双滚筒沥青拌合设备骨料计量系统模糊PID控制仿真研究

2016-09-14 07:30毛卫东1游小平2李湘2王蓉2殷浪2乐林2涂玮炜2

公路与汽运 2016年4期

关键词：控制参数变化率模糊控制

毛卫东1，游小平2，李湘2，王蓉2，殷浪2，乐林2，涂玮炜2

（1.佛山市南海中南机械有限公司，广东佛山 528247；2.长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙 410004）

双滚筒沥青拌合设备骨料计量系统模糊PID控制仿真研究

毛卫东1，游小平2，李湘2，王蓉2，殷浪2，乐林2，涂玮炜2

（1.佛山市南海中南机械有限公司，广东佛山 528247；2.长沙理工大学汽车与机械工程学院，湖南长沙 410004）

双滚筒沥青砼拌合设备计量系统骨料计量精度直接影响沥青砼的质量，由于常规PID控制参数调整的复杂性，稳态误差较大，导致骨料的计量精度受到很大影响。文中引入模糊控制理论，结合PID控制的优点，设计了一个模糊PID控制器来实现对骨料计量系统控制参数的在线自调整，并在MATLAB/Simulink环境中进行仿真，结果表明模糊PID控制能提高骨料计量系统的动态特性和稳态性能，从而提高其精度。

公路；路面机械；沥青拌合设备；骨料计量；PID控制器

双滚筒沥青拌合设备是主要应用于公路施工的一种拌和各种沥青混合料的再生设备。不同于其他间歇式设备，其骨料的计量是一个动态连续的过程，骨料的计量精度控制对沥青砼影响更大。目前使用的双滚筒沥青拌合设备的计量系统一般采用常规的PID控制，虽然其控制方法简单、鲁棒性能好，但其控制参数要预先设定，调节不灵活，而且容易受现场工作环境的影响，导致供料不稳定、计量精度差，达不到理想的控制效果。该文引入模糊控制，结合PID控制的优点，设计骨料计量系统模糊PID控制器，实现骨料计量系统控制的参数自调整，提高动态特性和稳态性能，从而使骨料计量更加精准。

1　骨料计量控制系统工作原理

双滚筒沥青拌合设备的骨料计量控制系统结构如图1所示。

图1　双滚筒沥青拌合设备骨料计量控制系统结构示意图

骨料通过给料机落到电子皮带秤的皮带上，骨料经过称重传感器时，重量信号会变成电压信号，然后经过信号放大器把电压放大。在同一时刻，测速传感器测得皮带运行速度，经过控制系统的处理，得到骨料的瞬时流量值和累积流量值，并将骨料的瞬时流量测定值和系统初始设定值对比得到偏差值。最后依据该偏差值对控制系统发出信号，经过变频器调整驱动电机转速，通过皮带速度调整控制骨料的供应量，保证骨料依据初始设定值均匀、稳定地进入搅拌滚筒中，实现骨料的动态计量。

2　模糊PID控制器设计

在双滚筒沥青搅拌设备中，骨料的计量容易受骨料来源不稳定、机械振动、骨料规格不一致等影响，对骨料计量的控制是一个动态变化的过程，常规PID控制给定的参数调整过程过于复杂，控制效果不好。模糊PID控制不需要建立精准的数学模型，在工程领域应用广泛。模糊PID控制将PID控制参数的整定经验和专家知识进行模糊化，运用模糊推理将其变为计算机可接受的控制模型，从而实时在线调整PID控制参数。其核心在于总结实践经验，建立适合的模糊控制规则表，得到适当的针对PID控制的参数。

