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基于模糊PID的负载敏感系统运动控制方法研究

作　者: 杨晶
导　师: 同志学
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 负载敏感系统比例伺服阀模糊-PID控制 PID控制液压系统运动控制 MATLAB仿真
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着科学技术的发展，负载敏感技术由于高效和节能的优势，在车辆、工程机械和矿山机械等行业中得到了广泛的应用。负载敏感控制系统是最近发展起来的一种无关于负载的液压系统，可以很好地解决液压系统的输出特性与负载特性相适应的问题，增强系统的负载自适应能力，提高能量利用率。但它属于非线性不确定系统，有参数时变、扰动大、难以精确建模的特点。它的这些特点对系统的影响不容忽视，会影响到系统的稳定性、动态特性及精度。因此，选择合适的控制方法对实现负载敏感系统的良好控制十分重要。常规的PID控制器至今仍是应用最广泛的、最基本的控制器。PID控制器有成熟的控制理论和分析设计方法，它有控制算法结构简单、工作可靠性好的优点，能够比较有效地控制线性定常系统。但是PID控制器也有自身难以克服的缺点，面对工业对象普遍存在非线性、时变性和不确定性等因素，它不能动静态性能兼顾，PID控制器参数往往整定不良甚至根本无法整定，对运行环境的适应性也较差。二十世纪晚期兴起的模糊控制针对这种复杂的、不确定的系统处理能力强，控制性能好。它是智能控制算法的一个重要分支，利用专家的控制经验编程的控制规则对系统进行控制，不依赖精确的模型，算法灵活，特别适用于控制非线性、大滞后、时变又难以建立精确数学模型的系统。但模糊控制算法却也有控制精度不高的缺点。因此，本文采用模糊PID控制算法，它既保持模糊控制算法的控制灵活快速，不依赖精确模型的优点，又继承了传统PID控制算法控制精度高的优势，二者互补，实现了系统智能控制，达到了良好的控制效果。本文根据液压实验室四自由度液压机械手的负载敏感控制系统实际参数，确定了一组液压油路的传递函数。阐述了模糊PID控制算法理论，并设计出负载敏感系统模糊PID控制器。在控制仿真软件MATLAB/Simulink平台上分别建立系统的模糊PID控制器和PID控制器模型进行仿真，比较PID控制与模糊PID控制下负载敏感系统的控制效果，结果表明：模糊PID控制系统较PID控制系统有响应速度快、上升时间短、无滞后、超调小、抗扰动性强的特点。而且模糊PID控制算法继承了PID控制算法系统静差小的优点，克服了模糊控制器控制粗糙和精度不高的不足。模糊PID控制器控制效果好，满足系统控制性能需要。最后在仿真研究的基础上，在液压实验室四自由度负载敏感液压机械手模拟实验台上建立实验系统，利用西门子S7-300PLC编程PID控制器和模糊PID控制器对负载敏感液压系统进行控制，比较PID控制器和模糊PID控制器的效果，分析控制过程中控制参数对控制结果的影响。实验效果令人满意。实时试验结果与仿真结果基本一致，验证了模糊PID控制器对负载敏感系统良好的控制性能。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-10
1.绪论  10-20
  1.1 课题研究背景及意义  10
  1.2 液压控制系统控制策略的发展  10-11
  1.3 课题相关技术的发展和研究方向  11-18
    1.3.1 模糊PID控制研究现状  11-14
    1.3.2 负载敏感控制技术研究现状  14-16
    1.3.3 电液比例伺服控制技术研究现状  16-18
  1.4 课题的主要研究内容  18-20
2.负载敏感液压系统的建模与分析  20-37
  2.1 负载敏感系统  20-23
    2.1.1 负载敏感系统分类  20
    2.1.2 开中心式负载敏感多路阀的结构原理  20-23
  2.2 液压机械手  23-26
    2.2.1 液压机械手的组成  23-24
    2.2.2 液压机械手液压控制系统原理  24-26
  2.3 电液比例伺服控制系统原理和组成  26-27
  2.4 电液比例伺服位置控制系统数学建模  27-34
    2.4.1 比例放大器传递函数  27-28
    2.4.2 电液比例伺服方向阀的传递函数  28
    2.4.3 位移传感器的传递函数  28
    2.4.4 阀控液压缸的数学模型  28-34
  2.5 电液比例伺服位置控制系统的模型  34-36
  2.6 本章小结  36-37
3.负载敏感液压系统的模糊PID控制系统研究  37-60
  3.1 PID 控制基础理论  37-41
    3.1.1 PID 控制原理  37-38
    3.1.2 PID 的控制方案  38-39
    3.1.3 PID 参数整定方法  39-41
  3.2 模糊控制基础理论  41-45
    3.2.1 模糊控制原理  42-43
    3.2.2 模糊控制器的结构  43-45
  3.3 模糊控制器的设计理论  45-51
    3.3.1 量化因子和比例因子  45-46
    3.3.2 输入输出变量的语言值  46
    3.3.3 隶属度函数  46-48
    3.3.4 模糊化方法  48
    3.3.5 模糊控制规则  48-49
    3.3.6 去模糊化方法  49-51
  3.4 模糊 PID 控制器基本原理  51-52
  3.5 负载敏感系统的模糊 PID 控制器的总体方案设计  52-59
  3.6 本章小结  59-60
4.基于MATLAB的模糊PID控制器的建模与仿真  60-69
  4.1 负载敏感系统的模糊 PID 控制器的仿真研究  60-67
    4.1.1 由 Fuzzy Toolbox 生成模糊控制表  60-63
    4.1.2 MATLAB/Simulink 中 PID 仿真和模糊 PID 仿真  63-67
  4.2 仿真结果分析  67
  4.3 本章小结  67-69
5.基于西门子S7-300PLC的模糊PID控制实现  69-76
  5.1 硬件及通讯网络组态  69-70
    5.1.1 硬件组态  69-70
    5.1.2 通讯网络组态  70
  5.2 PID 控制编程  70-71
  5.3 模糊 PID 控制编程  71-73
    5.3.1 模糊 PID 控制器流程图  71-72
    5.3.2 S7-300 PLC 程序流程图  72-73
  5.4 实验结果与分析  73-74
    5.4.1 实验结果  73-74
    5.4.2 实验结果分析  74
  5.5 本章小结  74-76
6.总结与展望  76-78
  6.1 总结  76-77
  6.2 展望  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-82
硕士研究生学习阶段发表的论文  82

基于模糊PID的负载敏感系统运动控制方法研究

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