混凝土泵车节能用油门模糊PID控制器的研究.pdf

_ 奠 柏耷2 o 混凝土泵车节能用油门模糊 P I D 控制器的研究 武四辈， 曾发林 ( 江苏大学) + + ” + + + ” + ” + ” + ” + ” + ” + + + + 。 + + ” + + 。 + + “ + + ” + + + + + “ + + ” + + + + + + 。 + 。 + 。 + 。 + 。 + 。 + 。 、 摘要： 从混凝土泵车节能的角度出发， 提出实现混凝土泵车节能的理论和控制策略。 根据不同工作要求， 将泵 ； t 车工作过程分为3 个动力模式和 1 个怠速模式， 分别对应不同的发动机油门位置和转速。为使发动机转速控制在规 定的低油耗区内工作， 在油门控制中采用了模糊P I D控制方法。 根据泵车外部负荷改变而引起的发动机转速的变化 ； ； 情况，由模糊 P I D控制器实时控制直流伺服电机实现对油门位置的精确控制，从而达到节能的目的。通过 M a t 一 十 l a b S i m u l i n k 仿真表明， 模糊 P I D控制效果优于传统的 P I D控制， 能实现对油门的精确控制。 十 关键词： 混凝土泵车； 模糊 P I D控制； 节能； 油门控制 近年来 ， 随着国民经济的高速发展 ， 混凝土泵送 施工技术在我 国发展很快 ， 并 已在高层建筑 、 桥梁 、 地铁等工程中广泛地应用_ 1 1 。混凝土泵车属于大功 率 、 高耗油 的机械动力设备 ， 泵车节能性的好坏直接 关系到施工成本 的高低及环境污染的程度 ， 混凝土 泵车的节能问题 已经受到了业 内人士的普遍关注。 而 目前 的混凝土泵车无论在何种实际工况下都处于 某一 固定的转速 ， 这样在轻载荷时发动机的功率利 用率很低 ， 造成了极大的能量浪费， 另一方面在超载 时发动机转速不稳定 ， 甚至熄火。因此 ， 根据实际的 工作情况来研究泵车的节能控制策略十分有必要。 本文提出将发动机的工作状况与负荷相匹配 ， 通过 合理匹配泵与发动机 ， 提高功率利用率 ， 从而提高整 机的效率和发动机的可靠性 。合理地利用发动机功 率 ， 还可有效提高燃油效率 ， 降低混凝土泵车在使用 过程 中的燃油成本 ， 提高产品的竞争力 。 实践证明油门位置的精确控制是实现节能的关 键技术之一 ， 为此 ， 本文提出采用模糊 P I D控制方 法对发动机油门位置进行精确控制 ， 并具体介绍其 控制原理和仿真效果 。 l 发动机油门位置稳定与节能的实现原理 在图 1中， 曲线 1 、 2 、 3为部分负荷速度特性曲 线 ， 斜线 4 、 5 、 6为部分负荷调速特性 ， 曲线 L 、 、 为对应的燃油消耗率曲线。假设发动机工作于速度 特性 2的最低油耗 区， 设在 曲线 的 点 ， 假如外 负荷增加 ， 将使发动机转速下降 ， 如果不调节油门， 一 1 2 0 转n ( r mi n ) 图 1 发动机特性 曲线 发动机将远离 4点工作 ； 假如设在 日点 ， 燃油消耗 率将增大 ， 浪费能源。 而且 ， 如果外负荷居高不下 ， 又 不增大油门开度 ， 发动机将有熄火 的可能。 而如果此 时适当调节油 门开度 ，使发动机工作于速度特性 1 的最低油耗 区， 设在 的 E点 ， 则不仅 可满足外界 负荷的需要 ， 还可以使发动机回到最低油耗 区工作 ， 从而节约能源。同理 ， 如果此时外负荷减小 ， 发动机 转速将增大 ， 也将使发动机离开 点工作 ， 设工作 于 C点 ， 若此时不降低油 门， 能量就会 白白浪费掉 一 部分 。 而如果适 当减小油 门开度， 使发动机工作于 特性 3的最低油耗区 ， 设在 曲线 的 D点 ， 这样既 可以节约能源消耗 ， 又能够满足外负荷 的要求。 如此 调节发动机油门开度，使发动机始终工作于最低油 耗工况 ， 既满足了外界负荷 的要求 ， 又达到了节能的 目的。