基于模糊控制的焊管切割机控制系统的设计和仿真.pdf

1 甸 地 基于模糊控制的焊管切割机控制系统的设计和仿真 D e s i g n a n d s i mu l a ti o n o f w e l d e d p i p e cu tti n g m a ch i n e co n tro l s y s te m b a s e d o n fu z z y co n t ro l 张戌社 朱飞 Z H A N G X U s h e Z H U F e i I l l 科技大学 机械电子工程学院 石家庄 050054 摘要 针对传统PID调节器在焊管切割机上的缺点 提出了参数自整定模糊PID调节法 该方法加快 了系统响应的速度和提高了系统的动静态性能 通过在matl ab上面进行仿真 仿真结果证明 了其可行性 关键词 PID控制器 M ATLAB 模糊控制 仿真 中图分类号 TP273 文献标识码 B 文章编号 1 009 01 34 201 2 02 上 一0027 03 D o i 1 0 3969 J i ssn 1 009 01 34 201 2 2 上 1 0 0引言 现有的焊管切割机大都采用传统PID 调节器 但是众所周知 传统PID 调节器在很多场合都可以 获得比较满意 的控制效果u 但焊 管切割机伺服 系统具 有参数 不固定 变量多 非线性强 耦合 复杂的特点 所以在不 同的时刻很难获得较理 想 的响应 对环境 的变化及 系统 中的不确定性也很 难适 应 近年来逐渐发展起来的模糊控制它不依 赖于 系统精确 的数学模型 对系统的动态响应也 有很强的鲁棒性 这是传统PID 控制器难以到达 到 的 1焊管切割机伺服系统的组成 高性能焊管切割机伺服 系统通常 由电流环 速 度环 位置环组成的三闭环控制系统 如图1所示 图 1 典 型 三 环 控 制 图 其中电流环和速度环均为内环 其作用分别为 电流 环 反馈 回路 的作用 可 以及 时抑 制 电 涌 限制最大 电流 并提高系统的快速性 保 障 系统安全运行 速度环反馈 回路的作用 增 强系统 的抗干 扰 能力 并抑制速度波动 位置反馈 回路 的作用 保证 系统静 态精度 和 动 态跟踪 的性能 这直接影响焊 管切割机伺服 系 统 的稳 定与高性能运行 是反馈的主通道 其性 能直接影响到系统性能指标 因此 电流环 和速度环均采 用传统的PID 调 节器 对于参数不 固定 变量多 非线性强 耦 合复杂的位置环 采用参数 自整定 自适应模 糊P ID 调节器 2参数自整定模糊P ID 调节器的设计 模糊PID 调节器 系统结构如图2所示 模糊调 节器以偏差e和偏差变化ec 作为输入 参数A kp ki kd为输 出来修正kp ki kd 它们的论域 均为为 一 6 6 语言值均为为 负大 负中 负 小 零 正小 正 中 正大 记为 N B N M N S Z O P S PM PB kp ki kd 为预 整定值 qPID 控制器输出的参数kp ki kd为 kp kp A kp ki ki A ki kd kdt A kd 其 原理如图3所示 图2 模 糊PID 结构图 收稿日期 2011 09 05 作者简介 张戌社 1965 一 女 河北石家庄人 教授 博士 主要从事测试技术和智能控制方面的教学研究 第34卷第2期2012 02 上 27 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 务l 匐 化 P I D 冈 调 I 对 象 节 I J 器 图3自适应模糊控制器 表1 A kp A ki A kd的模糊控制规则表 E C N B N M N S Z 0 P S P M P B E N B P B B P S P B N B N S P M N B P M N M N B P S N S B Z 0 Z 0 Z 0 z O PS N M P B B P S P B N B N S P M N M B P S S M P S N S N M Z o Z 0 N S N S Z 0 Z 0 N S P B N B Z 0 P M M N M P M N M P S N S M Z O Z 0 几 S N S P S N S N s P S Z O Z 0 P M M z 0 P M n S P S S S Z 0 Z N S N S P S S NM PM N S N M P M z 0 P S P M M Z 0 P s N S Z 0 Z Z 0 Z 0 N S P S Z 0 N S PS Z 0 N M P h Z 0 N M P B z 0 P M P S Z 0 P S Z 0 Z z o Z O PS 7 0 N M P M N h P M N M N M P B NM N B P B N B P B Z Z 0 P B Z 0 z O PM Z O S P M N M P M P M N M P M P M N B PB PM N B P B P B 图4三角函数隶 属度结构 隶 属函数 根据切割机快速性的要求 用三 角形型模糊变量来描述模糊概念是适宜 的 故在 此选用三角函数 如图4所示 3参数自整定模糊规则的确定 