基于PLC的模糊PID控制在气动伺服系统的应用

轻型汽车技术２０１７（１—２）　技术纵横４１　基于ＰＬＣ的模糊ＰＩＤ控制在气动　伺服系统的应用　廖龙杰蒋亮亮　（南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）　摘要：针对气动位置伺服控制系统，提出一种基于模糊算法与ＰＩＤ相结合　的控制方式。系统以三菱ＰＬＣ为控制器，位移传感器反馈信号，以位置偏差Ｅ及　其变化率ＥＣ为双输入，控制量ｕ为单输出，通过建立模糊控制规则，对ＰＩＤ参数　进行在线整定。试验表明，该方法得到很好的系统响应和跟随性。　关键词：模糊控制ＰＩＤ位置控制　伺服控制　１　引言　气动系统能适应易燃易爆、强辐射等恶劣环　境，具有轻量、价廉、获取容易和能源清洁等优点。　在汽车试验领域，用气缸搭建试验台架，布置灵　本文提出基于模糊ＰＩＤ控制的方法。相比较，　传统ＰＩＤ控制因其参数一旦设定后，在气缸动作　过程不可更改，无法满足气缸在不同位置、不同阶　段对ＰＩＤ参数的不同需求；而模糊控制不需要建　立精确的数学模型，其以专家经验进行推理和判　活，成本低，广泛应用于非标试验。但由于气体本　身固有的可压缩性和气缸摩擦力的影响，导致其　非线性强，对气缸建立精确的数学模型极为困难［１Ｊ。　因此，研究气动伺服控制对试验能力的提升具有　重要意义。　断，通过不断检测反馈信号，实时修改ＰＩＤ参数。　２控制原理　模糊控制是在所用的控制方法上采用了模糊　数学理论，但它所进行的仍然是确定性工作，能够　模仿人的思维方法，对一些无法构造数学模型的　被动过程进行有效控制网。其过程可概括为以下４　个步骤（原理图见图１）：　传统应用是通过两个机械设定位置或两个行　程开关实现气缸往复运动，无法满足越来越广泛　的自动控制要求。笔者曾研究过传感器反馈的开　关量控制闭，但该方式是结果控制，而非过程控制，　不属于伺服控制领域，无法满足自动控制需求。　１）由传感器检测反馈信号，与设定值比较，得　到偏差ｅ及其变化率ｅｃ，作为模糊控制器的输入　一、ｃ　曼　二ｌ　冈竺Ｈ　图１模糊控制原理图　４２　技术纵横　轻型汽车技术４．１　ＰＩＤ控制　２０１７（１—２）　变量；　２）将输入变量的精确值变为模糊值。一般在　设计模糊控制器时，采用“正大”（ＰＢ），“正中”　（ＰＭ），“正／Ｊ、”（ＰＳ），“零”（Ｏ），“负／Ｊ、”（ＮＳ），　当被控对象得不到精确的数学模型时，采用　ＰＩＤ控制技术最为方便，其数学表达式为：　“负中”（ＮＭ），“负大”（ＮＢ）等７个语言变量来　＝　＋　ｒ）］㈩　描述，常采用论域｛３，２，１，０，一１，一２，一３）对应数学　表达。通过量化因子和，将偏差ｅ及其变化率ｅｃ　模糊至论域中；　３）根据控制规则，推理出控制量；　４）将推理出的控制量通过反模糊处理，计算　出精确的输出控制量，用于执行机构。　３　系统构成　３。１　气动回路　采用单杆双作用气缸，无杆腔供一定压力的　气源，作为有杆腔调压时的平衡控制，本文中压力　控制为０．