1、第19卷第6期2003年11月農業工程學報T ransactions of the CS AE V ol. 19N o. 6N ov. 2003液壓挖掘機節能參數自適應模糊PID 控制器研究金立生, 趙丁選, 丁德勝, 葉忠軍(吉林大學機械科學與工程學院, 長春130025摘要:從節能角度出發, 提出了一種新的液壓挖掘機節能控制方法參數自適應模糊PI D 控制系統:根據工況的變化, 模糊控制系統實時計算出適合條件的控制參數輸入PI D 控制中, 從而實現最佳的實時控制?；诖朔椒ㄟM行了仿真和臺架試驗, 結果證明本控制系統優于傳統的PI D 控制方法。關鍵詞:液壓挖掘機; 自適應控制; PI D

2、 模糊控制; 節能; 仿真中圖分類號:T U621文獻標識碼:A 文章編號:100226819(2003 0620087204 收稿日期:2003201206修訂日期:2003203231基金項目:國家自然科學基金項目(59705005 ; 機械部跨世紀優秀人才專項基金資助項目(96250404作者簡介:金立生(1975- , 男, 山東濰坊人, 博士生, 長春市人民大街142號吉林大學南嶺校區機械科學與工程學院機械電子工程系,1300251引言近年來, 隨著國民經濟的高速發展, 液壓挖掘機在農業中的需求量越來越大, 被廣泛應用于各項農田水利建設及農業開發中。與此同時, 由于液壓挖掘機工作條件

3、惡劣, 載荷變化大, 使發動機經常偏離低油耗區工作, 機器性能得不到充分發揮, 尤其是液壓系統能源消耗更為嚴重, 造成大量能源浪費。液壓挖掘機的“節能”問題已經受到了業內人士的普遍關注。目前, 國外在這方面的研究已經比較成熟, 主要是采用分工況控制系統1。而國內, 這方面的研究正在進行中, 以浙江大學馮培恩教授領導的研究小組在這方面處于國內領先水平。吉林大學一直從事電控液壓技術研究, 并從1996年開始涉足挖掘機節能技術, 對液壓系統節能問題有較深的研究。為推動我國液壓挖掘機節能技術的發展, 本文首次將參數自適應模糊PI D 控制方法引入到液壓挖掘機的節能控制中, 試研制一新型控制器, 克服傳

4、統控制方法不能實現精確控制的缺點。2節能原理通過分析, 液壓挖掘機的能量損失主要包括三個方面:(1 發動機與液壓泵功率不匹配造成的能量損失; (2 液壓系統溢流閥損失; (3 滑閥的壓差損失。借鑒國外先進理論, 本文提出如下節能模式:液壓挖掘機在實際工作時, 根據其工作情形, 可以將其分成以下幾個動力模式:重載模式H (重視挖掘機的生產效率即發動機在全功率工況下工作, 對應發動機額定轉速2500r/min 、經濟模式E (重視節約燃油, 對應全功率時轉速的85% 、輕載模式L (進行精細作業, 對應全功率時轉速的65% 、怠速模式I (挖掘機不工作, 對應轉速約為650r/min 。具體來說,

5、 在某一模式下, 根據發動機轉速的變化和液壓泵出口處壓力情況, 通過調節變量泵的排量, 使變量泵的功率始終跟蹤發動機的輸出功率, 使發動機的轉速始終保持在規定的低油耗區范圍內, 從而實現節能。3控制系統的構成考慮到液壓挖掘機作業循環的多工況, 以及外負載的多變化, 使比例驅動系統面臨著強烈的干擾, 加上各回路液壓缸活塞桿位移對桿件轉角具有傳動比等因素, 給系統辨識帶來很大的困難, 從而難以得到精確的數學模型。若采用傳統PI D 控制, 則會產生一個很大的超調量, 使系統不停的震蕩。而模糊控制作為一種智能控制理論, 它不需要系統的精確數學模型, 只依據操作人員的經驗和專家的知識, 經一定的數據處

