起來的控制策略之一, 它所涉及的算法和控制結構簡單, 十分適用于工程應用背景, 且控制效果一般都能令人滿意, 是一種應用非常普遍的控制策略[3]。隨著計算機技術的發展, 數字PID控制器成為主要趨勢。在控制過程中, 把連續的PID算法離散化, 結合計算機CPU的邏輯判斷和分析能力, 使得數字PID的形式多樣化, 如果想要更改某些參數時, 無需修改硬件, 只需要修改軟件即可, 所以靈活性強[4]。數字PID 控制器的離散化數學表達式為

式中:K是比例系數;K是積分系數;K是微分系數;()為第個采樣時刻控制器的輸出量;()為第個采樣時刻的偏差值。

PID控制器是深度模擬器控制系統的核心。由于軟件系統的靈活性, 數字PID控制器可設計為帶有一定的智能性, 其3個控制參數K,K,K可根據系統的實際情況在控制過程中不斷自我調節, 以適應系統變化, 達到最佳的控制效果。

2.1 PID調節規律

分析及產品調試結果表明, PID 參數可依據以下原則選取[5-6]。

1)K作為主控量的比例增益值, 其主要作用是提高系統響應的快速性, 其值越大, 作用越明顯, 但可能導致系統震蕩加劇, 甚至不穩定;K作為誤差的積分增益值, 其主要作用是消除系統的穩態誤差, 其值越大, 積分作用越明顯, 亦有可能導致系統震蕩加劇, 超調量增大;K作為誤差的微分增益值, 在誤差的調整過程中主要起阻尼作用, 可以改善系統的動態特性, 有助于減小超調量, 消除振蕩, 縮短調節時間t。

2) PID控制中的比例控制是最基本的控制環節, 它在整個過程中均起作用, 微分控制主要在前期過程起作用, 積分控制主要在后期起作用。

3) 在誤差的調整過程中合理選取并匹配上述3個增益值, 可以在系統穩態精度和快速性方面達到滿意的控制效果。在偏差比較大時, 為盡快消除偏差, 提高響應速度, 同時為了避免系統響應出現超調, 應提高K的增益值, 降低K及K的增益值; 在偏差比較小時, 為提高穩態精度、減小偏差, 并防止超調過大、產生振蕩、穩定性變壞, 應降低K和K值, 適當提高K值; 在偏差很小時, 為消除靜差, 克服超調, 使系統盡快穩定, 應進一步降低K值, 提高K值, 合理控制K值為小量。

2.2 PID控制算法的優化及工程實現

PID控制在實際應用過程中, 雖有其獨特的優越性, 但也存在著一些缺陷, 比如積分飽和問題、抗干擾問題和動態過程加速問題等等。對于數字PID控制器來說, 通常可以從控制算法入手, 對這些問題進行修正, 最大限度地降低其對控制系統的影響。本文為解決上述問題, 研究設計了針對性的修正算法, 具體如下。

1) 飽和作用及其抑制。實際系統中, 控制量因受元件物理或機械性能的約束而限制在一定范圍內, 即min≤≤max。如果控制量在這個范圍內, 那么PID控制可以達到預期效果; 一旦超出了這個范圍, 則實際執行機構的控制量就不再是計算值, 由此將引出不期望的飽和效應[7]。數字PID控制中的飽和作用主要是由積分項引起, 稱為積分飽和, 積分飽和的影響是使系統輸出產生明顯的超調。

針對積分飽和現象, 本文根據實際情況, 采用了遇限消減積分法對控制算法進行修正。遇限消減積分法的基本思路是[8]: 當控制進入飽和區以后, 便不再進行積分項的累加, 而只執行消弱積分的運算。即在計算()時, 先判斷(–1)是否已超出限制值。若(–1)>max,則只累加負偏差; 若(–1)

2) 干擾的抑制。為了消除隨機干擾的影響, 除了從系統硬件及環境方面采取措施外, 在控制算法上也應采取一定措施, 抑制干擾的影響。

對于作用時間較為短暫的快速干擾, 可以連續多次采樣, 剔除其中的最大、最小值, 對其余的采樣值求平均數, 該方法足以消除快速隨機干擾。對于一般的隨機干擾, 考慮到干擾主要通過微分項對控制系統產生影響, 可采取對干擾不過于敏感的四點中心差分法抑制隨機干擾。主要思路是[4], 將K選擇的比理想情況稍小一些, 用四點差分法構成偏差平均值

