一种基于模糊PID复合控制的冷再生机喷洒控制方法

摘要

本发明公开了一种基于模糊PID复合控制的冷再生机喷洒控制方法，涉及冷再生机喷洒控制技术领域。该方法在路面冷再生机上安装一由切换判断模块、模糊控制器模块和PID控制器模块组成的模糊PID复合控制器；通过模糊控制器和PID控制器的复合控制对路面冷再生机喷洒系统中的喷水流量进行控制，在大偏差下采用模糊控制，小偏差下采用PID控制，通过软件开关对两个控制器进行切换，实现对喷洒控制系统很好的控制。优点：使得喷洒控制系统能够很好的运行在选定的目标流量上，实现系统对喷洒水量的快速精确控制，大大提高了路面冷再生施工的质量和效率。

说明书

技术领域

本发明涉及冷再生机喷洒控制技术领域，具体是一种基于模糊PID复合控制的路面冷再生机喷洒控制方法。

背景技术

我国公路主要以沥青道路为主，但由于长期以来，我国沥青道路的设计和施工标准较低，这使路面的养护工程和翻修工作量倍增，工程材料的需求量大大增加。同时大量废弃材料也给自然环境造成越来越大的影响。因此，沥青路面的再生利用被提到了议事日程上。沥青路面就地冷再生技术，使得旧路面的材料得到重新利用，可以有效解决资源浪费和环境污染等一系列问题，是一项符合可持续发展规律的有效措施。

路面冷再生技术是指充分利用旧路面材料，根据需要加入部分新骨料或细集料，然后喷洒适量的水、水泥浆、泡沫沥青或乳化沥青等，在自然环境温度下连续地完成材料的铣刨、破碎、添加、拌合、摊铺及压实成型，重新形成具有所需承载能力结构层的一种工艺方法。然而路面冷再生机就是一种能有效地实现路面再生工作的现代化公路养护机械。

冷再生机的核心是一个装有若干个硬质合金刀具的切削转子，转子旋转时向上切削现有旧路铺层材料，在转子切削材料的同时，来自再生机前面并由再生机推动前行的水罐车中的水，通过软管输送给再生机，并由机载系统喷洒进拌合罩壳内。喷水量由再生机的微机控制系统进行精确地计量，在拌合罩壳内与被切削下的材料进行充分均匀地混合以达到路面再生所需的最佳含水量。同时，其喷洒系统也可以加入乳化沥青或泡沫沥青等再生添加剂。

喷洒系统是冷再生机的重要组成部分，是路面冷再生的关键。喷洒控制系统的优劣直接决定了道路冷再生的效果和质量。传统的喷洒控制系统是通过PID控制器对系统进行控制，PID参数利用试探法整定，给定单位流速阶跃信号，在仿真时发现系统在输入值较大的情况下，系统响应的超调量较大，调整PID控制器参数，系统最终能够趋于稳定状态，且稳态误差较小。由于模糊控制是以模糊集合化、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，与常规的PID控制相比除了具有无需建立被控对象的数学模型外，还具有对被控对象的时滞性、非线性和时变性具有一定的适应能力等优点，同时对噪声也具有较强的抑制能力，即鲁棒性好。故模糊控制在控制偏差较大的情况下能够实现很好的控制效果。但模糊控制算法本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。这是因为常规的模糊控制器以误差和误差的变化作为输入变量，可认为这种控制器仅具有模糊功能的比例—微分作用，而缺乏积分作用。因此，模糊控制系统拥有较佳的动态性能，但在稳态性能上却无法令人满意。在线性控制理论中，比例积分作用既能获得较高的稳态性能，又具有较快的动态响应。

目前，传统的路面冷再生机喷洒控制方法主要是依赖简单的阈值控制和单一的PID控制，控制精度差，施工效率低，严重影响施工质量和路面成型质量。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于模糊PID复合控制的冷再生机喷洒控制方法，实现对喷洒水量的精确控制，同时提高了稳定性。

本发明是以如下技术方案实现的：一种基于模糊PID复合控制的冷再生机喷洒控制方法，在路面冷再生机上安装一由切换判断模块、模糊控制器模块和PID控制器模块组成的模糊PID复合控制器；通过模糊控制器和PID控制器的复合控制对路面冷再生机喷洒系统中的喷水流量进行控制，具体步骤如下：

（1）系统根据冷再生机作业时的工作参数，确定出喷洒水的目标流量L₀；

（2）流量传感器测得喷洒水管路中的当前流量L，并计算出当前流量的偏差ΔL，即ΔL=L-L₀；

（3）复合控制器根据当前流量的偏差ΔL判断应该使用复合控制器中的模糊控制器还是PID控制器；如果使用PID控制器进入步骤（4）,如果使用模糊控制器进入步骤（5）；

