基于模糊PID的液压自动调平与升降控制系统研究

2021-03-05唐平建孙泽林

兵器装备工程学报 2021年2期

唐平建，孙泽林，宋鹏

(中国人民解放军63870部队，陕西华阴 714200)

质心位置的测量对于确定车辆的机动性、操纵稳定性和安全性具有十分重要的意义[1-3]。目前，车辆(特别是特种车辆)的质心测量大多采用可倾斜平台测量法。该方法采用合力矩定理，利用平台水平、倾斜状态分别测量出水平、竖直方向的质心坐标值，测量的准确度和自动化程度较高，得到了广泛应用。可倾斜平台主要有侧倾和纵倾两种方案，有三点支撑、四点支撑、六点支撑等支撑方式。由于三点决定一个平面，三点支撑自动调平的控制相对容易，但测量时要求被试车辆概略居中，否则会影响支撑的稳定性；四点、六点支撑的稳定性好，但存在静不定的问题，容易产生“虚腿”现象，自动控制较难，效率难以提升[4]。为此，本文充分考虑设备的可靠性、成本及测量效率，在车辆质心测量设备研制中采用“纵倾+三点支撑”的方案，将模糊PID 控制策略应用到此系统中以提高系统的自动调平与升降性能。

1 调平与升降系统整体设计

1.1 调平与升降系统的机械结构

车辆质心测量设备的调平与升降系统机械结构布局如图1所示。测量平台由A、B、C三点支撑，其中A为固定点，位置始终保持不变，通过调整B、C液压缸的位置实现测量平台的调平和升降。倾角传感器为一纵一横正交布置，检测出测量平台的实时状态，用于判断是否精确调平及给出倾斜角度值，作为伺服控制闭环的反馈。平台限制装置用于支撑台面，可避免称重传感器及液压系统受到持续压力和车辆驶入台面时的瞬时冲击。

图1 调平与控制系统机械结构布局示意图

1.2 液压系统工作原理

液压系统的硬件主要由液压站(包含液压泵、伺服电机、油源及附件等)、液压缸、液压控制阀组件等部分组成，其工作原理如图2所示。测量平台的调平与升降依靠对液压系统各组件的控制来实现，最终由Y1、Y2升降液压缸去执行。

图2 液压系统工作原理图

系统采用恒压变量泵控制系统压力。油缸运动速度较小时，系统压力达到工作上限，油泵输出压力达到恒压点，在升压过程中对蓄能器充油、稳压，油泵电机消耗功率逐渐变小。平台油缸运动速度较大时，蓄能器释放能量，维持平衡系统工作压力，油泵自动调整流量输出，直到达到压力上限。工作中系统意外断电时，蓄能器为系统供油，满足运动平台短时连续工作，达到液压系统的断电保护功能。

液压系统设计了无动力自锁保护回路(11-12)，在系统突然断电时能保证测量平台当前的姿态，以保护测量平台及被试车辆的安全。此时，可启动安全保护程序，使测量平台缓慢地停止在最低位置，以确保设备、被试车辆和人员的安全。

2 基于模糊PID的液压自动控制

2.1 自动控制系统构成

系统采用PLC(可编程逻辑控制器)对液压阀组件进行控制，自动控制系统的原理和流程如图3所示。对测量平台的调平与升降通过A/D、D/A转换实现系统的连续控制，采用高精度纵、横倾角传感器检测平台的水平状态及纵倾角度，并反馈给PLC形成闭环控制[5]。由于液压传动存在非线性，传统PID的控制效果不太理想，经常出现超调量大、响应时间长等现象，模糊PID控制可较好地解决这个问题。

车辆质心测量前，将车辆驶入测量平台并概略居中，系统上电，观察软件、传感器及各项状态参数是否正常，确定正常后启动液压系统。选择自动运行方式(手动操作仅用于系统调试和故障处理)，对测量平台进行精确调平，然后测量车辆的质量和水平方向(X、Y向)的质心位置。如要测量车辆的质心高度(Z向)，则进行平台倾斜操作，输入所需的倾斜角度，进行测量平台的自动倾斜，精确到位后进行质心高度测量。最后，测量平台归位，车辆驶出平台，测量完成，系统断电。

2.2 模糊PID的自动控制策略

PID控制的适应性强，只要参数整定合适，适用于各种控制对象，但不能进行自适应控制。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制方法，是智能控制的一个重要分支，在自动控制领域得到了广泛应用。模糊控制具有很强的适应性和鲁棒性，能够有效地处理系统的不确定性、测量的不精确性等模糊性，适合应用于非线性、时变和时滞控制系统中。将PID控制与模糊控制相结合，通过模糊逻辑算法整定出PID的3个参数，具有自适应的特性，能够提高系统控制精度，测量平台在自动调平与升降过程中更加平顺和稳定，效率更高[6-9]。

图3 自动控制系统

在测量平台调平时，理想状态是纵、横倾角均为0，采用纵、横倾角传感器的偏差e、e′及其偏差变化率de/dt、de′/dt作为模糊PID控制的输入变量。在测量平台纵倾时，采用纵向倾角传感器与输入倾角值的偏差E及偏差变化率dE/dt、横向倾角传感器的偏差e′及偏差变化率dE/dt作为模糊PID控制的输入量。控制原理如图4所示，图4中Δkp、Δki、Δkd是PID参数的修正值。在运行过程中，通过不断检测角度偏差实时修正控制参数，以适应不同时刻的角度偏差对控制参数的要求。

由于车辆质心测量的液压系统是典型的低速重载系统，考虑到设备运行的安全性，在调平与升降过程中液压缸的运动速度很低，在此采用了一种P-Fuzzy-PID的混合控制策略。先设定一个较大的阈值e1(调平)、E1(升降)和一个较小的阈值e2(调平、升降)、E2(升降)，然后利用偏差值与阈值进行比较，以判断采用哪一种控制方式，控制程序流程如图5、图6所示。

图4 模糊PID控制原理框图

图5 自动调平控制程序流程框图

从图5可以看出，自动调平的规则为：① 当偏差值|e|>e1且|e′ |>e1时，此时系统处于启动阶段，与调平要求差距较大，采用比例控制，能够提高系统的响应速度，加快响应过程；② 当偏差值|e|

图6 自动升降控制程序流程框图

3 验证

为解决车辆质心测量平台使用中调平与升降超调量大、响应时间长等问题，验证基于模糊PID的液压自动调平与升降控制系统的稳定性和效率，对设备原有的传统PID控制系统进行了基于模糊PID的控制改造。

在设备改造前后，在空载和负载条件下分别进行了调平与升降试验。其中，负载试验采用约20T钢板代替车辆进行测量，如图7所示。调平试验纵、横倾角传感器的初始角度均置于0.3°，当纵、横倾角传感器的角度输出值均稳定在区间[-0.012°，0.012°]之间时判定达到调平状态。升降试验在调平状态下进行，倾斜角度均为10°，当测量平台稳定到10°±0.012°时判定上升到位；下降则是上升反过程。每个状态的调平与升降试验均进行5次，取平均值作为最终试验结果，如图8所示。

图7 调平与升降试验现场

图8 调平与升降试验结果曲线

比较两种控制模式下的曲线可见，采用模糊PID控制相比传统PID控制，性能得到了明显提高，主要体现在：① 测量平台调平时减少了超调量和震荡次数，提高了调平稳定性；② 调平与升降过程的响应速度显著提升，空载状态调平时间从约110 s缩短到约45 s，负载状态调平时间从约100 s缩短到约45 s，空载和负载状态下的倾斜10°的上升与下降时间从约150 s缩短到约100 s。