基于PLC的攤鋪機(jī)行走控制系統(tǒng)糾偏算法研究

摘要：對(duì)瀝青混凝土履帶式攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)糾偏控制進(jìn)行了研究，提出了在模糊PID控制攤鋪機(jī)恒速性能的基礎(chǔ)上引入左右履帶里程關(guān)聯(lián)的方法來(lái)解決攤鋪機(jī)行走過(guò)程中跑偏的問(wèn)題通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明了模糊PID加左右履帶里程關(guān)聯(lián)的控制方法是可行的。
關(guān)鍵詞：瀝青混凝土攤鋪機(jī)；PID控制；模糊PID控制；里程關(guān)聯(lián)

    隨著我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)的高速發(fā)展，工程建設(shè)對(duì)施工設(shè)備的質(zhì)量有了更高的要求。由于攤鋪機(jī)是邊走邊作業(yè)的施工機(jī)械，其行駛速度穩(wěn)定性和行駛的直線性對(duì)攤鋪路面的平整度、初始密實(shí)度、離析程度有著很大的影響，因此行走控制系統(tǒng)的性能是影響攤鋪機(jī)作業(yè)性能的重要因素，在很大程度上決定著攤鋪質(zhì)量的好壞。
    目前攤鋪機(jī)行走系統(tǒng)控制方法主要采用PID控制。PID控制由于算法簡(jiǎn)單，魯棒性好，可靠性高，在控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但PID控制依賴(lài)被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，由于攤鋪機(jī)液壓伺服系統(tǒng)多為非線性、時(shí)變復(fù)雜系統(tǒng)，參數(shù)變化大，PID參數(shù)確定困難。若單純采用固參數(shù)的常規(guī)PID控制則不能滿足在不同偏差下系統(tǒng)對(duì)PTD參數(shù)自整定的要求，控制器對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性差，從而影響其控制效果。模糊控制不依賴(lài)于被控制對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)性能好、受系統(tǒng)參數(shù)變化的影響小，但穩(wěn)態(tài)精度不高。采用模糊PID控制器并引入左右履帶里程差關(guān)聯(lián)的方法，既有模糊控制靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又有PID控制精度高的特點(diǎn)，同時(shí)引入左右履帶的里程差方法，提高了攤鋪機(jī)的行走控制效果。

1 攤鋪機(jī)行走控制系統(tǒng)
    瀝青混凝土攤鋪機(jī)普遍采用雙泵-雙馬達(dá)系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)左右兩側(cè)為獨(dú)立的行駛驅(qū)動(dòng)液壓回路。通過(guò)對(duì)左右兩側(cè)獨(dú)立的泵和液壓馬達(dá)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)的前進(jìn)／后退、左右轉(zhuǎn)向及原地轉(zhuǎn)向等動(dòng)作控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，達(dá)到恒速控制的目的。圖1所示為攤鋪機(jī)行走系統(tǒng)的控制框圖?？刂破鞯暮诵氖强刂谱兞勘帽壤姶砰yY1、Y2、Y3、Y4，通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)比例電磁閥的電流控制泵的排量實(shí)現(xiàn)控制左右履帶的行駛速度。通過(guò)比例電磁閥不同的組合方式，可以實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)的前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)向動(dòng)作。通過(guò)馬達(dá)換向閥控制Y5、Y6進(jìn)行馬達(dá)高低速轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)行走／攤鋪兩種工作模式。

    圖1中Rs、Rh、Rt分別為最大行駛速度電位器、驅(qū)動(dòng)手柄電位器和轉(zhuǎn)向電位器。Kt為原地轉(zhuǎn)向按鈕，Ks為緊急制動(dòng)按鈕，Kp為行走／攤鋪二位開(kāi)關(guān)，在“攤鋪”位時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)恒速和直線控制，利用速度傳感器V1和V2將行駛速度反饋至輸入端，行駛控制采用閉環(huán)模式。
    攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖如圖2。

     

2 控制器設(shè)計(jì)
    從上面分析知道，攤鋪機(jī)行走系統(tǒng)的控制都?xì)w結(jié)到對(duì)變量泵比例電磁閥控制。本文采用脈寬調(diào)制的方式，PWM頻率定為100Hz，為了在糾偏的同時(shí)提高恒速控制的性能，本文采用模糊PID控制。
2．1 常規(guī)PID控制
    PID控制算法是利用偏差信號(hào)，采用比例、積分、微分三個(gè)基本環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)PID控制算法。PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭?br />     常規(guī)PID控制的差分方程：

    式中：u(k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻控制器的輸出：e (k)為第k個(gè)采樣時(shí)刻的偏差值，Kp、Ki、Kd分別為為比例增益、積分系數(shù)和微分系數(shù)。
其增量式控制算法為：

    本文采用增量式PID控制算法以提高控制性能。在進(jìn)行軟件編程前，必須對(duì)Kp、Ki、Kd進(jìn)行初始化，因此應(yīng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行預(yù)整定。PID參數(shù)的整定比較成熟的方法有臨界靈敏度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法、Z-N法等等。本文利用Z-N法確定了一組PID參數(shù)Kp、Ki、Kd分別為0．4、0．0 3、0．2。實(shí)際應(yīng)用中可結(jié)合具體情況反復(fù)整定并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定一組較滿意的控制參數(shù)。
2．2 自適應(yīng)模糊PID控制
2．2．1 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)
    自適應(yīng)模糊PID控制器是以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻誤差e和誤差變化率ec對(duì)PID參數(shù)整定的要求。利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。自適應(yīng)模糊PID控制器的原理圖見(jiàn)圖3。

    PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)與誤差e(k)和誤差變化率ec(k)之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)，根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e(k)和ec(k)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能。PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻三個(gè)參數(shù)的作用及相互之間的關(guān)系。
2．2．2 模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)
    選擇E與EC作為攤鋪機(jī)行駛速度偏差e及速度偏差變化率ec的輸入語(yǔ)青變量，輸出語(yǔ)言變量選擇KP、KI、KD，也就是參數(shù)Kp、Ki、Kd相應(yīng)的語(yǔ)言變量。利用{負(fù)大、負(fù)小、零、正小、正大}={NB、NS、ZE、PS、PB}五個(gè)模糊狀態(tài)描述語(yǔ)言變量E、EC、KP、KI、KD。
    我國(guó)瀝青混凝土攤鋪機(jī)作業(yè)攤鋪速度一般情況下≤6m／min，此處確定速度偏差e的基本域?yàn)閇-0．6，0．6]，利用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法求出的PID整定參數(shù)可以確定Kp、Ki、Kd的大致變化范圍，Kp變化范圍為[0．2，0．8]，Ki變化范圍為[0．01，0．07]，Kd變化范圍為[0．2，0．6](根據(jù)控制周期的不同，PID控制參數(shù)的取值范圍就會(huì)不同)。語(yǔ)言變量的隸屬度賦值表如表1，2。

    模糊自整定PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢(xún)模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。
    模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)參數(shù)自整定規(guī)律，建立合適的模糊推理規(guī)則表，得到針對(duì)Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表如表3-5。

    根據(jù)上述模糊控制規(guī)則，應(yīng)用模糊推理的合成規(guī)則離線計(jì)算出模糊控制器的輸出，也就是PID參數(shù)Kp、Ki和Kd的校正量△Kp、△Ki和△Kd，得到△Kp、△Ki和△Kd的查詢(xún)表。實(shí)時(shí)控制時(shí)，首先根據(jù)e和ec的量化值直接從離線獲得的查詢(xún)表中查出校正量△Kp、△Ki和△Kd的量化值，再通過(guò)解模糊處理，得到△Kp、△Ki和△Kd的精確值，最后把它們和PID參數(shù)的基值Kp0、Ki0和Kd0按式(5)分別相加，得到在該狀態(tài)下對(duì)電磁閥實(shí)施控制所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)Kp、Ki和Kd，然后按PID控制算法繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)算及控制。
    Kp=Kp0+△Kp
    Ki=Ki0+△Ki       (5)
    Kd=Kd0+△Kd
    在運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)PID參數(shù)的自校正。

3 左右履帶里程差控制策略
    本文采用模糊PID控制，同時(shí)引入左有履帶里程差糾偏環(huán)。將左馬達(dá)的速度作為反饋值與左馬達(dá)的設(shè)定速度值進(jìn)行比較，同時(shí)將右馬達(dá)的速度值作為反饋值與有馬達(dá)的設(shè)定速度值進(jìn)行比較，分別通過(guò)模糊PID調(diào)節(jié)器獨(dú)立控制左右馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，使其與設(shè)定值相同，這是控制的核心部分。再將左、右履帶行駛里程的差值作為反饋值并以追蹤零為目標(biāo)通過(guò)比例調(diào)節(jié)器形成控制量，對(duì)其中一個(gè)馬達(dá)的速度設(shè)定做調(diào)整，形成糾偏環(huán)，這是控制的輔助部分?？刂瓶蚣芙Y(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
4．1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
    將此糾偏控制算法應(yīng)用于新筑公司MT12000型攤鋪機(jī)的行走系統(tǒng)控制中，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為2200r／min進(jìn)行控制效果測(cè)試。

    測(cè)試方法：每項(xiàng)測(cè)試距離為履帶長(zhǎng)度的2-5倍(即17米-42．5米)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速，在攤鋪機(jī)兩側(cè)的機(jī)架及相鄰履帶設(shè)定試驗(yàn)的起始基準(zhǔn)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)向控制器置于零位，使攤鋪機(jī)按某一作業(yè)速度向前直線行駛，到達(dá)終點(diǎn)后停機(jī)，分別測(cè)量左右距離差的絕對(duì)值，來(lái)計(jì)算相對(duì)的跑偏量。
    攤鋪機(jī)試驗(yàn)過(guò)程軌跡圖如圖6：

    采用糾偏算法在不同的速度設(shè)定值下得到的結(jié)果如表6：

    不采用糾偏算法在不同的速度設(shè)定值下得到的結(jié)果如表7。
    從以上表6、表7的對(duì)比測(cè)試結(jié)果可以看出，利用此糾偏控制算法使MT12000型攤鋪機(jī)的直線度跑偏量控制在0．4％以?xún)?nèi)，大大提高了攤鋪機(jī)的行駛直線度性能，改善了攤鋪機(jī)的整體控制效果。

5 結(jié)束語(yǔ)
    瀝青混凝土攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)的直線度性能的提升是改善路面施工質(zhì)量的重要途徑之一，單純依靠模糊PID控制可以提高機(jī)器的行駛恒速性能，但難以保證左右履帶行程的一致性，從而無(wú)法確保機(jī)器的行駛直線度。本文探討了在模糊PID控制的基礎(chǔ)上加上左右里程關(guān)聯(lián)的方法，并將其應(yīng)用在攤鋪機(jī)的行駛系統(tǒng)控制中，用以提高攤鋪機(jī)的直線行駛效果。對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明，用此糾偏控制算法獲取的直線行走效果在原有控制效果的基礎(chǔ)上提高了0．5％左右，在很大程度上提升了攤鋪機(jī)的直線行駛性能。