專家系統模糊PID在攤鋪機液壓行駛系統上的應用

蔡夢克　賈莉　趙素素　陳新軒

摘要：為了能夠提高攤鋪機液壓行駛系統在不同工況下的恒速控制水平，分析攤鋪機液壓行駛系統的基本原理，深入地研究了專家系統模糊PID控制在其中的應用。通過介紹專家系統模糊PID控制器的基本原理，設計了相應的控制系統，并且使用軟件對其進行了仿真。結果表明該設計系統對攤鋪機恒速控制具有較好的控制精度。

關鍵詞：專家系統模糊PID控制；攤鋪機；液壓行駛系統；恒速控制

中圖分類號：U415.52文獻標志碼：B

Abstract： In order to improve the constant speed control level of pavers hydraulic driving system under different working conditions， the basic principles of the hydraulic driving system was analyzed， and fuzzy expert system with PID control was thoroughly studied. The mechanism of fuzzy expert system with PID controller was introduced and implemented， and was simulated with software. The results show that the designed control system yields decent precision in constant speed control.

Key words： fuzzy expert system with PID control； paver； hydraulic driving system； constant speed control

0引言

瀝青攤鋪機屬于連續式作業機械， 其主要用于道路面層的鋪筑，對作業質量的要求較高，而其行駛性能的好壞將直接影響攤鋪質量。由于傳統PID控制具有操作方便、可靠性高等優點，因此被廣泛應用于各種大型機械的液壓行駛系統中。然而在攤鋪機的作業過程中，由于負荷的變化、路面的不同以及不同材料等因素的影響，單單采用傳統PID控制已經不足以應對非線性、時變性的復雜液壓伺服系統，也很難確保行駛系統的各項指標在最佳范圍內。而這對攤鋪路面的平整度、初始密實度和離析度將產生直接的影響。

專家模糊控制響應快，對干擾不敏感，不依賴被控對象，對非線性、時變及滯后的系統非常適合[1]。因此本文將專家系統模糊PID控制應用在攤鋪機液壓行駛系統上，對攤鋪機各種工況下的恒速控制水平有顯著的提升。

1行駛液壓系統與控制原理

瀝青攤鋪機行駛液壓系統為雙泵雙馬達回路，主要由變量泵、變量馬達與控制閥組成。圖1為單邊行駛液壓系統原理圖，其控制原理如下。

比例電磁閥Y1.1/Y1.2二者之一分別通電，轉換泵高、低壓腔，從而實現攤鋪機前進或后退。行駛速度大小依賴于Y1.1/Y1.2的控制電流，調節左右兩側對應方向的比例電磁閥，使工作電流大小不同，產生左右行駛差速，實現轉向。當電流大小相等，方向相反，即左右兩側履帶速度相反，實現原地轉向[23]。

行駛系統采用雙排量變量馬達，馬達排量有最大和最小2種狀態，電磁閥Y03用于調節馬達排量。排量最小為高速小轉矩轉場行駛工況，排量最大為低速大轉矩攤鋪作業工況[4]。

當油路中壓力過高時，安全溢流閥打開，目的是防止油路過載，保護元件；止回閥用于向回路補油；補油安全溢流閥是調整補油泵最高壓力，以保證充分供油。

2專家系統模糊PID控制策略

2.1專家系統模糊PID控制的思路

由于攤鋪機液壓行駛系統采用的是雙泵雙馬達回路系統，所以對行駛系統的控制主要是對泵馬達系統的控制。

專家模糊PID控制系統的結構主要是由參數可調整的PID控制系統和專家模糊控制系統2部分組成，具體結構如圖2所示。

基于專家系統模糊PID的液壓行駛系統的控制原理：在常規PID控制器的基礎上，依據專家及試驗數據總結出來的經驗，確定系統特性。對于不同工況下的攤鋪機泵馬達系統采取不同的控制量，并建立相應的規則庫；以攤鋪機行駛速度的偏差e和偏差的變化率Ce作為輸入，采用模糊推理機的推理方法實現對PID控制參數，即比例系數kp、積分系數ki和微分系數kd的實時調節，從而使被控對象具有良好的動態、靜態特性，以達到恒速控制的目的[5]。