2.1模糊PID控制系统结构与输入输出量的确定

骨料计量控制系统模糊PID控制器主要由模糊控制器和常规PID控制两部分构成，模糊推理也就是一个模糊控制器（如图2所示）。

图2　参数自调整模糊PID控制结构示意图

式中：k为采样序号；E（k）为第k次采样时的偏差值；E（k-1）为第k-1次采样时的偏差值；EC（k）=E（k）-E（k-1），为偏差的变化。

结合PID控制规律，骨料计量控制过程中，对于不同的偏差e和偏差变化率ec，参数KP、KI、KD自调整要求如下：

（1）当瞬时流量的偏差e较大时，不论误差的变化趋势如何，控制器的KP都应取较大值，以提高骨料计量系统的响应快速性；为防止因为瞬时流量偏差变化率ec瞬时过大，KD应取较小值；为控制超调，KI也应取较小值。

（2）变化率ec在中等大时，为保证系统的响应速度并控制超调，KP的取值应减少，KD的值也应较小，KI的值应适中。

（3）当瞬时流量的偏差e较小时，为保证系统具有良好的稳态特性，KP、KI应取较大值；为避免产生振荡及提高系统的抗干扰能力，当偏差变化率ec较小时KD应取较大值，当偏差变化率ec较大时KD应取适中值。

2.2各变量隶属度函数的确定

模糊控制器由2个输入和3个输出构成，2个输入变量即偏差e和偏差变化率ec，3个输出变量为PID控制器比例、积分、微分环节调节参数ΔKP、ΔKI、ΔKD的修正。输入变量e和ec的模糊子集为

如图2所示，骨料计量控制最后是通过PID控制器来实现的。骨料计量时，模糊控制器以通过皮带秤计量段的骨料瞬时流量实际值和初始设定值之间的偏差e和偏差变化率ec作为输入变量，经模糊推理，实现对PID控制器比例、微分、积分3个环节的调节参数KP、KI、KD的在线自调整，以满足各种偏差e和偏差变化率ec对控制参数的不同要求，使骨料计量系统具有更好的动态特性和稳态性能，从而提高计量精度。

常规PID控制算法为：［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，子集中元素分别代表负大（NegativeBig）、负中（NegativeMedium）、负小（NegativeSmall）、几乎为零（AlmostZero）、正小（PositiveSmall）、正中（PositiveMedium）、正大（PositiveBig），量化论域为e=［-3，-2，-1，0，1，2，3］；比例、积分、微分环节的3个输出变量ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊子集为［PB，PM，PS，ZO，NM，NS，NB］，量化论域为ec=［-3，-2，-1，0，1，2，3］。其输入输出变量的隶属函数均选择常见的三角形（trinif）。

2.3建立模糊控制规则表

根据PID参数的自调整要求和相关经验，建立输出变量ΔKP、ΔKI、ΔKD的模糊控制规则表（如表1～3所示）。

表1　ΔKP的模糊控制规则表

表2　ΔKI的模糊控制规则表

表3　ΔKD的模糊控制规则表

根据3个输出变量的模糊规则控制表，用“if…then…”语句得到模糊控制的49条控制规则：ifeis NBandecisNBthenΔKPisPB，ΔKIisNB，ΔKDisPS；ifeisNMandecisNBthenΔKPisPB，ΔKIisNB，ΔKDisNS；ifeisNSandecisNBthenΔKPisPM，ΔKIisNB，ΔKDisZO；…；ifeisPBandec isPBthenΔKPisNB，ΔKIisPB，ΔKDisPB。

选择界面法（GUI）实现设计的模糊控制器与Simulink的连接。先进入模糊逻辑（FIS）编辑器建立一个新的.fis文件，控制器类型选择Mamdani型；然后根据前文分析分别建立e、ec、ΔKP、ΔKI、ΔKD的隶属函数，在FIS编辑器中打开规则编辑器（RulerEditor），输入所得到的49条模糊控制规则，反模糊化选择最常见的重心法（Centroid）；最后将这个文件保存为FuzzyPID.fis，通过命令导入Simulink中。经过上述步骤把设计的模糊控制器导入Simulink中，为下一步模糊PID控制系统的建立做好准备，在输出曲面观察器（Suface）中可观察输出变量曲面（如图3所示）。