模 糊规则的实质就 是熟练操作人 员的操作经 验加以总结得 出的模糊条件语句而制 定的控制规 则 以最终消除e为 目的 模糊推理规则如下 1 当切割跟随位置误差很大时 为 了加快 系 统的响应速度 应取较大的K p 为了防止偏差变 化率EC 瞬时过大 应取较小的K d 为了避免较大 的超调 应对积分作用加 以限制 2 当切割跟随位置误差一般时 为使 系统响 应具有较小的超调K p K i 取值要适当 这时K d取 值对系统影 响较大 应取值大小适中 以保证 系 统响应的速度 3 当切割跟随位置误差较小时 为使 系统具 有较好 的稳定性 K p 与K i 均应取大些 同时为避 免系统 在设 定值附近 出现振荡 并考 虑系统 的抗 干扰性能 应适当地选取K d值 K d值的选择根据 偏差变化率EC 值来确定 当E C 较大时 K d取较小 值 当E C 较小时 K d取较大值 一般情况下 K d 为中等大小 其规则表如表 1所示 共有49条模糊指令 整理即如图5所示 28 第34卷第2期2012 02 上 图5 模糊规则表 4模糊化及解模糊化 焊管切割机的参数 V m ax 80 0m m s A m ax 20 00m m s 切 割 机精 度允 许 的范 围为 0 5m m 则量化 因子 K e 6 0 5 12最 大速度为500m m s 采样时 间为 10m s 则速度的精度允许 的范围为 0 1m m 则 量化因子K ec 6 0 1 60 根据前人的设计经验其模 糊化和解模糊规则如表2所示 表2 参数变量表 变量 e er A kp A k i A kd 语言变量 E Ec KP K I K D 基本论域 0 5 0 5 0 1 0 1 0 1 0 1 0 3 0 3 一1 1 模糊子集 N B NM NS Z0 PS PM PB 模糊论域 一6 6 一6 6 一6 6 一6 6 一6 6 量化因子 12 60 60 20 6 以焊 管生产线中控 制焊 管传送 的电机转速为 调节对象 P n 2 5K W In 5A nn l 500r m i n r1 3 Q r2 3 Q L s 0 4 5 H L r 0 4 5 6 9 4 H L m 0 45H T em 14N i n n p 2 J 0 00 23k g ITI 下转第67页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 訇 化 know l edge J IEE E Proc eedi ngs of IC SP 2000 2000 2070 20 74 5 周春耕 张秉权 盲汉机器翻译系统的研究与实现 J 计算 机工程与应用 2003 4 6 H am i d R eza Shahbazki a et a1 A utom ati c B rai l l e C ode Trans l ati on System J C IA R P 2005 LN C S 3773 2005 233 241 71 M uhanunad A buzar Fahi em A D eterm i ni sti c Tufi ng M ac hi ne fo r C on tex t S ensi ti v e T m n sl ati o n o f B rai l l e C od es to U rd u T ext J 1w C IA 2008 L N C S 4958 2008 342 35 1 8 A m any A 1一 Sal eh et a1 D ot D etec ti on of O pti c al Brai l l e Im ages for B rai l l e C el l s R ec ogni ti on J IC C H P 200 8 L N C S 5 105 20 0 8 82 1 826 盘 蠢 盎 出 盘 是 幽 蠡 矗 盘 盎 盘 盘 岛 I 出 上接第28页 简化此系统的数学模型为二阶系统 G s 1 初选kp 1 ki 0 kd l 其仿真模型 图6 模糊PID 自整定仿真模型 C o n a nt2 图7 模糊PID 自整定子系统模型 如图6 7所示 5仿真分析 针对焊管切割机控制 系统 的数学模型 将模 糊 自适应PID 调节器对给定阶跃 曲线的跟踪结果进 行 了仿真 仿真结果表明 模糊 自适应PID 控制器 阶跃响应的上升时间要小于常规的PID 阶跃响应的 上升时间 并且模糊 自适应PID 控制器的响应 曲线 的超调量大大减少 而常规的PID 控制器的响应曲 线 的超调量 比较大 可见 相对于常规PID 控制 器 模糊 自适应PID 控制器具有更快的响应速度 图8 模糊PID 自整定仿真 结果 更小的响应超调量 能够很 好的满足焊管切割位 置控制的要求 其 响应曲线如图和图所示 由此可见 采用模糊 自适应PID 控制控制的算 法 系统的响应速度加快 调节精度提高 稳定 性变好 这是单纯的PID 控制难 以实现的 参考文献 1张铁 军 基于 模糊控制 的剪切线控制 系统 D 沈阳 沈阳 工业大学 2005 2 蒋利 佳 位置 伺服控制 在飞剪控制 系统中的分析 与应用 D 武汉 武