6、理后, 形成若干條規則, 作為模糊控制規則, 然后仿照人腦的模糊推理過程, 確定推理法則, 最后作出模糊決策, 去執行具體的動作。借助于模糊控制理論的優點, 為更好的解決上述問題, 本文擬研究一新型的控制器參數自適應模糊PI D 控制器對變量泵進行控制, 而采用位置液壓缸控制油門的位置, 控制系統的構成見圖1。本文主要介紹變量泵的控制。圖1參數自適應模糊PI D 控制系統結構圖Fig. 1S tructure figure of PI D fuzzy controlsystem with self 2tuning parameters4油門控制當操縱者設定某一動力模式后, 只有當挖掘機長時間超

7、載或挖掘機處于不工作的條件下, 才對油門位置進行控制。當油門位置固定以后, 在其他條件下, 只改變78變量泵的排量, 使變量泵的功率始終匹配發動機的功率。為此采用位置液壓缸來精確地控制油門位置。通過它與油門機械連接起來實現重載、正常、輕載、怠速等的不同工況下發動機油門位置的控制。它的動作指令來自數字控制系統, 其外形可如圖2所示。這種液壓缸的技術已經相當成熟且被系列化, 配置在掃雪車、鉆孔機、液壓挖掘機及林業機械上。 圖2位置調整式液壓缸Fig. 2Hydraulic cylinder with positionadjustment5參數自適應模糊PI D 控制器5. 1控制器的原理與參數自整

8、定規則傳統PI D 控制器的作用可通過下式表示u (k =k P e (k +k I ki =0e (i +k D ec (k 其增量式為u (k =k P e (k +k I e (k +k D ec (k -ec (k-1 式中u (k , u (k 控制器的輸出值和輸出增量; e (k =n -n (k , n , n (k 發動機給定轉速和實際轉速; ec (k =e (k -e (k -1 轉速偏差增量; k P , k I , k D 比例、積分和微分系數。k P 的作用在于加快系統的響應速度, 提高系統的調節精度, 但k P 過大將導致系統不穩定。k I 的作用在于消除系統的穩態

9、誤差。而k D 的作用在于改善系統的動態性能。 考慮到實際情況, 本文采用了參數自適應模糊PI D 控制器, 其實現思想是先找出PI D3個參數與偏差E 和偏差變化率EC 之間的模糊關系, 在運行中通過不斷檢測E 和EC , 再根據模糊控制原理來對3個參數進行在線修改, 以滿足在不同E 和EC 時對不同參數的不同要求, 使控制對象具有良好的動、靜態性能。根據參數k P 、k I 、k D 的作用, 在不同的E 和EC 下, 系統的調節對參數k P 、k I 和k D 的自整定要求可簡單地歸納為1 當|E |較大時, 為加快響應速度, 并避免E 瞬間變大, 應取較大的k P 和較小的k D ,

10、同時為防止積分飽和, 避免系統出現較大的超調, 應使k I =0。2 當|E |和|EC |中等大小時, 為減小超調, 應取較小的k P , 適當的k I 和k D , 特別是k D 對系統的影響比較大。3 當|E |較小時, 為使系統具有良好的穩態性能, 應增大k P 和k I 的值, 同時為避免系統在設定值附近震蕩, 并考慮抗干擾性能, 應取適當的k D , 即|EC |較小時, k D 取中等大小, |EC |較大時, k D 取小些。5. 2各變量隸屬度函數的確定與建立參數調節規則表由圖1可見, 參數校正部分實質是一個模糊控制器, 其輸入語言變量是偏差絕對值|E |和偏差變化率絕對值|

11、EC |, 在本系統中分別是轉速偏差絕對值|e |(即實時檢測的轉速與設定轉速之差 和轉速偏差變化率的絕對值|e |。而輸出語言變量為k P 、k I 和k D 。在控制系統中, 選用的發動機為6102BG, 設定轉速偏差|e |與轉速偏差變化率|e |的基本論域分別為0, 50和0, 30, 考慮到系統采用的變量泵為A7V40EP1LPF00, k P 、k I 和k D 的基本論域分別取為0, 20、0, 10和0, 0. 05, 若選定|E |、|EC |、k P 、k I 和k D 的論域X 、Y 、Z P 、Z I 和Z D 都為0, 1, 2, 3。根據基本論域與論域X 、Y 、Z

