全向侧面防爆叉车液压马达自适应模糊控制技术

蔡宛涛，喻瑞波，胡盈真，李东雨

（1.河南省特种设备安全检测研究院，郑州 450000；2.南阳防爆电气研究所有限公司，南阳 473000）

0 引言

叉车是目前工业生产领域广泛应用的车辆，叉车结合了垂直提升技术和水平运输技术，具有运输、起重以及装卸的重要作用。叉车目前广泛应用于物流配送、厂矿等应用中。叉车的机动灵活性是评价其性能的重要指标，常规叉车仅可在宽敞作业环境中工作。伴随叉车应用性不断提升，叉车的应用范围扩大至军工、煤矿等场所中。叉车应用于特殊环境时，常规叉车已经无法满足特殊环境中叉车的应用需求。全向侧面防爆叉车的出现解决了常规叉车无法满足特殊环境作业的问题。

全向侧面防爆叉车可应用于易燃易爆环境中，在高密度以及狭小环境中，仍然可以实现高效作业。全向侧面防爆叉车是结合了吊装、叉装等众多功能的全面型叉车。全向侧面防爆叉车选取防爆蓄电池作为叉车运行提供能源，防爆蓄电池具有降低环境污染、使用成本低以及噪声较小的特点。防爆蓄电池利用较高的环境适应能力，在特殊环境中仍然具有较高的应用性能[1]。全向侧面防爆叉车可以解决狭小空间中，长体物品的搬运问题，全向侧面防爆叉车相比于普通叉车，增加了纵横向行驶功能。液压马达是全向侧面防爆叉车行驶过程中的关键执行元件，液压马达的控制性能决定了全向侧面防爆叉车的运行性能。液压马达控制性能较低时，容易造成全向侧面防爆叉车能量损失严重，液压元件高温以及发热的情况，影响全向侧面防爆叉车的防爆需求。

模糊控制方法具有超调小的特点，广泛应用于汽车动力传动系统中。模糊控制方法仅采用模糊信息处理方法，容易造成自适应能力差的缺陷。由于模糊控制中整定量化因子的过程过于复杂，模糊控制参数整定问题较为困难。目前针对液压马达控制的研究较多，王晓晶等人将BP神经网络应用于液压马达的模糊控制中[2]；沈伟等人利用自适应鲁棒积分实现液压马达的伺服位置控制[3]。以上两种方法均可以实现液压马达的有效控制，但是不具有普适性，应用范围受到限制。研究全向侧面防爆叉车液压马达自适应模糊控制技术，通过实验验证采用该技术控制液压马达，具有较高的低速稳定性，同时具有较高的传动效率，令全向侧面防爆叉车应用过程中稳定运行，提升全向侧面防爆叉车的运行安全性。

1 防爆叉车液压马达自适应模糊控制

1.1 防爆叉车液压马达数学模型

将全向侧面防爆叉车液压马达的伺服系统作为自适应控制技术的控制目标。不考虑全向侧面防爆叉车液压马达运行过程中的结构柔度以及弹性负载，对叉车运行的影响，建立以流量为输入，全向侧面防爆叉车液压马达的转角动态方程表达式如式(1)所示：

式(1)中，Lm与q0分别表示液压马达排量与伺服阀的空载流量；Kce与Vt分别表示液压马达的总流量与液压马达容积；ηe与ωh分别表示有效体积弹性模量以及液压固有频率；TL与ζh分别表示液压马达轴上的随机外负载力矩以及液压阻尼比。

通过式(1)获取全向侧面防爆叉车阀控液压马达的传递函数表达式如式(2)所示：

利用二阶振荡环节表示全向侧面防爆叉车液压马达的伺服阀的传递函数，可得表达式如式(3)所示：

式(3)中，Ksv与ωsv分别表示液压马达伺服阀的流量增益以及固有频率；Δl与ζsv分别表示液压流量变化以及伺服阀阻尼比。

可得全向侧面防爆叉车液压马达的齿轮减速传动比表达式如式(4)所示：

式(4)中，αm与βm分别表示液压马达转角以及输出轴转角。

全向侧面防爆叉车液压马达中，减速齿轮与丝杠的传递函数表达式如式(5)所示：

式(5)中，Xp表示齿轮转速。

1.2 模糊PID控制器的液压马达控制

利用模糊PID控制器作为全向侧面防爆叉车液压马达的控制方法，控制所建立全面侧面防爆叉车液压马达的数学模型。模糊PID控制方法是传统PID控制方法基础上，实现自适应调节控制的重要方法。可使用模糊PID控制方法的调节参数整定，实现全面侧面防爆叉车液压马达的控制需求。

