专家系统模糊PID在摊铺机液压行驶系统上的应用

蔡梦克　贾莉　赵素素　陈新轩

摘要：为了能够提高摊铺机液压行驶系统在不同工况下的恒速控制水平，分析摊铺机液压行驶系统的基本原理，深入地研究了专家系统模糊PID控制在其中的应用。通过介绍专家系统模糊PID控制器的基本原理，设计了相应的控制系统，并且使用软件对其进行了仿真。结果表明该设计系统对摊铺机恒速控制具有较好的控制精度。

关键词：专家系统模糊PID控制；摊铺机；液压行驶系统；恒速控制

中图分类号：U415.52文献标志码：B

Abstract： In order to improve the constant speed control level of pavers hydraulic driving system under different working conditions， the basic principles of the hydraulic driving system was analyzed， and fuzzy expert system with PID control was thoroughly studied. The mechanism of fuzzy expert system with PID controller was introduced and implemented， and was simulated with software. The results show that the designed control system yields decent precision in constant speed control.

Key words： fuzzy expert system with PID control； paver； hydraulic driving system； constant speed control

0引言

沥青摊铺机属于连续式作业机械， 其主要用于道路面层的铺筑，对作业质量的要求较高，而其行驶性能的好坏将直接影响摊铺质量。由于传统PID控制具有操作方便、可靠性高等优点，因此被广泛应用于各种大型机械的液压行驶系统中。然而在摊铺机的作业过程中，由于负荷的变化、路面的不同以及不同材料等因素的影响，单单采用传统PID控制已经不足以应对非线性、时变性的复杂液压伺服系统，也很难确保行驶系统的各项指标在最佳范围内。而这对摊铺路面的平整度、初始密实度和离析度将产生直接的影响。

专家模糊控制响应快，对干扰不敏感，不依赖被控对象，对非线性、时变及滞后的系统非常适合[1]。因此本文将专家系统模糊PID控制应用在摊铺机液压行驶系统上，对摊铺机各种工况下的恒速控制水平有显著的提升。

1行驶液压系统与控制原理

沥青摊铺机行驶液压系统为双泵双马达回路，主要由变量泵、变量马达与控制阀组成。图1为单边行驶液压系统原理图，其控制原理如下。

比例电磁阀Y1.1/Y1.2二者之一分别通电，转换泵高、低压腔，从而实现摊铺机前进或后退。行驶速度大小依赖于Y1.1/Y1.2的控制电流，调节左右两侧对应方向的比例电磁阀，使工作电流大小不同，产生左右行驶差速，实现转向。当电流大小相等，方向相反，即左右两侧履带速度相反，实现原地转向[23]。

行驶系统采用双排量变量马达，马达排量有最大和最小2种状态，电磁阀Y03用于调节马达排量。排量最小为高速小转矩转场行驶工况，排量最大为低速大转矩摊铺作业工况[4]。

当油路中压力过高时，安全溢流阀打开，目的是防止油路过载，保护元件；止回阀用于向回路补油；补油安全溢流阀是调整补油泵最高压力，以保证充分供油。

2专家系统模糊PID控制策略

2.1专家系统模糊PID控制的思路

由于摊铺机液压行驶系统采用的是双泵双马达回路系统，所以对行驶系统的控制主要是对泵马达系统的控制。

专家模糊PID控制系统的结构主要是由参数可调整的PID控制系统和专家模糊控制系统2部分组成，具体结构如图2所示。

基于专家系统模糊PID的液压行驶系统的控制原理：在常规PID控制器的基础上，依据专家及试验数据总结出来的经验，确定系统特性。对于不同工况下的摊铺机泵马达系统采取不同的控制量，并建立相应的规则库；以摊铺机行驶速度的偏差e和偏差的变化率Ce作为输入，采用模糊推理机的推理方法实现对PID控制参数，即比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd的实时调节，从而使被控对象具有良好的动态、静态特性，以达到恒速控制的目的[5]。

