基于模糊PID的滑模摊铺机自动找平系统

基于模糊PID的滑模摊铺机自动找平系统
赵素素;孟凡虎;李传平
【摘要】为了保证滑模成型后水泥混凝土路面的初始平整度,通过理论分析滑模摊铺机自动找平系统的数学模型,并在MATLAB软件中的Simulink界面下分别创建
引入普通的PID控制器和模糊自适应PID控制器的摊铺机的自动找平系统的仿真
模型并进行仿真分析.结果表明:引入模糊自适应PID控制改进后的系统较普通PID 在响应速度和动态品质方面的控制效果都有很大的提升,即改进后的自动找平系统
更能保证路面滑模施工的平整度.
【期刊名称】《流体传动与控制》
【年(卷),期】2016(000)005
【总页数】5页(P18-22)
【关键词】摊铺机;模糊PID控制;自动找平系统
【作者】赵素素;孟凡虎;李传平
【作者单位】长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室陕西西安 710064;
长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室陕西西安 710064;长安大学道路
施工技术与装备教育部重点实验室陕西西安 710064
【正文语种】中文
【中图分类】TH137
滑模摊铺施工作业将松散的混凝土变成具有一定密实度和几何尺寸的混凝土路面板，其中每个工序都对路面的平整度有一定的影响。

保证滑模成型后水泥混凝土路面的
初始平整度是滑模施工技术的关键，摊铺机的自动找平系统能使摊铺机成型模板稳定保持在设计的高度和预定的水平位置，从而使摊铺完成的路面板达到设定的厚度并且有较好的初始平整度，反之成型路面的初始平整度也是衡量摊铺机性能的重要参照。

改进滑模摊铺机的自动找平系统可进一步提高路面滑模施工的平整度。

滑模摊铺机的自动找平系统以补偿路面不平度为目标，分为横向找平和纵向找平，横向找平使摊铺机作业装置稳定保持在预定的水平位置，纵向找平使摊铺机作业装置始终处于设定的高度。

本文主要研究纵向找平控制系统。

自动找平系统有两种典型的控制方式，一种是电液控制自动找平系统；一种是机液控制自动找平系统［1，2］。

其中电液控制自动找平系统控制原理如图1所示。

2.1 控制模型的建立
电液自动找平系统是通过电液伺服系统来完成的，采用该系统的摊铺机的执行元件是立柱液压缸。

以“伺服阀——液压缸——负载（机架）”为研究对象，构建滑
模摊铺机自动找平系统的数学模型［3］。

滑模摊铺机自动找平系统的控制模型的建立如图2所示。

2.2 数学模型的建立
假设控制器环节、放大器环节以及传感器的反馈环节等环节的传递函数已知，只分析“电液伺服阀——立柱液压缸——机架”部分的特性。

由立柱液压缸的流量连续方程［4］、电液伺服阀的线性化流量特性方程、立柱液压缸刚性活塞的力学平衡方程可得：式中，mt为立柱液压缸活塞上的有效作用质量；
Bp为立柱液压缸及外负载系统的粘阻系数；
Ck为立柱液压缸及外负载系统的弹性刚度；
f为作用在立柱液压缸活塞上的外负载；
Kq为电液伺服阀阀芯位移引起的流量增益；
Km为Km=Lm+
为系统总的泄漏系数；
β为有效容积弹性模量。

对式（1）进行Laplace变换，初始条件为零可得：
根据以上分析，可以绘出滑模摊铺机自动找平系统的方块图，如图3所示。

Ks为电液伺服阀中除去滑阀部分的增益；KQWV（s）为电液伺服阀部分的传递函数；KQ=KsKq为电液伺服阀的流量增益；方块图中各参数值确定如下：
3.1 自动找平系统仿真
在MATLAB软件中的Simulink界面下创建摊铺机的自动找平系统的仿真模型如图4所示［5-6］。

