模糊自适应PID在液压电梯速度控制中的联合仿真

摘 要：液压电梯是一种变负载、变容腔、变粘度的速度控制系统，且负载呈现大惯量、低频响、低阻尼的特点，其速度控制一直是个难点。当采用常规PID控制时，在控制对象变化时，控制器的参数不能自动修改适应，导致其控制效果不佳，且传递函数阶数高，简化降阶又十分困难。在分析液压电梯工作原理的基础上，将模糊控制与PID控制相结合，利用模糊推理方法实现PID参数的在线自整定，对液压电梯速度进行控制。通过Simulink与AMESim软件联合仿真，并与常规PID控制进行比较，得出所采用的模糊自适应PID控制策略能使轿厢更好地跟踪理想速度曲线，控制效果更为优良。

0 引言

液压电梯是一种典型的机电液速度控制系统，目前在国内外实际控制中一般都采用闭环PID控制，但是针对具有非线性、大滞后、时变性特点的液压电梯时，经典PID控制效果往往不佳[1]；当采用轿厢速度直接反馈的大闭环控制系统时，虽然控制精度很高，但由于闭环内传递函数阶数高，简化降阶十分复杂，系统很难控制，鲁棒性差。为了达到理想的控制精度和稳定性，提高乘客乘坐的舒适感，本文利用Simulink软件将模糊自适应PID控制策略应用到液压电梯速度控制中，并在AMESim软件环境中建立物理模型，以摆脱复杂的数学建模。该方法为液压电梯速度控制器在线优化与自适应提供了新思路和新技术，具有较高的理论价值和应用价值。

1 液压电梯速度控制系统

1.1 液压电梯工作原理

液压电梯是一种典型的机电液一体化产品，其基本组成包括：泵站系统、液压控制系统、承重升降系统、导向系统、轿厢、门系统、电气控制系统和安全保护系统[2]。

当液压电梯上行时，由控制器输出上行信号，变频器根据输入的控制信号，经整流、滤波、逆变后，产生相应频率和电压的交流电，驱动三相交流异步电机运转，带动液压泵，致使管道中的油液压力迅速增高，直至顶开单向阀和负载力相平衡，所有压力油全部进入到油缸中，推动柱塞以相应速度向上运行，如图1所示。

在该电梯系统整个上行工作中，轿厢速度经光电编码器检测不断反馈到控制器中，控制器根据电梯理想速度曲线和实际速度曲线不断校正输出给变频器的控制信号。

1.2 电梯理想速度曲线

电梯在使用过程中伴随着频繁的加速和减速过程，而且作为一种垂直升降的运输设备，乘客对其速度的变化更为敏感。因此对电梯速度的控制必须考虑乘坐的舒适感。由前人实验得知，影响乘客舒适感的最大因素并非加速度，而是加速度的变化率。因此，采用余弦加速度导数连续原则设计了具有正弦函数特征的速度曲线[3]，如图2所示。其中，v为电梯的理想速度曲线，a为加速度曲线，a′为加速度的变化率。

2 液压电梯速度控制系统的建模

2.1 液压电梯速度控制原理

液压电梯的速度控制是利用闭环反馈的方式进行控制，通过速度传感器直接测得轿厢的运行速度，并作为反馈信号，利用与理想速度曲线的偏差和偏差的变化率来对轿厢速度进行PID控制[4]，同时通过模糊推理对PID三个参数进行优化，其速度控制原理图如图3所示。

2.2 模糊自适应PID控制器设计

模糊自适应PID控制器是利用不同偏差E和偏差变化率EC作为输入，通过专家的PID参数整定经验总结出的模糊控制规则对PID的三个参数进行在线修改，以满足不同时刻的E和EC对PID参数的自整定要求[5]。其结构框图如图4所示。

2.3 仿真模型的建立

整个液压电梯系统分为主回路部分和控制部分。其中主回路部分的建模在AMESim软件中完成，控制部分在MATLAB/Simulink中完成。MATLAB/Simulink与AMESim的联合仿真，通过AMESim界面菜单下创建输出图标功能与Simulink中的S函数实现连接。

2.3.1 主回路部分建模

借助AMESim软件，首先在Sketch模式下调用系统提供的液压库、机械库和信号库建立由变频器、电动机、液压泵、液压阀、柱塞油缸、钢丝绳、动滑轮、轿厢组成的液压电梯系统，然后进入Parameter模式对仿真模型中的每个元件进行参数设置[6]，如图5所示。

2.3.2 控制部分建模

变频器采用模糊自适应PID控制，控制模型如图6所示，其中模糊自适应PID控制器的模型如图7所示。根据上述控制器的设计，取模糊控制器的量化因子分别为Ke=0.9，Kec=0.02；模糊输出的比例因子Kup=3.2，Kui=2.3、Kud=0.15[7]。

3 仿真与结论

本文针对液压电梯这种受随机因素干扰、具有大惯性、纯滞后的非线性分布参量的复杂控制对象，采用了模糊自适应PID控制策略，并以MATLAB软件和AMESim软件为辅助工具，对模糊自适应PID控制和常规PID控制进行联合仿真试验[8]，结果如图8所示。结果表明，本文所采用的控制方法能很好地控制速度的各个运行阶段，确保了系统的响应时间和稳定精度，使得轿厢能较好地跟踪理想曲线的速度特性运行。

参考文献

[1] 杨恢先，蔡炎平，杨心力.基于GA整定PID的液压电梯速度控制研究[J].控制工程，2012，19（2）：203-204.

[2] 全国电梯标准化技术委员会.GB 21240-2007液压电梯制造与安装安全规范[S].2007.

[3] 李晶.液压电梯速度控制研究[D].上海：同济大学，2006.

[4] 杨祖元，杨华芬.双闭环直流调速系统模糊PID控制研究[J].计算机应用研究，2011，28（3）：921.

[5] 袁凤莲.Fuzzy自整定PID控制器设计及其MATLAB仿真[J].沈阳航空工业学院学报，2006，23（1）：71-73.

[6] 彭天好，朱刘英，胡佑兰.基于AMESim的泵控马达变转速系统仿真分析[J].液压与气动，2010（9）：33-35.

[7] 王川川，赵锦成，齐晓慧.模糊控制器设计中量化因子、比例因子的选择[J].四川兵工学报，2009，30（1）：61-63.

[8] 刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2011：288-291.