2.2专家系统模糊PID控制参数的隶属度函数确定

选择摊铺机行驶速度偏差和偏差变化率作为系统的输入变量，并选择参数kp、ki和kd作为输出变量。

根据摊铺机泵马达系统行驶控制的基本要求，将e和Ce分为7个模糊集：NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。将e和Ce的变化等级分为7等：-3、-2、-1、0、1、2、3，从而得到输入变量隶属度表和隶属度函数，见表1和图3。

将输出变量kp、ki和kd分为7个模糊集：NB（负大）、NM（负中）、NS（负小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）。其变化等级分为9等：-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4，从而得到输出变量隶属度表和隶属度函数，见表2和图4。

2.3专家系统模糊PID控制模糊化规则

令ek表示离散化的当前采样时刻的误差值，ek-1表示前一个采样时刻的误差值，Δek表示误差的变化值

Δek=ek-ek-1（1）

根据误差及其变化，对专家推理机做如下分析。

（1） 当|ek|>M1时，说明此时误差绝对值已经很大，通常这种情况发生在控制初始阶段或者超调量较大的阶段，但无论误差怎样变化，控制器均以定值输出，达到快速调整误差的目的。同时使误差绝对值以最大速度减小，避免超调。此时应取大的kp和小的kd并使ki=0。

（2） 当ekΔek>0时，误差增大，若|ek|≥M2，说明误差较大，主要原因是反向控制量的生成或者超调量增加，为了提高控制精度，可以取适中的kp和ki，从而降低稳态误差。若|ek|

（3） 当ekΔek<0，且ekΔek-1>0时，表明误差绝对值有降低的趋势，如果|ek|≥M2，通常处于控制中间阶段，可以确保控制量恒定不变，反之，提高ki能够降低稳态误差。

（4） 当ekΔek<0，且ekΔek-1<0时，表明误差在振荡阶段，此时取ki=kd=0，并用小的kp，可以降低误差。

（5） 当|ek|

以上：M1、M2为设定的误差界限，且M1>M2；M3为任意小的正实数。

按照上面的kp、ki以及kd在摊铺机泵马达系统控制中的实际应用状况，设计了相应的模糊化规则，见表3～5。

3专家系统模糊PID控制系统的仿真分析

为了验证恒速控制能否通过专家模糊PID控制在摊铺机液压行驶系统中实现，本文通过Matlab软件的Simlulink和Fuzzy模块对其建模，进行仿真，结果如图5、6所示。

从图5、6中可以看出，专家系统模糊PID控制技术的控制效果明显优于传统的PID控制技术[6]。模糊PID控制器的控制输出在波动产生后较短时间内，重新进入收敛状态，反应灵敏，动作迅速，可靠性较高，具有更快的响应速度和更小的超调量，从而能够满足摊铺机液压行驶系统恒速控制的基本要求。

4结语

通过上述仿真分析可知，利用专家系统模糊PID控制对摊铺机的液压行驶系统进行恒速控制，具有较好的控制效果。其仿真结果表明该控制技术具有响应速度快和超调量小的优点，能够提高控制的可靠性。

参考文献：

[1]刘金琨.智能控制[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]刘金琨.先进PID控制Matlab仿真（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2011.

[3]王欣，高子瑜.工程机械典型控制系统[M].北京：人民交通出版社，2014.

[4]司癸卯，涂中华，王安麟，等.沥青摊铺机液压行驶驱动系统控制算法和控制策略[J].中国工程机械学报，2006，4（3）：283287.

[5]朱涛，李宏伟.基于模糊自适应PID的摊铺机行驶控制系统研究[J].制造业自动化，2014，36（2）：6971.

[6]徐文山.模糊PID控制器设计及MATLAB仿真[J].筑路机械与施工机械化，2014，31（4）：9195.

[责任编辑：杜敏浩]