２５ＭＰａ；有杆腔与ＳＭＣ比例阀ＩＴＶ００３０　相连，通过控制比例阀从而调节有杆腔的气压，达　到控制气缸活塞杆动作的目的。　３．２控制回路　系统的控制任务由ＰＬＣ完成，位移传感器检　测气缸活塞杆位置，反馈信号至Ａ／Ｄ模块，ＰＬＣ读　取信号值，通过模糊控制算法与ＰＩＤ的结合，计算　出控制量给Ｄ／Ａ模块，进而控制比例阀调压。　系统气动回路和控制回路示意图如图２所　示。　图２系统构成图　４系统控制器的设计　三菱ＦＸ２Ｎ　ＰＬＣ中关于ＰＩＤ的指令描述如图　３所示：　（ＳＶ）（ＰＶ】　ｌＭＶ）　图３　ＰｌＤ指令　目标值是期望到达的位置，即设定值；测定值　由传感器反馈；参数即ＰＩＤ指令参数，图例中以　Ｄ１００为首地址，主要包括采样时间Ｔｓ、比例增益　Ｋｐ、积分时间Ｔｉ、微分时间Ｔｄ；输出值即控制量。　各环节的作用分别为［４１：　比例环节：有偏差即有控制动作，偏差存在，　动作不停，仅有比例控制时，易产生振荡；　积分环节：积少成多，消除稳态误差，积分时　间越长，控制越精确，但耗费时间越长；　微分环节：在偏差变化太大之前进行早期修　正。　ＰＩＤ控制的关键在于参数的整定，合理的ＰＩＤ　参数达到满意的控制要求。因气动系统非线性的　特』生，一组整定好的ＰＩＤ参数根本无法满足控制要　求，因此引＾模糊控制与ＰＩＤ控制相结合的方法。　４．２模糊ＰＩＤ控制　取ｅ＝当前位移传感器反馈信号一设定值，　ｅｅ＝当前偏差一上次偏差，为计算方便，文中ｅｃ　为偏差变化量（两次采样偏差的差值），ｅ的基本　论域为｛５ｏｏ，１５００｝，ｅｃ的基本论域为｛５，１５｝，ｅ和ｅｅ　轻型汽车技术２０１７（１—２）　的量化等级均为｛３，２，１，０，一１，一２，一３），同样为计　算方便，量化等级改写为｛１，２，３，４，５，６，７｝，量化因子　Ｋｅ＝３／１０００，Ｋｅｅ＝３／１０。　输出量Ｋｐ、　、Ｔｄ的基本论域分别为ｆ１４００，　３４００｝，｛５，１５｝和｛Ｏ，４），量化等级均为｛３，２，１，０，一１，　一２，一３　１，　比例因子ＫＫｐ＝１０００／３，ＫＴｉ＝５／３，　ＫＴｄ＝２／３，实际输出量＝初始输出量＋模糊修正输　出量。　控制思路为：当偏差较大时，希望Ｋｐ大些，Ｔｉ　小些，Ｔｄ小些，提高系统的快速响应；当偏差中等　时，为避免超调，Ｋｐ，Ｔｉ，Ｔｄ中等；当快接近设定值　时，为使系统具有较好的稳定性，希望Ｋｐ小些，Ｔｉ　大些，Ｔｄ大些，提高系统的控制精度。　基于以上思路，设计模糊控制规则表如表１　表２表３所示：　表１　比例环节控制规则　Ｅ　ＥＣ　１　２　３　４　５　６　７　ｌ　３　２　１　Ｏ　一１　－２　－３　２　２　１　０　－１　—１　－２　－２　３　ｌ　０　—１　－２　－２　—１　—１　４　０　—１　－２　－３　－２　—１　０　５　—１　—１　－２　－２　—１　０　１　６　－２　－２　—１　－１　０　１　２　７　－３　－２　－１　０　１　２　３　表２　积分环节控制规则　Ｅ　ＥＣ　１　２　３　４　５　６　７　１　－３　－２　～１　Ｏ　１　２　３　２　－２　—１　０　１　１　２　２　３　—１　０　１　２　２　