车辆液压自发电系统的模糊自适应控制仿真.pdf

2 0 1 0年 5月 第 3 8卷 第9期 机床与液压 MAC HI NE T OOL HYDRAUL I CS Ma y 2 01 0 V0 1 ． 3 8 No ． 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 9 ． 0 3 4 车辆液压 自发电系统的模糊自适应控制仿真 冯殿军 ，朱晓明 ， 侯文礼 1 ．兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．兰州电源车辆研究所有限公司， 甘肃兰州7 3 0 0 5 0 摘要针对车辆液压 自发电系统中存在的参数时变性、死区非线性等问题，提出利用模糊自整定 P I D控制器对整个系 统控制。通过对 P I D参数在线 自调整，改善系统的动态性能。利用 MA T L A B对系统进行建模与仿真，仿真结果表明模糊 自整定 P I D控制器能够明显改善由于负载扰动带来的稳态误差 ，改善被控过程的稳态和动态性能，提高系统控制精度和抗 干扰能力，使整个系统具有较强的鲁棒性。 关键词液压 自发电系统；模糊自整定；MA T L A B；P I D控制器 中固分类号U 2 7 3 ． 9 5 T P 2 1 1 ． 3 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 f 2 0 1 0 91 0 7- 3 Ad a p ti v e F u z z y Co n t r o l S i mu l a tio n f o r t h e Hy d r a uli c S e l f - g e n e r a ti n g S y s t e m i n Ve h i c l e F E N G D i a n j u n ．Z H U X i a o m i n g ，H O U We n l i 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c a l E n g i n e e r i n g ，L a n z h o n U n i v ． 0 f T e c h ． ，L a n z h o n G ans u 7 3 0 0 5 0，C h i n a ； 2 ． L a n z h o u P o w e r S t i o n V e h i c l e I n s t R u c t i o n C o ． ，L T D ． ， z h o u G a n s u 7 3 o 0 5 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T o s o l v e t h e p r o b l e ms s u c h a S t i me v a r i a b l e p a r a me t e r s，n o n l i n e a r d e a d z o n e o f t h e h y d r a u l i c s e l f - g e n e r a t i n g s y s t e m i n v e h i c l e ，a f u z z y s e l f - t u n i n g P I D c o n t rol l e r w a s p ro p o s e d t o c o n t r o l t h e w h o l e s y s t e m ．T h r o u g h o n l i n e a d j u s ti n g P I D p ara me t e r s ，t h e s y s t e m d y n a mi c r e s p o n s e p e r f o r ma n c e Was i mp rov e d ． Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f t h e s y s t e m we r e ma d e u s i n g MA T L AB． T h e s i mu l a - t i o n r e s u l t s d e mo n s t r a t e tha t t h e f u z z y s e lf - t u n i n g P I D c o n t r o ll e r c a n o b v i o u s l y i mp r o v e t h e s t e a d y - -s t fi t e e r r o r b rou g h t b y l o a d d i s t u r b - a n t e ，i mp rov