同样 ， 对于其它工况 ， 只要根据发动机转速调 节油门开度 ，保证发动机的转速在允许范围内稳定 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一一 一 一 曩 运转， 使发动机始终工作于指定工况下， 这样既能满 玎 r ， ， ，、 E ： - 足负荷的需要，又能充分利用发动机功率，提高效 ( s ) 一 + 2 率， 达到节能的目的翻 。 三 本文的发动机油门位置 电控系统是以某型柴油 式中： ( s ) 为给定齿条位移 ( t ) 的拉 氏变换 ； t o 为 饥为控制样机进行设计的，对其它型号的工程机械 执行机构的无阻尼自然振荡角频率， r a d s ； 为执行 楷 用柴油发动机也不失一般性 。 根据上述理论 ， 本文提 机构的阻尼因子。 譬 篓 耋 曼 3油 门 控 制 系 统 的 构 成 同 工 况 ，分为 以下几个动力模式 ： 重 载模式 H( 泵 车 一 一 进行高层或中层高速浇筑时，主要重视泵车的生产 考虑到混凝土泵车作业循环的多工况以及外 效率， 即发动机在全功率工况下工作 ) 、 经济模式 E 负荷的多变化会使控制系统面临着强烈的干扰， 若 ( 泵车进行中层低速或低层快速浇筑时， 重视泵车的 采用传统 P I D控制 ，则会产生一个很大的超调量， 油经济性 ， 此模式为最常用 的模式 ) 、 轻载模式 L 使 系统振荡 。而模糊控制作为一种智能 的控制理 ( 泵车低层浇筑) 和怠速模式 I ( 泵车不工作时) 。开 论 ， 不需要系统的精确的数学模型， 只依靠操作人 眙工作时，操作员根据实际的工作状况选择相应 的 员 的经验和专家知识 ， 经一定的数据处理后 ， 形成 泵车工作模式， 在某一模式下， 适时调节发动机的油 若干条规则， 作为模糊控制规则 ， 然后依据人脑的 门， 使其转速保持在规定的低油耗区内， 这样就可实 模糊推理过程， 确定推理法则， 最后做出模糊决策 ， 睨泵车的节能。 去执行具体的动作。借助于模糊控制理论的优点 ， z 控 制 系 统 数 学 模 型 的 建 立 毳 磊 羹 耋 lll，住 刷 |，ll J 中 币 ll X、l l I1、，百 1于r _r叶 币 l1寸 币 ll泵 L 1 柴油机模型 如图 2 。 增 P I D 控 制 器 卜 _ 1 位 置 液 压 缸 I l 錾 4 - J I l藏 一 I油 门 I柴 油 机 r - 式 中 ： ( )为 柴 油 机 转 速 ；叩 (t一丁 )为 控 制 供 油 量 的 齿 I d 卜 模 糊 推 理 系 统 f 位置； A ( ) 为扰动量函 数； 为柴油机时间常数； r L 一 对涡轮增压柴油机的运动可用二次方程表示， 图2 模 糊自 适 应P I D 控 制系 统 框 图 翳鬟 圣 拉 氏变换简化后的传递 函数为 ： 适应控制 系统是 一个具有一定适应 能力 的系 l， ( ) 一 ： ， 咎 能 别 _环 孥 享 校 _正 竽 ，使 式中 ： Y( s ) 是 y ( t ) 的拉氏变换 ； ( s ) 是 n ( t ) 的拉氏 变换 ； 以( s ) 是 A ( ) 的拉氏变换 。 设扰动 A ( t ) = 0 ， 得 ： 2 ! 2 ： f 3 1 e H( s ) s+ 2 s + 2 2 执行器模型 执行器机构为可逆的直流伺服 电机 ，一般采用 环形电枢电流伺服电机 ，可认为是一个标准的二阶 环节。 整个执行环节的传递 函数为 ： 到对 P I D参数 自整定 的要求。利用模糊控制规则进 行模糊推理 ， 查询模糊矩阵 ， 利用模糊控制理论在线 分别调节 P I D控制器的 、 k 和k 3 个参数， 使控制 系统具有 良好的动 、 静态性能 ， 且具有计算量小 、 抗 干扰性强 、 实时性好等优点。 、|j 、 k 的修正参数的计算式如下： p = p + e ， e c p F + e ， e c d = d + f e ， e c d 式 中： f e ， e c 为相应 的模糊控制表 ， 是模糊 控制设计 的核心 。 