全面侧面防爆叉车液压马达实际控制过程中，伺服执行机构容易受到工作环境以及外部负载影响，导致全面侧面防爆叉车液压马达工作过程中，执行结构参数不断改变。利用模糊PID控制器实时调整全面侧面防爆叉车液压马达的指定机构，实现PID控制参数的在线调节，提升全面侧面防爆叉车液压马达的控制性能。

利用模糊PID控制器控制全面侧面防爆叉车液压马达，控制结构图如图1所示。

通过图1模糊PID控制器控制结构图可以看出，设置液压马达实时输出的偏差e以及液压马达输出的偏差变化率e˙为模糊推理的输入。依据参数e与e˙，随着液压马达运行时间变化，利用模糊推理规则，在线修正PID控制参数中的Kp、Kl与KD，利用修正后的PID控制参数，实现全向侧面防爆叉车液压马达的自适应控制。

图1 模糊PID控制器控制结构图

模糊控制算法中的隶属度函数确定是决定控制性能的重要部分。隶属度函数曲线具有较大斜率时，液压马达伺服系统的分辨率较高[4]，此时控制器对系统的误差响应灵敏度较高；隶属度函数曲线的斜率较小时，模糊PID控制器对液压马达伺服系统控制误差的响应灵敏度较低，但是提升了液压马达伺服系统的控制稳定性。隶属度函数的选择对于自适应模糊控制器的控制性能影响极大。考虑全向侧面防爆叉车液压马达伺服系统误差较大时，控制灵敏度仍然较高。选取Z形函数作为模糊PID控制算法的模糊子集的负大（NB）函数，可得负大的隶属度函数表达式如式(6)所示：

式(6)中，x与y分别表示模糊PID控制的输出以及输出，a、b与c均为模糊控制参数。

选取S形函数作为正大（PB）的隶属度函数，可得正大的隶属度函数的表达式如式(7)所示：

选取三角形函数作为模糊控制算法中，其他子集的隶属度函数，可得表达式如式(8)所示：

全向侧面防爆叉车液压马达伺服系统输入变量的隶属度函数利用MATLAB软件中的Fuzzy模块绘制。

1.3 自适应权重PSO优化的模糊控制技术

模糊PID控制器的模糊控制规则中的最佳修正因子确定属于非线性优化过程，最佳修正因子在实际应用中较难确定。利用粒子群优化算法修正模糊控制规则，令全向侧面防爆叉车液压马达实际运行中，动态调整模糊控制器修正因子，实现自适应模糊控制技术的优化。

用ε表示修正因子，可得模糊控制规则的修正规则表达式如式(9)所示：

通过式(9)可以看出，液压马达实时输出的偏差e以及液压马达输出的偏差变化率e˙的加权，伴随修正因子的调整存在变化。自适应模糊控制技术实际运行中，依据液压马达的实际运行状况，设定不同的修正因子。

选取最佳的修正因子，改善自适应模糊控制技术，利用粒子群优化算法快速搜寻最优修正因子，实现控制规则的实时调整。选取ITAE积分性能指标，作为评价全向侧面防爆叉车液压马达控制性能的指标，可得粒子群优化自适应模糊控制的目标函数表达式如式(10)所示：

式(10)中，T与E分别表示时间与误差，I与A分别表示积分以及误差绝对值；J(ITAE)表示加权处理的误差函数积分值。

利用ITAE积分衡量自适应模糊控制性能，该指标可展示液压马达伺服系统的超调量、调节时间以及稳态误差等指标。

将式(10)转化为离散形式，可得表达式如式(11)所示：

式(11)中，λ表示粒子群优化算法获取的粒子适应度值。

采用粒子群优化算法优化全向侧面防爆叉车液压马达的模糊PID控制器的模糊规则修正过程，实现自适应模糊控制过程如下：

1）利用粒子群优化算法的粒子表示模糊控制器的修正因子，初始化粒子群内的n个粒子。粒子群内粒子的初始位置以及初始速度为随机生成；

2）依据粒子当前位置以及当前速度生成粒子的新位置；

3）计算各粒子运动至新位置的适应度值，求解新位置各粒子与自适应模糊控制技术的ITAE积分性能指标。新位置的积分性能指标优于原粒子时，利用粒子的新位置代替原有位置[5]，新位置的个体最优解设置为此时粒子群算法的当前适应度；