１　１　４　０　１　２　３　２　１　０　５　１　１　２　２　１　Ｏ　一１　６　２　２　１　１　０　—１　－２　７　３　２　１　０　１　－２　－３　技术纵横４３　表３　微分环节控制规则　Ｅ　ＥＣ　１　２　３　４　５　６　７　１　－３　－２　—１　０　１　２　３　２　－２　—１　０　１　１　２　２　３　—１　０　１　２　２　ｌ　１　４　０　１　２　３　２　１　０　５　１　１　２　２　１　０　—１　６　２　２　１　１　０　—１　－２　７　３　２　１　０　１　－２　－３　控制程序按以下步骤执行：　（１）对以上控制规则分配地址，存储在ＰＬＣ　中。设置论域、量化因子、比例因子、初始输出量；　（２）ＰＩＤ判断采样时间，到达采样时间则采　集传感器反馈信号，将该信号与设定值比较，计算　得ｅ和ｅｃ；　（３）对ｅ和ｅｃ模糊化处理，得到Ｅ和ＥＣ，超　出１和７的，分别赋值１和７；　（４）通过查表指令ＳＥＲ对计算得到的Ｅ和　ＥＣ进行查找，获得表中的行号和列号；　（５）对行号和列号进行运算，指向表中相对　地址，通过变址寄存器，提取地址中的内容，即模　糊修正输出量；　（６）对模糊修正输出量反模糊处理，获得修　正控制量。　４．３控制程序　依据以上控制规则和步骤，编写控制程序如　下：　图４模数转换指令和ＰＩＤ指令　４４　技术纵横　图５模糊化ｅ和ｅｃ　ｉ２　惜　１０　、＿一＾～　，　８　　一　一　６　摹４　Ｊ　２　７　ｆ　Ｏ　０　ｌ　２　３　４　Ｓ　６　对■（Ｉ）　图７系统响应曲线　５试验验证　５．１　检验系统的响应性能　从图７看出，试验目标位置设置为１０ｒａｍ，约　１．２ｓ后达到稳态，超调０．８ｍｍ。　５．２　检验系统的跟随性能　给定三角波信号，目标位置５０ｍｍ，一　一　周期２０ｓ，　从图８可以看出，系统很好地跟随给定信号，但同　时可以看出，系统存在跟随滞后现象。该系统为气　缸尾端通固定压力空气，调节前端气压，控制气缸　回缩与伸出。从曲线看出，气缸回缩过程波形线性　度优于伸出过程。因此，对于气动系统，进气控制　的方式表现出良好的线性度。　６　结论　采用模糊ＰＩＤ算法，对基于ＰＬＣ的气动系统　进行位置伺服控制，可弥补传统ＰＩＤ参数一旦设　轻型汽车技术２０１７（卜２）　图６　查表指令和变址指令　∞　ＳＯ　皤窟囊形一．／麦蓐薯形　一　柏　～—　…　ｊ亭。　瓣　犁∞　９　｝　ｆ　ｉＯ　９／／　《　｝　Ｏ　ｃ　图８三角波跟随曲线　定而无法修改的缺陷。通过试验验证，证明本文提　出的方法具有较优的系统响应和跟随ｌ生。同时，我　们也注意到，气动系统只能应用于低频试验。　参考文献　１　吴卫荣．气动技术［Ｍ】．中国轻．ｙ－业出版　社．２００５．　２廖龙杰，蒋亮亮．基于ＰＬＣ的气动系统在　调角器力矩耐久试验的应用Ⅱ］．《汽车零部件》，　２０１４，１０．　３诸静．模糊控制原理及其应用【Ｍ】．机械工　业出版社．１９９５．　４黄友锐，曲立国．ＰＩＤ控制器参数整定与实　现［Ｍ】．科学出版社，２０１０．　５谭彦彬，陈彬，曾磊．ＰＬＣ模糊控制程序设　计Ⅱ】．信息工程大学学报，２０１０，２．