再通過加權求和形式近似構成微分項

然后將其替代原式中的微分項。

3) 動態過程加速。采取增量算法的數字PID, 在被控量尚未接近給定量, 僅僅開始向給定量變化時, 比例項與積分項的符號相反, 這造成控制過程減慢。為加快開始階段的動態過程, 可選擇一偏差范圍ε, 當系統偏差絕對值在此偏差范圍內時, 按正常規律調節; 當系統偏差絕對值在此偏差范圍外時, 可令K值取0, 即采取PD算法。利用該修改算法, 能夠有效加快控制的動態過程。

3 系統實現及算法驗證

深度模擬器軟件設計為顯控軟件和PID控制軟件兩部分, 其通過串口通信完成數據信息交換。

顯控軟件運行在顯控計算機上, 可以為用戶提供友好清晰的操作界面, 如圖3所示。顯控軟件主要實現接收主仿真計算機傳送的過程控制命令, 并根據執行結果, 返回相應狀態標志; 進行工作設定、數據通信、圖像顯示及模擬器正常工作的協調管理; 自動生成工作報告等。

圖3 深度模擬器操作界面

PID控制軟件運行在PID控制計算機上, 主要負責反饋傳感器的數據采集, 接收顯控計算機通過串口發送的指令, 完成PID數字控制, 驅動伺服閥, 完成深度模擬。軟件主要由AD采集、DA輸出、濾波模塊、PID控制、串口通信、定時中斷、自檢、數據監控報警等模塊組成。采用修正的PID控制算法后, 深度模擬器的主要技術性能指標如表1所示。

表1 深度模擬器主要技術性能指標

深度模擬器在魚雷半實物仿真試驗實際應用中, 對試驗數據進行記錄, 如圖4所示。從試驗數據曲線圖中可以看出, 無論是指令響應速度、還是跟隨性方面, 該深度模擬系統均能夠達到很好的作用效果。

圖4 仿真試驗數據圖

4 結束語

本文根據魚雷半實物仿真試驗的實際需求, 通過對液壓隨動輸出系統的分析和研究, 確定采用帶有智能性的動態數字PID控制器來實現液壓隨動控制。為了能夠更好地提供人機界面操作以及提高深度模擬器的控制精度和響應速度等性能指標, 在結構上采用了上、下位機的模式, 上位機(顯控計算機)用于人機操作界面的顯示, 下位機(PID控制計算機)完成PID算法并輸出。在此基礎上, 又針對PID控制過程中存在的積分飽和、抗干擾、動態過程加速問題, 逐一設計了修正算法, 使深度模擬器的技術性能指標達到了一個較高的標準。

通過魚雷半實物仿真試驗的實際應用, 證明本文的研究成果技術性能良好、系統安全可靠, 完全可以滿足魚雷半實物仿真試驗的實際需求。

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(責任編輯: 許 妍)

A Digital PID Control System for Torpedo Depth Simulator

ZHAO Yu,GAO TianzhuCHEN Jing, WANG Li-wen,KOU Xiao-ming

(1. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi￠an 710075, China; 2. Science and Technology on Underwater Information and Control Laboratory, Xi￠an 710075, China)

For improving such performances as response speed and control precision of a depth simulator in torpedo hardware-in-the-loop simulation test, a dynamic digital proportion-integration-differentiation(PID) control system was developed on the basis of PC104 products. The control system adopts the master/slave computers structure, and realizes communication through a serial port. Aiming at the problems in PID control, such as integral saturation, anti-interference, and dynamic process acceleration, a corresponding control correction algorithm was designed to guarantee the control speed and precision of the system. By analyzing the hardware-in-the-loop simulation test data of a torpedo, it is proved that the depth simulator with this PID control system achieves very good performances and meets the requirement in actual use.

torpedo depth simulation; digital proportion-integration-differentiation(PID); control correction algorithm

TJ630.33; TP391.9

A

1673-1948(2014)06-0461-04

2014-05-07;

2014-05-21.

趙 鈺(1987-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水下載體測試技術.