一 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m - 总结工程技术人员的技术知识和实际操作经 k ) ，作为模糊 P I D控制系统投入运行的初始参数， 验， 建立合适的模糊控制表， 得到针对 k p , k 、 k 3 个 也是传统 P I D控制器的运行参数。 参数整定的模糊控制表及 4 9条模糊控制规则 ， 模 在闭环比例控制下 ，利用估计求出的过程模型 糊控制规则如表 1 所示。2 个输入和3 个输出变量 参数找出系统的临界增益 和振荡频率 ， 以此作 均划分为 7 个模糊子集 ，其中 e 、 e c 、 k p , k 的变量基 为调节器 的初始预整定值 ，然后按 Z i e g l e r N i c h o l s 本论域为卜3 ， 3 ， k 的基本论域为 _ 0 3 ， O 3 。 方法求得预整定参数翻 。 模糊 自适应 P I D控制系统的隶属 函数为 ：角 4 2 仿真结果对比 函数， 模糊推理算法为“ M a n d a n i ” 方法， 权重“ w e ig h t ” 在 M a t l a b S im u l i n k 环境下建立模糊 P I D控制系 取 1 ， 解模糊采用“ C e n t r o i d ” ( 重心) 法。 统的仿真模型 ， 如图 3所示 ， 图 4为仿真结果 。 4 控 制 仿 真 及 结 果 分 析 差 4 1 P I D参数的预整定 器在 1 5 s 时就 已经趋于稳定 ， 达到稳定的时间大大 参数预整定是基于对象动态特性 的辨识 ， 估测 少于普通 P I D控制器 。 对象的数学模 型，在某种指标下 ，得到参数( 后 、 k 、 ( 下转第 6 9页) 表 1 、 岛、 的模糊控制规则 eC e NB NM NS Z0 P S PM PB NB PB ， NB P S PB， NB， NS PM， NM NB PM， NM B P S ， NS B Z 0， ZO， NM Z0 Z 0 P S NM PB ， NB ， P S P B， NB， NS P M， NM， NB P S， NS ， NM Ps NS ， NM Z0， Z 0， NS NS ， Z 0 Z0 NS P M NB 0 PM NM， NS PM NS ， NM PS ， NS， NM Z0， Z 0， NS NS S ， NS NS 王 ， S Z0 Z 0 P M， NB 亿0 PM， NM， NS PS ， NS ， NS Z0 Z 0， NS NS ， PS ， NS NM PM， NS MN P M Z O P S PS ， NM厂 Z 0 PS ， NS Z0 Z0 ZO ZO NS P S ZO NS ， P S ， Z O NM PM亿0 NM， P B， Z0 P M P s 厂 Z 0 P B Z O Z0， NS NS S ， P S NM， P S ， P S NM P M， P s NM PB， PS NB PB ， P B PB Z0 Z0 P B ZO Z0 P M NM P S P M NM P M P M NM P M， P s NB ， P B， P S NB PB， PB 、 r _ _J _一 羹 l 广下， 妊 n - - + J 上L + d _ 嘲 广7 _ - 1 ， ， d e f I 】 上 L L 二 _ 传 递 函 数1 传 递函 数 2 积分 一 I - -J 微 分 - 广 1 - 婵 2 乘积2 = = i r l l I 模糊控制器 1 _ 一 L + 一 2 5 o l 1 l ， 、 1 + l d 喇 l d e I - r 、 ： = j J 丽 I- 传 递 函 数 传 递 函 数 3 一 1 4一 图3 模糊 P I D控制和传统P I D控制的 S i mu l i n k建模 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 挖钻机建账 、 建档、 运行资料、 技术资料、 相关信息资 料的整理归档 ； 协助及配合使用部门做好旋挖钻机 的维修 、 保养、 零配件的供应工作 。 