袋装水泥装车机的落包定位系统三闭环矢量控制策略研究_刘雪勇.pdf

第45卷 第02期 2023-02【85】收稿日期：2021-05-10作者简介：刘雪勇（1996-），男，湖南株洲人，硕士研究生，研究方向为智能制造与控制。袋装水泥装车机的落包定位系统三闭环矢量控制策略研究Research on three closed-loop vector control strategy of bag dropping positioning system of cement Ioading machine刘雪勇*，李永新LIU Xue-yong*，LI Yong-xin（中国科学技术大学 工程科学学院，合肥 230027）摘 要：袋装水泥自动装车机通常采用沿车厢宽度方向多次落包的方式来自动适应不同车箱宽度的密集码包要求，其工作特征为移动速度快、载荷大、运行周期短、惯性力大，因此每次落包定位精度的控制尤为重要。针对永磁同步电机设计了基于模糊PID和前馈控制器的PMSM三闭环矢量控制系统。基于模糊控制理论建立模糊PID控制器，保证不同工况下系统自适应得到最佳PID参数；设计基于速度和加速度补偿的前馈控制器，减小因速度、加速度变化以及惯性引起的系统振荡；通过Matlab/Simulink对三闭环矢量控制系统进行仿真实验验证表明，设计的系统位置跟随性能相较于传统系统提升约4倍，稳态响应时间缩短至传统系统1/5且几乎无超调，能较好解决装车机移动定位精度和系统振荡问题。关键词：袋装水泥装车机；三闭环矢量控制；模糊PID；前馈控制器中图分类号：TM351 文献标志码：A 文章编号：1009-0134(2023)02-0085-040 引言目前，水泥自动装车机的装载方式为：装车机根据货车尺寸以及停放位置移动到不同的落包区域，进行多次落包1。驱动装车机执行移动动作的电机一般为永磁同步电机，其具有体积小、精度高和动态性能良好等优点，广泛应用于工业控制领域4。装载时，装车机系统每次移动，都要经历从启动到制动停止的过程，传统的三闭环矢量控制系统会预先设置好PID参数。而实际上装车机每次移动到相应落包位置时，移动的距离和速度不同，这种方法很难保证系统每次都精准的移动到对应落包位置。实践中发现利用传统方法进行移动定位时，位置偏差率大约在5%8%，且由于速度变化、惯性的原因导致系统超调量较大，振荡明显1。针对目前存在的问题，首先，设计了模糊PID控制器，根据位置偏差实时调整位置环PID参数，保证装车机不同的移动距离及速度工况下的定位精度。然后，提出在位置环PID控制器的基础上，增加基于速度和加速度补偿的前馈控制器，以改善系统的动态性能，减小启动时速度和加速度变化以及惯性导致的系统超调。最后，在MATLAB/Simulink环境下进行基于模糊PID和前馈控制器的PMSM三闭环矢量控制仿真实验，验证该系统是否满足装车机移动定位精度要求以及解决系统超调、振荡问题。1 装车机移动落包方案及电机控制模型1.1 装车机移动落包方案装车机采用多次落包的形式将水泥包装载到货车上，图1为装车机移动落包的示意图。装载时，落包定位系统在永磁同步电机的驱动下，装车机将水泥包运送至落包平台，然后根据当前货车的停放位置以及当前落包的位置，移动机构在第一次落包前将装车机移动到货车车厢头部位置，一次落包结束之后，装车机回到起始位置等待水泥包铺满落包平台，再移动到下一个落包位置，多次落包直至装满货车。显然，从起始位置移动至不同的落包位置，装车机每次移动的距离和速度不同，并且都会经历“启动匀速运行制动”的过程，在不同工况下频繁移动会导致移动定位不准确以及系统发生超调、振荡。前上右三维移动机构自动落包装置装车机多次落包水泥包落包平台图1 装车机移动到落包位置示意图【86】第45卷 第02期 2023-021.2 电机控制模型装车机的落包定位系统是由永磁同步电机(PMSM)驱动，在此首先建立PMSM电机控制模型。PMSM三相定子绕组之间的耦合情况和转子的位置相关联，为了简化各物理量之间耦合造成的非必要误差，在建立PMSM数学模型时，常常采用双轴(d-q轴)理论将PMSM动态模型从三相静态坐标系转换到同步旋转坐标系。在建立数学模型之前，需要四点假设4：忽略铁芯饱和；不计涡流和磁滞损耗；永磁体不计阻尼作用；相绕组重感应电动势波形是正弦波。假设d-q轴电感Ld=Lq=L，得到同步旋转坐标系下PMSM的电压方程为3,5：=+=+dddeqqqqedduRidtduRidt (1)磁链方程为：=+=dd dfqq qL iL i (2)转矩方程为：1.5()=epd qq dTnii (3)运动方程为：=eeLpdJTTndt (4)式中，ud,uq为同步旋转坐标系下定子电压；R为相电阻；id,iq为定子电流，d,q为永磁体磁链在同步旋转坐标系下分量；e为电角速度；f为PMSM永磁体磁链；Te为电磁转矩；np为极对数；TL为负载转矩；J为转动惯量。