专利名称：基于液粘软启动装置的模糊免疫pid控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及液粘软启动装置的调速和软启动技术领域，尤其涉及一种基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制系统及方法。
背景技术：
液体粘性传动(Hydro-viscous Drive，HVD)简称液粘传动，是上世纪70年代中期发展起来的一种新型流体传动形式，是继液压传动、液力传动之后，第三种以液体为工作介质的传动技术。液体粘性传动机理主要是摩擦片间润滑传动油膜的形成机理是液体粘性传动的关键。找出油膜形成的必要条件并探讨各系统参数(如润滑介质的温度、压力、流量、 粘度以及摩擦片形状、尺寸、沟槽、材料等)对油膜建立的影响是关键。它是基于牛顿内摩擦定律，利用流体粘性或油膜剪切力来传递动力。液粘软启动装置理论上可以实现同步传动，能够减小启动时对工作机械的破坏性冲击，延长其使用寿命，因此特别适用于带式输送机、风机、水泵等大功率重载机械。目前，液粘软启动装置的控制部分采用电液比例控制系统，控制策略大多采用常规的PID控制，部分采用模糊PID控制。由于该系统具有非线性、时变性和大惯性的特点，并且受外界各种因素和自身摩擦片变形及磨损的影响，常规PID控制器很难实现按S曲线软启动。模糊控制器是一种思维语言控制器具有较强的鲁棒性，对被控对象的非线性、时变性等具有很强的适应能力，但是容易陷入局部最优。有鉴于此，有必要提出一种基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制系统及方法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制系统及方法，通过将生物免疫调节机理与模糊控制和常规PID控制有机结合，其鲁棒性强、调整时间短。本发明的一种基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制系统，所述模糊免疫PID控制系统包括液粘软启动装置以及与液粘软启动装置相连的PID控制器，所述PID控制器分别与免疫模糊调节模块和模糊推理模块相连。作为本发明的进一步改进，所述液粘软启动装置包括相连的摩擦片组和控制油缸。作为本发明的进一步改进，所述液粘软启动装置与控制器、放大器及电液比例阀相连组成一个回路。相应地，一种基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制方法，所述模糊免疫PID控制方法包括
51、选取PID控制器中的非线性函数f；
52、免疫模糊调节模块对比例系数kp进行免疫模糊调节；S3、模糊推理模块对积分系数h和微分系数kd进行在线修改。作为本发明的进一步改进，所述步骤SI中的非线性函数f通过二维模糊控制器FC实现。作为本发明的进一步改进，所述输入变量被两个模糊集模糊化，分别是正和负；输出变量被三个模糊集模糊化，分别是正、零和负。作为本发明的进一步改进，所述二维模糊控制器FC的输入为PID控制器的输出和输出变化的模糊量；二维模糊控制器FC的输出为非线性函数f的模糊量。
本发明的有益效果是本发明基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制系统及方法中模糊控制和免疫PID控制相结合，既具有免疫PID控制的可靠性又具有模糊算法的强鲁棒性和调整时间短的优点，还具有免疫算法全局自寻优能力，能更好地控制液粘软启动装置快速且无超调地响应和跟踪期望输出。同时，对比例系数kp进行免疫模糊调节，对积分系数h和微分系数kd进行在线修改，以满足不同误差e和误差变化de对控制参数的不同要求，使被控对象有良好的快速响应特性和鲁棒性，从而使PID控制器有较强的自适应性。
图I是本发明中液粘软启动装置控制系统的结构示意 图2是本发明中模糊免疫PID控制系统的结构示意 图3是本发明中模糊免疫PID控制方法的流程示意 图4a、4b是本发明中PID控制器中非线性函数f的输入变量u和du以及输出变量f的隶属函数 图5a、5b是本发明及现有技术的三种控制方法在无干扰和有干扰下的数值模拟曲线； 图6a、6b、6c是本发明及现有技术的三种控制器的试验曲线。
具体实施例方式以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。参图I所示为本发明中液粘软启动装置控制系统的结构示意图。液粘软启动装置10包括相连的摩擦片组11和控制油缸12，优选地，在本实施方式液粘软启动装置控制系统中，液粘软启动装置10与控制器13、放大器14及电液比例阀15相连组成一个回路。图I中，Coi为按要求给定的输入转速，ω。为系统的输出转速。摩擦片组11是液粘软启动装置10 (HVSS装置)中传递动力的主要部件，控制系统通过调节电液比例阀15的压力，调节摩擦片组11间油膜的厚度，即可调节系统输出转速ω。和摩擦片组11的输出扭矩；电液比例阀15的压力按照驱动负载进行调定，并通过所设计的控制器进行控制。参图2所示为本发明中模糊免疫PID控制系统的结构示意图。在本实施方式中模糊免疫PID控制系统100包括液粘软启动装置10以及与液粘软启动装置10相连的PID控制器20，其中PID控制器20分别与免疫模糊调节模块21和模糊推理模块22相连。参图3所示，本发明一实施方式中基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制方法，其特征在于，该方法包括51、选取PID控制器中的非线性函数f；
52、免疫模糊调节模块对比例系数kp进行免疫模糊调节；