e t h e s t a b i l i t y a n d d yn a mi c c h ara c t e r i s ti c s o f the c o n tr o l l e d p r o c e s s ，i n c r e a s e s y s t e m c o n t r o l p r e c i s i o n a n d ant i d i s t u r b - an c e a b i l i t y，e n a b l e t h e o v e r a l l s y s t e m h a v e s t ron g r o b u s t n e s s ， Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s e l f - g e n e r a t i n g s y s t e m；F u z z y s e l f - t u n i n g ；MAT LA B；P I D c o n t r o l l e r 常规 P I D控制器是最基本、应用最广泛的一种控 制器，它具有简单、稳定、可靠等优点。电液伺服系 统的传统控制均采用 P I 或 P D的控制方法，该方法对 模型的依赖性较强，受控制系统模型的非线性和时变 性影响较大，而液压系统是多变量、非线性的时变系 统，很难建立液压系统精确的数学模型，常因油温、 负载参数变化使输出不稳定而影响系统性能，控制系 统的鲁棒性较差。因此传统的P I D控制方法很难保证 所设定的电液伺服系统参数在整个系统变化范围内最 优。而模糊控制理论避开了建立精确数学模型的困 难，注重长期积累的操作经验，对调节被控系统的参 数变化具有较强鲁棒性，是一种非线性的控制方法。 1 车辆液压自 发电系统结构原理及数学建模 1 ． 1 系统 结构原理 图 1 为液压 自发电系统的组成原理图，泵控马达 系统为柴油发动机与发电机间的柔性传动部分。取力 器从汽车发动机提取动力驱动变排量液压泵 ，变量泵 输出高压油通过液压管道驱动定排量液压马达，马达 图 1 液压自发电系统结构原理图 带动负载发电机。通过调节变量泵的斜盘可改变泵的 排量 ，从而改变输出到液压马达的高压油流量。由于 马达为定排量马达，所以马达输入流量直接对应马达 输出速度，即对应于发电机输出的发电频率。在发动 机转速变化时，由比例阀控液压缸系统调节泵斜盘 ， 适应转速变化保持泵输出流量恒定。油缸的位置通过 内部机械反馈到比例阀的阀芯，构成一个内部闭环位 置控制系统。同时速度传感器、电子控制器构成外部 收稿日期2 0 0 9 0 5 0 9 基金项目科研院所技术开发研究专项基金 N c s rI ’E 0 0 6 _ J K z x 一 1 4 6 作者简介冯殿军 1 9 8 l 一 ，男，河南开封人，硕士生，研究方向为汽车系统动力学与计算机仿真。电话1 3 6 5 9 4 4 8 4 7 6 ， Em a i l f d j j q w l h mt o m ． c o rn。 1 0 8 机床与液压 第3 8卷 LC -- A p 警 老 c A d 2 X pB p d Xp KX p 2 墼 聋 ㈥ A f ＼ p r c 。 d 0 m ’ D m 5 一Kr％ r C,[ s TL ㈤ 。 1 ＼ h ， 图2 整个系统传递函数方框图 综合阀控液压缸和泵控马达系统两部分传递函 数，可绘出整个 系统的传递 函数方块图如图 2所 示 。 2 模糊 P I D参数自整定控制器的设计 2 ． 1 模糊 P I D参数 自整定控制器结构 ， f 曛 二 。 P ID 控 制 器 被 控 对 象 1 盆 图3 模糊 P I D自整定系统结构原理图 模糊 自整定 P I D控制器的系统结构主要由参数可 调的 P I D控制器和模糊控制器两部分构成 ，其结构如 图3所示。采用模糊推理计算方法对 P I D参数 K 口 、 K、 进行在线整定 ，以满足不同的误差 e 和误差变 化率 e c 对控制器参数的要求 ，而使被控对象具有良 好的动态、静态性能。模糊控制器以误差 e 和误差变 化率 ∞作为输入 ，修正参数 △ 、A K、△ 为输出 的，则 P I D控制器输出的参数 、K、 为下式所 示， 其中砭、 、砭为预整定值。 K K K K i K i △ K △ 2 ． 2 模糊 P I D参数 自整定原则 常规 P I D控制器的表达式为 u ㈤ K p K e ￡ d ￡ 从 P I D控制特点可知积分作用强 ，系统的超调 量大，响应快；微分作用强，系统稳定性好，超调量 小，抑制干扰能力下降。针对不同阶段的I e l 和I e c l ， 参数 K、 、 的整定原则如下H ] 1 被控量接近给定时，与 e t 同号的积分作 用能避免积分超调和振荡，有利于控制；当被控量远 离给定值时，与 e t 相反的比例作用将会减少超调， 避免振荡。 