12、 P 、Z I 和Z D , 可以分別求出對應的量化因子k X 、k Y 、k KP 、k KI 、k K D 。對于語言變量|E |、|EC |、k P 、k I 和k D 分別取四種模糊語言值:零(Z 、小(S 、中(M 、大(B 。模糊控制實踐證明, 模糊控制過程對于語言變量值的隸屬函數形狀并不敏感, 只是對隸屬函數的范圍有一定的敏感。根據經驗, 為了實現和處理方便, 本控制系統為|E |、|EC |、k P 、k I 和k D 均選用三角形隸屬函數。|E |、|EC |的隸屬度函數見圖3, k P 、k I 和k D 的隸屬度函數見圖4。圖3|E |和|EC |的隸屬度函數Fig. 3

13、Membership degree function of |E |and |EC|圖4k P , k I 和k D 的隸屬度函數Fig. 4Membership degree function of k P , k I and k D上述在線自整定PI D 參數的模糊控制器是雙輸入三輸出。當確定好輸入輸出的模糊量后, 就要尋找一組整定PI D 參數的模糊控制規則, 實際上此控制規則就是對k P 、k I 和k D 的調節規則。根據前面所述的參數自整定原則和專家的經驗, 建立起表1所示的參數調節規則表。表1k P 、k I 和k D 的調節規則表T able 1Adjust ruler of

14、k P , k I and k D|EC |E |Bk P k I k DMk P k I k DSk P k I k DZk P k I k DB M Z S S S B M S Z Z S M M B Z M M S B B B S S M M Z B Z B M Z M B M M Z S M5. 3模糊推理首先計算出某一時刻的e (k 值, 從而得到ec (k =e (k -e (k -1 , 再分別乘以各自的量化因子后根據圖3求出|E |、|EC |的隸屬度。根據調節規則表1經相應的推理計算后, 得出k P 、k I 和k D 的模糊語言值, 求出對應的隸屬度, 最后用重心法進行模糊

15、判斷后再乘以各自的量化因子, 就可以得到k P 、k I 和k D 的精確調整值。實際上, 對于一個特定的輸入量, 它最多只能模糊化為兩個模糊量, 即它對應只有兩個模糊量的隸屬度不為0, 其余都為0。例如, 如果由某時刻|E |、|EC |計算出的u ME (|e | 、u B E (|e | 、u MC (|e | 、u BC (|e | 均不為零, 這時根據表1的k P 調整規則有以下四個推理語句: 1:if |E |=B and |EC |=M then k P =B 2:if |E |=B and |EC |=S then k P =B 3:if |E |=M and |EC |=M

16、then k P =M 4:if |E |=M and |EC |=S then k P =M 相應的隸屬度計算如下u KP B (1 =u Be (|e | u Mec (|e |u KP B (2 =u Be (|e | u Sec (|e |u KPM (1 =u Me (|e | u Mec (|e |u KPM (2 =u Me (|e | u Sec (|e |將以上隸屬度進行合成, 得到如下u KP B =u KP B (1 u KP B (2u KPM =u KPM (1 u KPM (2由于u KPZ 與u KPS 均為0, 所以將u P 按中心法進行模糊判決, 在乘以量化因

17、子u KP 即可得出參數u P 的精確整定值為u P =u KPM +u KP B×k KP同理, k I 和k D 參數的模糊推理和運算過程與u P 相同。由此在線整定求得的k P 、k I 和k D 的值, 即可直接輸出作為傳統PID 控制器參數的整定值, 從而實現了模糊PID 參數的自整定。6控制系統的仿真比較與臺架試驗6. 1系統仿真比較為了驗證建立的參數自整定模糊PI D 控制器的有效性, 本文借助Matlab6. 2的Simulink 功能, 比較參數自整定模糊PI D 控制和普通PI D 控制在輸入信號為單位階躍函數的作用下的輸出響應曲線(見圖5所示 。其中普通PI D

18、 曲線的k P 、k I 、k D 是根據推導出的傳遞函數求解得出, 分別為:40,0. 4,5; 采樣時間為10ms 。圖5系統對階越信號輸出響應Fig. 5Output response to step signal of the system從圖5可看出, 采用參數自整定的模糊PI D 控制器比常規PI D 控制器的系統超調量明顯減小, 同時調整時間大大縮短, 從而全面地改善了系統的動態性能。6. 2節能控制系統臺架試驗控制系統完成后, 在吉林大學挖掘機節能試驗臺進行了臺架試驗, 主要是驗證控制系統的實際運行效果及所提出的理論與所建立系統是否合理及可靠。并觀察此方案在實際應用中的其它問題