2 模糊PID控制器模糊PID控制是通过系统的偏差，借助专家经验制定出合理的模糊规则对PID参数进行自适应调整，所以不需要精确的数学模型3。综合控制效果、控制规则的复杂性以及装车机移动定位精度要求，将控制器设计为一个两输入、三输出的二维模糊控制器，其结构如图2所示。位置环偏差e及其变化率de/dt作为控制器的输入，PID调节值Kp,Ki和Kd输出量，自适应调节PID参数，以达到多种移动定位距离下精准定位的目的。建立模糊PID控制器的过程为：首先确定状态量的模糊等级，模糊等级分为7级，分别为负大,负中,负小,零,正小,正中,正大，英文表示为NB,NM,NS,ZO,PS,P-M,PB；然后基于实践经验设置控制器的输入量e和ec的论域为：-3,-2,-1,0,+1,+2,+3，输出量Kp,Ki和模糊化处理模糊推理去模糊化PID控制器速度环和电流环+refacteecddt图2 模糊PID控制器结构Kd的论域为-6,-4,-2,0,+2,+4,+6；接着考虑控制的灵敏度，选择正态分布和三角形结合的隶属度函数8,9；最后，根据专家经验制定了如下的模糊控制规则8：1）当偏差较大时：将Kp调大，Ki调小，Kd取0或负值，增加系统响应速率，反之亦然；2）当偏差的变化率较小时，将Ki调大，Kp调小；3）当偏差变大且偏差和偏差变化率符号相反，Kp为0或者负数，来保证系统稳态性能。综上所述，得到相应的模糊规则表，如表1所示，表中的值分别代表调节量Kp,Ki和Kd 8,9。表1 模糊规则表ece Kp,Ki,KdNBNMNSZOPSPMPBNBPB NBPSPB PMNMPB PMNMPM NMNMPS NSNSZO NSNMZO ZONBNMPB NMNBPB NBNMPB NMNMPS NMNMPS NSNSZO ZOZONS ZOZONSPM NMZOPM NMZOPM PMNMPS PMNMZO ZONSNS NSNSNS NMZOZOPM NSZOPM NMNSPM NMNSZO ZONSNS PMNSNM PMNSNM PMZOPSPS NSZOPS NSZOZO ZOZONS PMZONS PMZONM PBZONM PBPSPMPS ZOPBZO ZOPMNS PSPSNM PMPSNM PMPSNM PBPSNB PBPBPBZO ZOPBZO ZOPMNM PSPMNM PMPSNM PMPSNB PBPSNB PBPB 最后，使用MATLAB模糊控制工具箱建立所设计的模糊PID控制器，便于后续搭建仿真控制模型。3 前馈控制器在位置环控制器的基础上增加速度前馈控制环节，以减小系统超调和振荡，改善系统动态响应性能。图3所示为位置环控制框图，整个控制结构分为五个部分：输入位置、输出位置、位置环前馈传递函数、位置环PID整定参数以及内环传递函数(包括转速环和电流环)。其中ref表示参考的位置；act表示实际的位置；Kpid表示位置环模糊控制器输出的PID参数；Gf(s)表示前馈传递函数；Gs(s)表示速度环闭环传递函数。+refpidK()sG s()scGs1s+act+图3 位置环控制框图根据所设计的位置环控制框图，可以得到加入前馈控第45卷 第02期 2023-02【87】制器后的位置环闭环传递函数为：()()()()+=+fspidsppidsGs G sKG sGsKG s (5)由式(5)可以得到位置环误差的传递函数为：()1()()=+fpeppidssGsGGssKG s (6)经过计算和简化分析得到速度环的闭环传递函数表达式4为：1=+seKGus (7)式中，Ks表示速度环闭环等效增益，e表示速度环截止频率，u表示速度环相角裕量调节系数。为了保证实际位置与参考位置的一致性，将位置环误差置为0，得到前馈控制器传递函数为4：2()=+fessusGssKK (8)由式(8)可知，前馈控制器由加速度前馈和速度前馈两部分构成5。而装车机在启动和制动时加速度和速度都会发生变化，此时设置适当的速度、加速度补偿，可以有效的减小系统超调和振荡。4 系统仿真与结果分析为了验证所设计系统在不同工况下移动的定位精确性和动态稳定性，在MATLAB/Simulink平台下建立基于模糊PID和前馈控制器的三闭环矢量控制系统。通过与传统三闭环矢量控制系统进行性能比较，验证本文设计的系统是否能有效改善不同移动距离情况下的定位精确性，以及系统在启动和制动时动态响应性能。仿真模型中电机参数设定为定子电阻5.28W，d轴和q轴定子电感为6.4mH，转子极数为4，转动惯量为1.82e-4kgm2。位置环的模糊PID控制器的仿真框图如图4所示。图4 模糊PID控制器结构框图位置环前馈控制器的仿真框图如图5所示。图5 前馈控制器结构框图4.1 移动定位精确性验证为了验证装车机在不同移动距离下移动定位的精确性，选取位置跟随性能作为评价指标，即比较本文设计的系统与传统系统的位置跟随特性，计算平均偏差率来得出性能比较结果。