4）依据粒子群内各粒子的个体最优解，获取自适应模糊控制技术的全局最优解；

5）更新粒子群内各粒子的速度与位置；

6）判断是否满足自适应模糊控制的终止条件，满足时，转至下一步；否则返回至步骤3）

7）输出当前的最优粒子位置，该粒子输出结果即优化后自适应模糊控制技术中模糊控制器的修正因子。采用输出的修正因子调整自适应模糊控制的控制规则，利用完成优化的自适应模糊控制技术控制全向侧面防爆叉车液压马达。

2 实例分析

为了验证所研究全向侧面防爆叉车液压马达自适应模糊控制技术对全向侧面防爆叉车液压马达的控制性能，将该技术应用于某全向侧面防爆叉车液压马达中，利用MATLAB软件建立全向侧面防爆叉车模型。通过全向侧面防爆叉车模型的运行结果，验证本文技术的自适应控制性能。

所建立全向侧面防爆叉车模型的基本参数如表1所示。

表1 全向侧面防爆叉车参数

叉车为空载状态时，采用本文技术控制全向侧面防爆叉车液压马达的控制结果如图2所示。

图2 空载时控制结果

通过图2实验结果可以看出，全向侧面防爆叉车为空载工况时，采用本文技术控制全向侧面防爆叉车，横摆角速度波动性明显小于采用PID控制技术以及采用模糊PID控制技术时。相比于单一控制技术，本文技术可以在全向侧面防爆叉车空载状况时，获取良好的控制效果，提升全向侧面防爆叉车的运行安全性。采用本文技术控制全向侧面防爆叉车的横摆角速度以及车身侧倾角明显低于采用PID控制技术以及采用模糊PID控制技术，验证本文技术具有良好的控制效果。

叉车为满载状态时，采用本文技术控制全向侧面防爆叉车液压马达的控制结果如图3所示。

图3 满载时控制结果

通过图3实验结果可以看出，全向侧面防爆叉车为满载工况时，采用本文技术控制全向侧面防爆叉车的横摆角速度以及车身侧倾角均小于未采用模糊控制以及采用模糊PID控制技术时。实验结果验证本文技术可以实现全向侧面防爆叉车液压马达的有效控制，降低全向侧面防爆叉车运行时候的侧倾角变化，令全向侧面防爆叉车维持稳定运行状况。同时本文技术具有良好的横向控制稳定性，相比于仅采用PID控制技术以及采用模糊PID控制技术，本文技术具有更优的自适应控制效果，可以保证全向侧面防爆叉车稳定运行。

统计采用本文技术控制全向侧面防爆叉车液压马达，不同转速情况以及不同压力变化时，液压马达的机械效率统计结果如图4所示。

图4 液压马达运行的机械效率

通过图4实验结果可以看出，全向侧面防爆叉车液压马达在不同转速以及不同压力时，均可以保持90%以上的机械效率。本文技术控制全向侧面防爆叉车液压马达，具有较高的机械效率，验证本文技术控制全向侧面防爆叉车在压力冲击以及超载情况下，可以良好地适应负载变化，提升叉车的全向侧面防爆性能。

统计采用本文技术控制全向侧面防爆叉车液压马达时，不同转速情况以及不同压力时，液压马达的泄漏量统计结果如图5所示。

图5 液压马达泄漏量统计结果

通过图5实验结果可以看出，不同压力以及不同转速情况下，采用本文技术自适应控制全向侧面防爆叉车液压马达的泄漏量均低于200cm3/min。采用本文技术自适应控制全向侧面防爆叉车液压马达，在低压、高压以及不同转速运行工况下，均具有较高的控制性能，保证全向侧面防爆叉车液压马达维持较高的传动效率，满足全向侧面防爆叉车速度以及压力变化的运行需求。

3 结语

全向侧面防爆叉车液压马达运行过程中具有时变以及不确定性的复杂特征，全向侧面防爆叉车通常运行于复杂环境中，液压马达的控制性能极为重要。研究全向侧面防爆叉车液压马达自适应模糊控制技术，所研究自适应模糊控制技术具有较高的自适应能力，动态调整能力较高。通过实验验证该方法具有较高的低速稳定性，传动效率高，可以提升全向侧面防爆叉车在不同工况时的驱动效率，在全向侧面防爆叉车空载行驶以及满载行驶时，均具有较高的控制性能，应用前景广泛。