滑模摊铺机的找平系统在实际工作时是以基层不平度为补偿输入信号，而基层的不平度通常都是一个突然的扰动量，所以选取阶跃函数作为本次仿真试验信号，仿真结果如图5所示。

由图5中可以看到，系统响应较为平稳，过度理想，没有振荡和超调，具有良好的稳态性能，该仿真模型有效，但系统调整时间长，需要2.8 s才能达到稳定，对实际的摊铺机的自动找平系统来说响应时间太长。

3.2 电液自动找平系统的PID控制仿真
为了使系统模型响应时间变快，在上述的自动找平系统控制模型中引入PID控制器，引入PID控制的Simulink系统模型如图6所示。

其中深色的Transfer Fcn 模块表示图4所示的Simulink模型。

采用试凑的方法选取PID控制器中三个相关控制参数Kp=70、Ki=0.002、
Kd=0.001。

仿真输出的单位阶跃信号的响应结果见图7所示。

由图7可知，相对于直接反馈控制的系统仿真结果来说，引入PID控制器后整个系统模型的响应速度有了很大的提高，达到稳定的时间只需要1.12 s，但是系统
出现超调和振荡。

所以普通的PID控制器所确定的控制参数对优化电液自动找平系统的适应性相对比较差［7-9］。

3.3 电液自动找平系统的模糊自适应PID控制仿真
模糊控制不需要精确的数学模型，并且能够适合实时调控非线性的时变系统，因此将普通的PID控制算法和模糊控制结合在一起，扬长避短，形成模糊自适应PID 控制器。

模糊自适应PID控制器采样计算误差e和误差变化率ec作为输入量，控制器的输出量为Δkp、Δki、Δkd，建立其模糊控制表，并运用一定的模糊控制规则在线对其修改，从而实现对PID控制参数Kp、Ki、Kd的实时调整，以随时满足e和ec 对PID三个控制参数的自整定需求［10-11］。

电液自动找平系统模糊自适应PID控制器设计如下：
1）选择最常见的二维模糊控制器，输入量e、ec以及输出量Δkp、Δki、Δkd的模糊集均为｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。

e、ec的论域是｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝。

Δkp的论域是｛-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3｝。

Δki的论域是｛-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04， 0.06｝。

Δkd的论域是｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝。

2）定义e、ec以及Δkp、Δki、Δkd的隶属函数如图8～图12所示。

3）根据经验建立Δkp、Δki、Δkd的模糊控制表如表1～表3所示。

引入模糊自适应PID控制器的Simulink系统模型如图13所示（为了方便比较，加一个手动开关Manual Switch，同时加入普通的PID控制器）。

同样，其中深色的Transfer Fcn模块表示图4所示的Simulink模型。

仿真输出的单位阶跃信号的响应结果如图14所示。

从图14中可知，与普通的PID控制器相比，模糊自适应PID控制器控制响应输
出的静态误差相对较小，且响应速度也有所提高。

引入模糊自适应PID控制改进后的系统在响应速度和动态品质方面的控制效果都
有很大的提升，所以改进后的自动找平系统也就更能够保证路面滑模施工的平整度。

【相关文献】
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［11］孙衍石，靳宝全，熊晓燕.电液伺服比例阀控缸位置控制系统仿真研究［J］.流体传动与控制，2009，（4）:32-35.
Abstrraacctt::In order to ensure initial smoothness of cement concrete pavement after forming sliding mode，theoretical analysed mathematical model of slipform paver automatic leveling system is obtained and a simulation model of the automatic leveling system of slip-form paver is constructed based on normal PID controller and fuzzy adaptive PID control under the SIMULINK interface in MATLAB software.Besides，the simulation analysis is also carried out in this paper.The result shows that the effect of
fuzzy adaptive PID control is better than that of normal PID control，so the automatic leveling system can ensure the smoothness of pavement more reliably after improving it. Key w orrddss::paver；fuzzy PID control；automatic leveling system。