基于模糊PID的液壓自動調平與升降控制系統研究

唐平建，孫澤林，宋 鵬

(中國人民解放軍63870部隊， 陜西 華陰 714200)

質心位置的測量對于確定車輛的機動性、操縱穩定性和安全性具有十分重要的意義[1-3]。目前，車輛(特別是特種車輛)的質心測量大多采用可傾斜平臺測量法。該方法采用合力矩定理，利用平臺水平、傾斜狀態分別測量出水平、豎直方向的質心坐標值，測量的準確度和自動化程度較高，得到了廣泛應用。可傾斜平臺主要有側傾和縱傾兩種方案，有三點支撐、四點支撐、六點支撐等支撐方式。由于三點決定一個平面，三點支撐自動調平的控制相對容易，但測量時要求被試車輛概略居中，否則會影響支撐的穩定性；四點、六點支撐的穩定性好，但存在靜不定的問題，容易產生“虛腿”現象，自動控制較難，效率難以提升[4]。為此，本文充分考慮設備的可靠性、成本及測量效率，在車輛質心測量設備研制中采用“縱傾+三點支撐”的方案，將模糊PID 控制策略應用到此系統中以提高系統的自動調平與升降性能。

1 調平與升降系統整體設計

1.1 調平與升降系統的機械結構

車輛質心測量設備的調平與升降系統機械結構布局如圖1所示。測量平臺由A、B、C三點支撐，其中A為固定點，位置始終保持不變，通過調整B、C液壓缸的位置實現測量平臺的調平和升降。傾角傳感器為一縱一橫正交布置，檢測出測量平臺的實時狀態，用于判斷是否精確調平及給出傾斜角度值，作為伺服控制閉環的反饋。平臺限制裝置用于支撐臺面，可避免稱重傳感器及液壓系統受到持續壓力和車輛駛入臺面時的瞬時沖擊。

圖1 調平與控制系統機械結構布局示意圖

1.2 液壓系統工作原理

液壓系統的硬件主要由液壓站(包含液壓泵、伺服電機、油源及附件等)、液壓缸、液壓控制閥組件等部分組成，其工作原理如圖2所示。測量平臺的調平與升降依靠對液壓系統各組件的控制來實現，最終由Y1、Y2升降液壓缸去執行。

圖2 液壓系統工作原理圖

系統采用恒壓變量泵控制系統壓力。油缸運動速度較小時，系統壓力達到工作上限，油泵輸出壓力達到恒壓點，在升壓過程中對蓄能器充油、穩壓，油泵電機消耗功率逐漸變小。平臺油缸運動速度較大時，蓄能器釋放能量，維持平衡系統工作壓力，油泵自動調整流量輸出，直到達到壓力上限。工作中系統意外斷電時，蓄能器為系統供油，滿足運動平臺短時連續工作，達到液壓系統的斷電保護功能。

液壓系統設計了無動力自鎖保護回路(11-12)，在系統突然斷電時能保證測量平臺當前的姿態，以保護測量平臺及被試車輛的安全。此時，可啟動安全保護程序，使測量平臺緩慢地停止在最低位置，以確保設備、被試車輛和人員的安全。

2 基于模糊PID的液壓自動控制

2.1 自動控制系統構成

系統采用PLC(可編程邏輯控制器)對液壓閥組件進行控制，自動控制系統的原理和流程如圖3所示。對測量平臺的調平與升降通過A/D、D/A轉換實現系統的連續控制，采用高精度縱、橫傾角傳感器檢測平臺的水平狀態及縱傾角度，并反饋給PLC形成閉環控制[5]。由于液壓傳動存在非線性，傳統PID的控制效果不太理想，經常出現超調量大、響應時間長等現象，模糊PID控制可較好地解決這個問題。

車輛質心測量前，將車輛駛入測量平臺并概略居中，系統上電，觀察軟件、傳感器及各項狀態參數是否正常，確定正常后啟動液壓系統。選擇自動運行方式(手動操作僅用于系統調試和故障處理)，對測量平臺進行精確調平，然后測量車輛的質量和水平方向(X、Y向)的質心位置。如要測量車輛的質心高度(Z向)，則進行平臺傾斜操作，輸入所需的傾斜角度，進行測量平臺的自動傾斜，精確到位后進行質心高度測量。最后，測量平臺歸位，車輛駛出平臺，測量完成，系統斷電。