为了模拟装车机移动到不同落包位置的场景，设计了两个场景：移动距离较短、速度较慢的工况以及移动距离较长、速度较快的工况，比较两者之间的位置跟随特性。设置输入位置指令y1=2sin(2t)模拟移动距离短的工况，设置y2=10sin(10t)模拟移动距离长的工况。由于电机负责驱动整个系统，负载较大，所以在仿真开始时就加入10Nm的负载，而相较于系统的重量，水泥包的重量可以忽略，因此不需要在其他时间段添加负载。设置仿真时间为1s，两种工况下的位置跟随结果如图6所示，图6(a)为改进的系统在移动距离等于2m、速度为1m/s时的位置跟随情况，图6(b)为相同条件下传统系统的位置跟随情况。图6(c)为改进系统在移动距离为10m、速度为5m/s时的位置跟随情况，图6(d)为相同条件下传统系统的运动情况。由图6可知，传统系统启动时，初始位置产生了一定的偏移，整体有较为明显的滞后，经过计算得到与参考位置的平均偏差率为分别为6.5%和4.8%。而改进后的系统位置跟随效果明显更好，计算得到与参考位置的平均偏差率分别为1.3%和1.1%。因此，本文设计的系统定位精度较传统三闭环系统提升了约4倍，具有良好的位置跟随性能，能满足不同移动距离下的精准定位要求。0.00.20.40.60.81.0-2-1012position(m)time(s)ideal pos actual posposition(m)0.00.20.40.60.81.0-2-1012ideal posactual postime(s)ideal pos actual posposition(m)(a)改进系统的位置跟随结果(幅值2)(b)传统系统的位置跟随结果(幅值2)0.00.20.40.60.81.0-10-50510 ideal pos actual posposition(m)time(s)0.00.20.40.60.81.0-10-50510 ideal pos actual posideal posactual postime(s)position(m)(c)改进系统的位置跟随结果(幅值10)(d)传统的位置跟随结果(幅值10)图6 改进系统和传统系统的位置跟随结果图4.2 动态响应性能验证为了验证系统在启动和制动时是否具有良好的动态响应性能，选取系统稳态响应时间和超调量作为性能评价指【88】第45卷 第02期 2023-02标，分析并计算改进后系统和传统系统的响应时间及超调量，以验证改进后的系统是否满足动态响应要求。在此设置单位阶跃信号y=1作为位置指令，对两系统进行仿真，仿真时间为1s，得到图7所示的仿真结果图。由图7可知，本文设计的系统大约在0.02s左右稳定，几乎没有超调，而传统的三闭环系统大约在0.1s左右稳定，有大约5%左右的超调量。这说明改进后的系统在前馈控制器和模糊PID的综合作用下，具有良好的动态响应特性，能够较好的抑制装车机启动和制动时因速度变化以及惯性导致的超调量和振荡。0.00.20.40.60.81.00.00.51.0postion(m)time(s)传统系统改进后系统1.051.01.05图7 改进系统和传统系统的阶跃响应对比图5 结语本文针对装车机因每次移动到落包位置的距离和速度不同而难以精准定位的问题，设计了基于模糊PID和前馈控制器的PMSM三闭环矢量控制系统。基于模糊控制理论制定符合装车机实际工况的模糊控制规则，设计了模糊PID控制器，使系统能根据不同的位置偏差实时调整PID参数。针对系统速度变化和惯性导致系统振荡的现象，设计了速度与加速度前馈控制器，对系统启动和制动时速度和加速度变化进行补偿，减小系统超调及振荡。最后，利用Matlab/Simulink平台对设计的系统进行仿真，验证了改进后系统性能的优越性。结果表明，基于模糊PID和前馈控制器的系统的位置跟随性能较传统系统提升约4倍，响应时间降至传统系统的1/5，有效的解决了移动距离不同所带来的定位精度问题，以及减小速度变化和惯性所造成的系统振荡问题。参考文献：1 李启迪.自动装车机多自由度协调控制研究D.中国科学技术大学.2 冯静.永磁同步电机伺服系统设计D.北京印刷学院,2013.3 刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真M.电子工业出版社,2004.4 刘可述.PMSM伺服系统速度环和位置环控制器参数自整定技术D.哈尔滨工业大学,2012.5 袁雷,胡冰新,魏克银,等.现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真M.北京航空航天大学出版社,2016.6 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