53、模糊推理模块对积分系数h和微分系数kd进行在线修改。其中，kp、kp kd分别为比例系数、积分系数和微分系数，对kp进行免疫模糊调节，对积分系数h和微分系数kd进行在线修改，以满足不同误差e和误差变化de对控制参数的不同要求，使被控对象具有良好的快速响应特性和鲁棒性，从而使控制器具有较强的自适应性。步骤SI中PID控制器中非线性函数f的选取，对控制性能有很大的影响，并且非常困难。利用模糊规则可逼近任意非线性函数的特点，本发明实施方式中采用一个二维模糊控制器FC来实现免疫反馈规律中的非线性函数f :每个输入变量被两个模糊集模糊化，分别是正(P)和负(N);输出变量被三个模糊集模糊化，分别是正(P)、零(Z)和负(N)。FC的输入即为免疫控制器的输出u(k)和输出变化AuGO的模糊量；输出为非线性函数f的 模糊量。按“细胞接受的刺激越大，则抑制能力越小”和“细胞接受的刺激越小，则抑制能力越大”的原则，可采用以下四条模糊规则
(1)Ifu is PB and du is PB then f is NB (I)
(2)If u is PB and du is NB then f is Z (I)
(3)If u is NB and du is PB then f is Z (I)
(4)If u is NB and du is NB then f is PB (I)
在各规则中，使用Zadeh的模糊逻辑AND操作，采用Mamdani模糊推理，并使用“centroid”反模糊化方法得到模糊控制器的输出f。图4a、4b为本发明一实施方式PID控制器中非线性函数f的输入变量u和du以及输出变量f的隶属函数图。仿真分析时采用MATLAB编程软件对常规PID控制、模糊PID控制和模糊免疫PID控制三种控制方法进行对比，采用方波作为输入，期望系统的输出也是方波。参图5a、5b所示为三种控制方法在无干扰和有干扰下的数值模拟曲线。其中，I是系统的期望输出曲线，2是常规PID控制响应曲线，3是模糊PID控制响应曲线，4是模糊免疫PID控制时的响应曲线。从图中可以看出，模糊免疫PID控制响应速度最快、跟踪性最好；常规PID控制时的响应速度最慢、跟踪性最差；模糊PID控制性能介于两者之间。在5s时加入一个幅值为O. 5的信号干扰，仿真曲线如图5(b)。从图中可以看出，加入干扰后，模糊免疫PID控制波动较小、调整时间较短，对系统的干扰较小。所以，模糊免疫PID控制抗干扰性能最好。参图6a、6b、6c所示本发明的三种控制器的试验曲线，其中图6a采用常规PID控制，图6b采用模糊PID控制，图6c采用本发明的模糊免疫PID控制。由图中可以看出由于流量的脉动、负载变化和液压传动滞后，所以实测速度曲线都存在一定的波动和滞后，但是实测速度基本按给定速度按S曲线启动。试验结果表明采用模糊免疫PID控制可以实现带式输送机按S曲线软启动，输出速度能较好地跟踪给定速度，且无明显的速度波动，证明了理论分析和仿真的正确性。由上述技术方案可以看出，本发明基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制系统及方法中模糊控制和免疫PID控制相结合，既具有免疫PID控制的可靠性又具有模糊算法的强鲁棒性和调整时间短的优点，还具有免疫算法全局自寻优能力，能更好地控制液粘软启动装置快速且无超调地响应和跟踪期望输出。同时，对比例系数kp进行免疫模糊调节，对积分系数Iii和微分系数kd进行在线修改，以满足不同误差e和误差变化de对控制参数的不同要求，使被控对象有良好的快速响应特性和鲁棒性，从而使PID控制器有较强的自适应性。应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说 明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制系统，其特征在于，所述模糊免疫PID控制系统包括液粘软启动装置以及与液粘软启动装置相连的PID控制器，所述PID控制器分别与免疫模糊调节模块和模糊推理模块相连。
2.根据权利要I所述的模糊免疫PID控制系统，其特征在于，所述液粘软启动装置包括相连的摩擦片组和控制油缸。
3.根据权利要2所述的模糊免疫PID控制系统，其特征在于，所述液粘软启动装置与控制器、放大器及电液比例阀相连组成ー个回路。
4.一种如权利要求I所述的基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制方法，其特征在于，所述模糊免疫PID控制方法包括 51、选取PID控制器中的非线性函数f; 52、免疫模糊调节模块对比例系数kp进行免疫模糊调节； 53、模糊推理模块对积分系数h和微分系数kd进行在线修改。
5.根据权利要求4所述的模糊免疫PID控制方法，其特征在于，所述步骤SI中的非线性函数f通过ニ维模糊控制器FC实现。
6.根据权利要求5所述的模糊免疫PID控制方法，其特征在于，所述输入变量被两个模糊集模糊化，分别是正和负；输出变量被三个模糊集模糊化，分别是正、零和负。
7.根据权利要求6所述的模糊免疫PID控制方法，其特征在干，所述ニ维模糊控制器FC的输入为PID控制器的输出和输出变化的模糊量；ニ维模糊控制器FC的输出为非线性函数f的模糊量。
全文摘要
本发明提供了一种基于液粘软启动装置的模糊免疫PID控制系统及方法，所述模糊免疫PID控制系统包括液粘软启动装置以及与液粘软启动装置相连的PID控制器，所述PID控制器分别与免疫模糊调节模块和模糊推理模块相连。本发明采用模糊控制和免疫PID控制相结合，既具有免疫PID控制的可靠性又具有模糊算法的强鲁棒性和调整时间短的优点，还具有免疫算法全局自寻优能力，能更好地控制液粘软启动装置快速且无超调地响应和跟踪期望输出。同时，对比例系数kp进行免疫模糊调节，对积分系数ki和微分系数kd进行在线修改，以满足不同误差e和误差变化de对控制参数的不同要求，使被控对象有良好的快速响应特性和鲁棒性，从而使PID控制器有较强的自适应性。
文档编号F16H61/40GK102853069SQ20121032367
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月5日 优先权日2012年9月5日
发明者谢方伟, 郑刚, 李霞龙, 杨修文, 刘健, 宋喜福 申请人:江苏大学