19、。在本次試驗中用到的儀器和設備主要有:(1 北京華德北液液壓設備制造有限公司生產的A7V40EP1LPF00型電控變量泵, 其排量與輸入電流成線性關系。(2 加載裝置本文采用了華德生產的DBE M10-30/ 200Y M 型電控溢流閥,BE M10-30/200Y M 型電控比例溢流閥是一種錐閥式結構的先導式比例溢流閥, 結構比較簡單, 安裝調試, 重復性精度和線性好, 通流能力強, 能夠根據輸入信號的變化無極調節系統的壓力。(3 兩套VT 2000型電液比例控制器, 分別用于控制變量泵的排量和電控溢流閥的壓力。(4 轉速傳感器采用的是CT 552型光電轉速表來測量發動機的轉速。(5 壓力傳

20、感器采用的是中國航天科技集團公司第七零一研究所生產的AK 1型壓力傳感器, 測量范圍020MPa , 允許過載20%。試驗(僅以經濟模式為例 共分兩部分:(1 發動機油門及各傳感器的標定試驗。進行試驗之前必須獲得本工況下油門相對于基準點的位置, 作為本工況下的標定油門位置。對于輕載模式, 標定試驗結果見表2。(2 性能試驗。輕載模式工況下獲得的試驗結果(見表3 , 表中偏差為測量值與本工況下最優轉速的差值。試驗設定的起調壓力為2MPa , 溢流閥開啟壓力為12MPa , 表中“3”表示工況已經發生變化, 發動機處于怠速狀態, “-”表示報警指示燈不亮, “+”表示報警指示燈亮。試驗結果表明,

21、開始時由于壓力波動比較大, 出現了偏差超出允許值, 但總的說來, 結果比較理想, 控制系統基本合理。表2發動機油門位置標定試驗結果T able 2Demarcate experimental results of theengine eccelerator position工況次數 載荷/MPa轉速/r min -1偏差距基準點位置/mm平均值/mm15. 71755512. 6輕載25. 51754412. 612. 5 35. 31746-412. 3表3輕載L 模式下的試驗結果T able 3Experimental results under light power m ode試驗項目

22、試驗組數123456壓力/MPa 2. 34. 86. 88. 610. 711. 8轉速/r min -1180217661748173817303646偏差/r min -15216-2-12-203報警指示燈-+7結論由于參數自適應模糊PI D 控制器在參數k P 、k I 和 k D 與轉速偏差E 和偏差變化率EC 之間建立了在線自整定的基于人的經驗和智能的關系, 從而使系統在不同的運行狀態下對常規PI D 控制器的參數實現了智能調節, 因而它在改善被控過程的動靜態性能、提高抗干擾能力及對參數的時變的魯棒性等方面均優于傳統的PI D 調節。通過試驗證明該節能控制系統性能穩定、效果良好,

23、 在挖掘機節能控制方面具有較好的應用前景。由于開始時壓力波動大, 控制器的控制效果受到較大影響, 如何合理調整控制規則, 改善控制性能, 需要在今后進一步進行研究。參考文獻1黃宗益. 液壓挖掘機分工況控制J.建筑機械,1998(1 :2832.2高峰, 馮培恩, 潘雙夏, 等. 液壓挖掘機節能控制綜述J.工程機械與維修,2001(12 :4043.3曹恒, 孫寶元, 段軍, 等. 柴油機模糊自校正PI D 控制器J.大連理工大學學報,2000(4 :465469.4劉駿躍. PI D 參數的模糊整定器研究J.自動化與儀器儀表,2001(5 :2022.5丁仲毅, 劉晉軍. 液壓挖掘機節能控制系統的研究與開發J.建筑機械,2000(6 :4951.6彭天好, 楊華勇, 傅新. 液壓挖掘機全功率匹配與協調控制J.機械工程學報,2001(11 :5053.7郭曉方, 李偉哲, 黃宗益. 液壓挖掘機的發動機-泵的聯合控制系統研究J.同濟大學學報,1999(3 :333336.E nergy 2sa