2 调节前期， 适当加大，K 取较小值或 0 ， 可避免超调 ，提高响应速度；中期 、K 适中，兼 顾稳定性与控制精度；后期 减小，K 适当增大， 以消除误差，抑制超调。 3 微分系数 可以抑制被控量变化 ，缩短调 节时间，减少稳态误差，是对 、K j 的补充；当 l e c I 较大时 可以取小些 ；l e c l 较小时 可以取大 一 些 。 2 ． 3 各变量隶属度函数的确定 由图 3可知用于 P I D参数整定的模糊控制器采用 第 9期 冯殿军 等车辆液压 自发电系统的模糊 自适应控制仿真 1 0 9 的是二输入三输出的形式。以 I e l 和 I e c I 作为输入， 以 、A K i 、A K d 为输出。输入语言变量 e 和 e c的 论域均为e 、e c { 一 3 ， 一 2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 } ，其模糊集 为E、E C{ N B， N M， N S ， Z O， P S ， P M， 朋 } ，它们分别 表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。输 出语 言 变 量 △ 、A K i 、A 的 论 域 为△ { 一 0 ． 3 ，一0 ． 2 ，一0 ． 1 ， 0 ， 0 ． 1 ， 0 ． 2 ， 0 ． 3 } 、△ K 蓄 { 一 0 ． 0 6 ，一0 ． 0 4 ，一0 ． 0 2 ， O ， o ． 0 2 ， o ． 0 4 ， o ． 0 6 } 、△ 俩 { 一3 ， 一 2 ， 一1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 } ， 其模糊集与 E相同。其隶 属度函数分布图分别为图 4至图 6所示 。 图4 e 、e c 及 隶 属度函数分布图 l 籁0 ． 8 嚣 描 0 ． 2 0 图5 △ 隶属度 图6 △ 隶属度 函数分布图 函数分布图 2 ． 4 模糊控制规则和控制量的精确化 模糊规则通常是由实际的控制经验总结出来的， 该模糊器是根据采用常规 P I D仿真曲线和上述 P I D参 数调整原则来拟定模糊控制规则。控制规则如表 1 。 模糊控制量的精确化又称解模糊 ，目前常用的方法有 最大隶属度法、中位数法、加权平均法。由于中位数 法具有平滑的输出规则 ，因此文中采用中位数法来确 定模糊推理的最终输出值。 表 1 △ 、A K、A 模糊控制规则表 3 系统仿真及分析 系统采用 MA T L A B中的 S I M U L I N K动态仿 真软 件，由上述系统传递函数方框图2和模糊 P I D自整定 系统结构图3可建立液压 自发电系统模糊控制仿真模 型如图 7所示。对系统进行仿真，结果如图 8所示， 童1 2 I 羽 霹 口 f， Pr o P o r t i o n a l 1 由图8和图9比较可知采用模糊 自整定 P I D控制曲线 超调量比较小，在 t 0 ． 3 S 突加负载扰动，此情况下 采用模糊 自整定 P I D控制比常规 P I D调整速度快 ，抗 负载扰动能力强。模糊自整定 P I D控制的动态性能优 于 P I D，同时又具有 P I D的稳态性能好的特点。 Pr o p o r tio n a l 3 p or t i o u a l S P I D 时问／ s 图8 模糊自整定 P I D控 制马达转速曲线 l 1 1 司 嘏 日 1’ 图7 液压自发电系统模糊控制仿真结构图 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ．8 1 时间， | 图 9 常规 P I D控制 马达转速曲线 4结 论 作者针对车辆液压 自发电系统特点 ，提出采用模 糊 自整定 P I D控制策略，仿真结果表明模糊 自整定 P I D控制无论在改善被控过程的动态性能还是抗负载 扰动能力方面均优于常规 P I D 。通过仿真，从理论上 证明采用模糊 自整定 P I D控制的自发电系统马达输出 转速能够保证发电机发电满足 G J B 2 3 5 A- 9 7中规定的 下转第 1 1 6页 1 1 6 机床与液压 第 3 8卷 C C c o 0 一s i 0 1 O s i 0 c o O 0 0 c o s T s i n T 0 s i n T c o s T 0 0 0 1 0 O O 因此，部件 i 在局部坐标系下的运动可用变换矩 阵 A f 1 - 1 ] B 来表示，在世界坐标系下，部件 i 的运动变换矩阵 可以从 开始，沿运动链上 溯到世界坐标系为止，将所有部件运动矩阵相乘而得 ToT1 o l ⋯ 一 根据 可求某部件 f 在世界坐标系中的每一步 运动和位置变化。