2.2 模糊PID的自動控制策略

PID控制的適應性強，只要參數整定合適，適用于各種控制對象，但不能進行自適應控制。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制方法，是智能控制的一個重要分支，在自動控制領域得到了廣泛應用。模糊控制具有很強的適應性和魯棒性，能夠有效地處理系統的不確定性、測量的不精確性等模糊性，適合應用于非線性、時變和時滯控制系統中。將PID控制與模糊控制相結合，通過模糊邏輯算法整定出PID的3個參數，具有自適應的特性，能夠提高系統控制精度，測量平臺在自動調平與升降過程中更加平順和穩定，效率更高[6-9]。

圖3 自動控制系統

在測量平臺調平時，理想狀態是縱、橫傾角均為0，采用縱、橫傾角傳感器的偏差e、e′及其偏差變化率de/dt、de′/dt作為模糊PID控制的輸入變量。在測量平臺縱傾時，采用縱向傾角傳感器與輸入傾角值的偏差E及偏差變化率dE/dt、橫向傾角傳感器的偏差e′及偏差變化率dE/dt作為模糊PID控制的輸入量。控制原理如圖4所示，圖4中Δkp、Δki、Δkd是PID參數的修正值。在運行過程中，通過不斷檢測角度偏差實時修正控制參數，以適應不同時刻的角度偏差對控制參數的要求。

由于車輛質心測量的液壓系統是典型的低速重載系統，考慮到設備運行的安全性，在調平與升降過程中液壓缸的運動速度很低，在此采用了一種P-Fuzzy-PID的混合控制策略。先設定一個較大的閾值e1(調平)、E1(升降)和一個較小的閾值e2(調平、升降)、E2(升降)，然后利用偏差值與閾值進行比較，以判斷采用哪一種控制方式，控制程序流程如圖5、圖6所示。

圖4 模糊PID控制原理框圖

圖5 自動調平控制程序流程框圖

從圖5可以看出，自動調平的規則為：① 當偏差值|e|>e1且|e′ |>e1時，此時系統處于啟動階段，與調平要求差距較大，采用比例控制，能夠提高系統的響應速度，加快響應過程；② 當偏差值|e|

圖6 自動升降控制程序流程框圖

3 驗證

為解決車輛質心測量平臺使用中調平與升降超調量大、響應時間長等問題，驗證基于模糊PID的液壓自動調平與升降控制系統的穩定性和效率，對設備原有的傳統PID控制系統進行了基于模糊PID的控制改造。

在設備改造前后，在空載和負載條件下分別進行了調平與升降試驗。其中，負載試驗采用約20T鋼板代替車輛進行測量，如圖7所示。調平試驗縱、橫傾角傳感器的初始角度均置于0.3°，當縱、橫傾角傳感器的角度輸出值均穩定在區間[-0.012°，0.012°]之間時判定達到調平狀態。升降試驗在調平狀態下進行，傾斜角度均為10°，當測量平臺穩定到10°±0.012°時判定上升到位；下降則是上升反過程。每個狀態的調平與升降試驗均進行5次，取平均值作為最終試驗結果，如圖8所示。

圖7 調平與升降試驗現場

圖8 調平與升降試驗結果曲線

比較兩種控制模式下的曲線可見，采用模糊PID控制相比傳統PID控制，性能得到了明顯提高，主要體現在：① 測量平臺調平時減少了超調量和震蕩次數，提高了調平穩定性；② 調平與升降過程的響應速度顯著提升，空載狀態調平時間從約110 s縮短到約45 s，負載狀態調平時間從約100 s縮短到約45 s，空載和負載狀態下的傾斜10°的上升與下降時間從約150 s縮短到約100 s。

4 結論

液壓自動調平與升降控制一般采用傳統的控制方法，控制性能難以提高，容易出現超調量大、響應時間長等問題。本文采用模糊PID的自動控制策略對傳統的PID控制進行了改造，并進行了驗證，試驗結果表明，系統的調平穩定性和響應速度等方面的性能均有明顯提高。