2.2專家系統模糊PID控制參數的隸屬度函數確定

選擇攤鋪機行駛速度偏差和偏差變化率作為系統的輸入變量，并選擇參數kp、ki和kd作為輸出變量。

根據攤鋪機泵馬達系統行駛控制的基本要求，將e和Ce分為7個模糊集：NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。將e和Ce的變化等級分為7等：-3、-2、-1、0、1、2、3，從而得到輸入變量隸屬度表和隸屬度函數，見表1和圖3。

將輸出變量kp、ki和kd分為7個模糊集：NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。其變化等級分為9等：-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4，從而得到輸出變量隸屬度表和隸屬度函數，見表2和圖4。

2.3專家系統模糊PID控制模糊化規則

令ek表示離散化的當前采樣時刻的誤差值，ek-1表示前一個采樣時刻的誤差值，Δek表示誤差的變化值

Δek=ek-ek-1（1）

根據誤差及其變化，對專家推理機做如下分析。

（1） 當|ek|>M1時，說明此時誤差絕對值已經很大，通常這種情況發生在控制初始階段或者超調量較大的階段，但無論誤差怎樣變化，控制器均以定值輸出，達到快速調整誤差的目的。同時使誤差絕對值以最大速度減小，避免超調。此時應取大的kp和小的kd并使ki=0。

（2） 當ekΔek>0時，誤差增大，若|ek|≥M2，說明誤差較大，主要原因是反向控制量的生成或者超調量增加，為了提高控制精度，可以取適中的kp和ki，從而降低穩態誤差。若|ek|

（3） 當ekΔek<0，且ekΔek-1>0時，表明誤差絕對值有降低的趨勢，如果|ek|≥M2，通常處于控制中間階段，可以確保控制量恒定不變，反之，提高ki能夠降低穩態誤差。

（4） 當ekΔek<0，且ekΔek-1<0時，表明誤差在振蕩階段，此時取ki=kd=0，并用小的kp，可以降低誤差。

（5） 當|ek|

以上：M1、M2為設定的誤差界限，且M1>M2；M3為任意小的正實數。

按照上面的kp、ki以及kd在攤鋪機泵馬達系統控制中的實際應用狀況，設計了相應的模糊化規則，見表3～5。

3專家系統模糊PID控制系統的仿真分析

為了驗證恒速控制能否通過專家模糊PID控制在攤鋪機液壓行駛系統中實現，本文通過Matlab軟件的Simlulink和Fuzzy模塊對其建模，進行仿真，結果如圖5、6所示。

從圖5、6中可以看出，專家系統模糊PID控制技術的控制效果明顯優于傳統的PID控制技術[6]。模糊PID控制器的控制輸出在波動產生后較短時間內，重新進入收斂狀態，反應靈敏，動作迅速，可靠性較高，具有更快的響應速度和更小的超調量，從而能夠滿足攤鋪機液壓行駛系統恒速控制的基本要求。

4結語

通過上述仿真分析可知，利用專家系統模糊PID控制對攤鋪機的液壓行駛系統進行恒速控制，具有較好的控制效果。其仿真結果表明該控制技術具有響應速度快和超調量小的優點，能夠提高控制的可靠性。

參考文獻：

[1]劉金琨.智能控制[M].北京：電子工業出版社，2014.

[2]劉金琨.先進PID控制Matlab仿真（第三版）[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]王欣，高子瑜.工程機械典型控制系統[M].北京：人民交通出版社，2014.

[4]司癸卯，涂中華，王安麟，等.瀝青攤鋪機液壓行駛驅動系統控制算法和控制策略[J].中國工程機械學報，2006，4（3）：283287.

[5]朱濤，李宏偉.基于模糊自適應PID的攤鋪機行駛控制系統研究[J].制造業自動化，2014，36（2）：6971.

[6]徐文山.模糊PID控制器設計及MATLAB仿真[J].筑路機械與施工機械化，2014，31（4）：9195.

[責任編輯：杜敏浩]