以下是相应代码 c l a s s C PS Mo v e me n t P u b l i c C PS i mu l a t i o n { CGLMa t r i x m M a t r i x T ； ／ 记 录局部 坐标 系下 的变 换矩阵T I f i - J 1 ； CGLMa t r i x m M a t r i x W； ／ ／ 记录在世界坐标系下 总的变换矩阵 T ； CGL Ma t r i x m Ma t r i x R； ／ ／ 记录 A i f i 川 C VP a r t m p P a r e n t P a r t ； ／ ／ 父 部 件 指 针， C V P a r t 零部件完整模型类 v e c t o r m A r r a y P a r t ； ／ ／ 子部件列 表 i n t m _F o d T y p e ； ／ ／ 自由度类型 flo a t m _Mo v e P a r a ； ／ ／ 运动参数 f l o a t m _Ma x， m_Mi n ； ／ ／ 自由度的范围 v o i d I n i t ； } 其中，m Ma t r i x T、m M a t r i x W 、m F o d T y p e和 m _Mo v e P a r a 是描述运动仿真子模型属性的参数，m p P a r e n t Pa r t 、 m _Ar r a y P a r t 、 r e _Max 和 m M i n用 于定义 该运动仿真子模型与其他运动仿真子模型之间的关 系。 3系统实现 利用上述方法，以 F a d a l V MC 3 0 1 6立式加工中 心为对象，采用 V C 6 ． 0编程环境和 O p e n G L图形 引擎开发了原型系统 F V M T S F a d a l V i r t u a l Ma c h i n e T o o l S y s t e m 。首先利用 U G N X软件对加工中心各部 件进行建模，根据简化原则 “ 自由度不为 0的部件 独立建模，自由度为0的统一建模” ，根据加工中心 的结构尺寸分别建立相应的模型文件 ，导出 “ ． w d ” 格式的文件，然后利用 F V M T S系统分别对各个部件 的 “ ． w r l ”格式文件进行解析、重构，通过添加相应 的装配关系，组合成机床模型，如图2右边所示。通 过 “ 读人 G代码”调入加工程序 ，也可通过图中左 侧所示 的机床操作面板来进行相应 G程序的编辑操 作。 图2 F V MT S系统界面 4小结 根据机床各部件的自由度建模 ，将运动部件单独 建模，构建虚拟加工系统，为研究产品的可加工性、 加工程序的代码验证，加工工序的优化提供了基础平 台，为后续的研究提供了理论基础。 参考文献 【 1 】 周祖德， 陈幼平， 等． 虚拟现实与虚拟制造[ M] ． 武汉 湖 北科学技术出版社， 2 0 0 5 ． 2 ， 2 8 0 2 9 1 ． 【 2 】梁宏宝， 杨胡坤， 刘丽娜 ， 等， 虚拟加工中 N C代码转化 技术研究[ J ] ． 计算机仿真， 2 0 0 4 1 1 2 1 9 2 2 2 ． 【 3 】 王玉生， 马正元， 王迎春， 等， 虚拟加工系统运动仿真的 研究[ J ] ． 沈阳工业大学学报， 2 0 0 4 1 2 6 1 9 6 2 2 ． 【 4 】 徐建国， 张谓， 张友 良， 等． 虚拟加工环境建模及实现技 术[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 7 7 2 9 7 2 2 9 7 5 ． 上接 第 1 0 9页 Ⅲ类电源要求 ，为改进车辆液压 自发电系统控制提供 了参考。 参考文献 【 1 】M a n n e s m a n n R e x r o t h ． H y d r a u l i c C o m p o n e n t s R E 9 2 0 0 3 ／ o 5 ． 9 9 [ R] ． 2 0 0 3 ． 【 2 】 王春行． 液压控制系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 1 9 9 9． 【 3 】 王占林． 近代电气液压伺服控制[ M] ． 北京 北京航空航 天大学出版社， 2 0 0 5 ． 【 4 】 刘金琨． 先进 P I D控制及其 M A T L A B仿真[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 5 】 诸静． 模糊控制原理与应用[ M] ． 北京 机械工业出版 社 。 1 9 9 9 ． 0 O 0 1 0 0 0 1