2 ) 使用部门。 一般设立部门经理 1 2名 ， 由具 有钻探及相关专业知识 、 施工经验丰富的人员担任 ； 每台钻机配备 2个施工作业班组 ， 每班 23人 ， 班 组成员至少需 1 0 0 h的安全技术操作 、维护保养培 训， 掌握一定的操作技能， 理论知识考试合格后才能 正式上岗 ， 操作过程中要认真做好各项记录。 3 ) 材料备件组。拥有 3台以上钻机可以设立 1 2人的材料备件组 ， 负责钻机 日常材料及配件的 计划、 采购、 储备 、 调拨和发用等。 4 ) 维护保养班 。拥有 3台以上钻 机可以设立 1 2人的维护保养班 ，专门负责钻机 日常维护 、 保 养 、 调试以及钻机的质量信息反馈 、 技术改造等。 5 ) 核算组 。拥有 2台以上钻机可以设立 1 2 人的核算组 ， 负责旋挖钻机的工作量核算 ， 经营成 本、 利润的核算并负责 日常的财务工作 。 旋挖钻机购入后 ， 必须建立有效的管理制度 ， 具 体包括 ： 岗位人员培训制度 、 安全技术操作规程 、 维 护保养规程 、 定期检修制度 、 交接班制度 、 备件及资 料管理规定 、 日常记录制度 、 定期安全检查制度 、 重 大事情报告制度 、 启封封存管理规定等。 7 结论 近年广东地区引进的多功能旋挖钻机效率高、 污染少 、 功能多 ， 得到越来越多客户的接受和相关部 门的认 同。 但 因为缺乏相应 的产品标准、 尚未编制旋 挖钻机施工规范 、 没有系统 的工法研究 、 缺少技术培 训和基本理论的研究等原因，旋挖钻机在广东地区 的广泛使用尚需时日。旋挖钻机的施工过程与土木 工程、 钻探施工工艺结合紧密， 研制设计技术人员应 熟悉桩基础施工，使用技术人员应了解其工作原理 和作业性能。有关科研单位生产厂家及施工部门应 该开展与旋挖钻机相关的( 基本结构工作原理、 液压 技术、 机电控制技术 、 安全规程等 ) 技术培训 、 施工经 验交流等活动，为旋挖钻机在广东地区的推广使用 提供技术保障。 参考文献 1 】 郭传新，杨文军 旋挖钻机国内外发展状况及应用前 景 J 建设机械技术与管理， 2 0 0 5 ( 3 ) 2 G J B 0 2 9 8 广州地区建筑基坑支护技术规定 通信地址 ： 广州市黄石路黄石花园广东省地质工程公司设 备科( 5 1 0 4 2 5) ( 收稿 日期 ： 2 0 0 8 0 7 0 8 ) ( 上接 第 1 4页 ) 普通 P I D响应 曲线 、 ； 一 、 模 特 I P I D 控 制 ； 响 应 曲 线 图 4普通 P I D和 F u z z y P I D 控制器 的阶跃响应 5 结论 够在 不同的运行状态下及 时地对 P I D控 制器 的参 数进行智能调节，因而它在改善被控过程的动静态 性能、提高抗干扰能力及对参数时变的鲁棒性方面 均优于传统的 P I D调节 。通过 Ma t l a b S i m u l i n k仿真 可以看 出该节能控制系统性能稳定 、 效果好。 参考文献 【 1 吴学松 国内混凝土泵 车发展概况 建筑机 械化 ， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 9 1 O 【 2 金立生，赵丁选 液压挖掘机节能用油门模糊控制器 的开发研究 J 1 _ 中国公路学报， 2 0 0 4 ( 1 ) ： 1 1 9 1 2 0 3 】 刘金琨 先进 P I D控制及其 M A T L A B仿真 M 北京： 电子工业 出版社 ， 2 0 0 3 由于参数 白适应模糊 P I D控制器在参数 k p , k i 和k 与转速偏差 e 和偏差变化率 e c 之间建立了在 通信地址： 江 苏省镇江市江苏大学2 4 2 信箱( 2 1 2 0 1 3 ) 线 白整定 的基 于经验和智能的关系 ， 从而使 系统能 ( 收稿日 期： 2 0 0 8 0 9 1 5 ) 一 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m