（4）使用PID控制器模块时，直接将流量偏差ΔL输入到PID控制器中，利用PID调节器输出的电压控制量U来对整个系统的流量控制进行调节；

（5）使用模糊控制器时，需要将当前流量与目标流量的偏差ΔL和流量偏差的变化率                                                输入到模糊控制器中，在模糊控制器中对两个输入量进行模糊化，选择三角形隶属度函数，并基于大量经验数据建立规则库，最后经过模糊推理和去模糊化输出精确的电压控制量U；

   （6）当流量传感器检测到喷洒水管路中的水流量L发生改变时，重复(1)~(5)

步，进行新一轮的控制。

     本发明的有益效果是：将PID控制引入模糊控制系统中，构成模糊—PID复合控制器，提高冷再生机喷洒系统的稳态性能，这种复合控制策略在大偏差范围内采取模糊控制，在小偏差范围内转换成PID控制，二者的转换由微机程序根据事先给定的偏差范围（阈值）自动实现，提高控制系统精确性和稳定性。

附图说明

    下面结合附图对本发明作进一步说明。

    图1是模糊PID复合控制系统原理图；

    图2是复合控制器执行模糊控制器时的系统原理图；

    图3是复合控制器执行PID控制器时的系统原理图；

    图4是E、EC及U的隶属度函数图；

    图5是模糊推理系统输入、输出原理图。

具体实施方式

如图1所示，在路面冷再生机上安装有模糊PID复合控制器，通过模糊控制和PID控制的复合控制来对路面冷再生机的喷洒系统中的喷水流量进行控制，模糊PID复合控制器通过流量传感器测得当前水管中水的流量和流量的变化率并且根据系统设定的目标流量来控制水泵的转速，实现对喷洒水的流量精确控制。

在控制器中先设定复合控制器中PID控制器和模糊控制器切换的偏差阈值ΔL_q。模糊PID复合控制器通过安装在车辆上用于测量车辆速度、转子铣拌深度数的传感器获得的参量并通过传递函数模型计算得到目标流量L₀，并通过流量传感器测得当前流量L，并通过公式ΔL=L-L₀可以计算出当前的流量偏差ΔL。

模糊PID复合控制器中PID控制器和模糊控制器之间的切换依靠切换判断模块对流量偏差ΔL与预先设置的偏差阈值ΔL_q的大小进行判断来实现，当流量偏差ΔL大于偏差阈值ΔL_q时，软件开关开启模糊控制器；当流量偏差ΔL小于偏差阈值ΔL_q时，软件开关开启PID控制器；偏差较大的时候使用模糊控制器调节，偏差较小的时候使用PID控制器调节，最终达到模糊PID复合控制器对整个控制系统实现很好的调节。

   1）切换判断模块：切换判断模块主要是一段对当前流量L与目标流量L₀偏差ΔL实时判断的程序，作为一个软件开关来使用。当流量偏差ΔL大于偏差阈值ΔL_q时，切换判断模块控制软件开关指向模糊控制器，而当流量偏差ΔL小于偏差阈值ΔL_q时，软件开关指向PID控制器，从而实现当在偏差较大的时候使用模糊控制器调节，偏差较小的时候则使用PID控制的功能。

     2）模糊控制器：当ΔL>ΔL_q时，控制器执行模糊控制器模块。首先利用流量偏差ΔL求出流量偏差变化率，然后把流量偏差和变化率分别作为模糊控制器的输入参数e和ec输入到模糊控制器中。在模糊控制器中参数e和ec通过一定的规则进行模糊化处理为E和EC，并把经过模糊化处理后的E和EC在模糊控制算法中运算，得出控制算法的输出U。输出的模糊参量U再经过模糊判决解模糊后得到可以被控制系统识别的输出量电压u，并对该系统产生控制作用。

 3）PID控制器：当ΔL<ΔL_q时，控制器执行PID控制器模块。PID控制器模块中的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd是通过大体分析系统的传递函数后并基于大量的工程试验采用试探法确定出来的，确定后的参数值就构成了模糊PID复合控制器中的PID控制器部分，来对控制系统的响应特性进行调节。系统直接将流量偏差信号输入到PID控制器中，经过控制器的比例、积分、微分调节后输出控制参数来控制喷洒系统中的执行元件水泵，实现对系统的PID控制。采用试探法，首先仅选择比例矫正，使系统能够在稳定后满足闭环稳定性的指标，然后在此基础上根据稳态误差加入适当的积分环节，使系统稳定裕量和快速性下降，之后再加入适当的微分环节，以保证系统的稳定性和快速性。试探法的过程一般需要循环试探几轮，方能使系统闭环后达到理想的性能指标。

模糊PID复合控制器的输入参数是流量偏差ΔL，并且将该输入参数分别输入至上述三个模块中，其中切换判断模块通过利用流量偏差ΔL判断系统该使用模糊控制器还是PID控制器，并控制软件开关开启相应的状态。模糊控制器模块和PID控制器模块均通过流量偏差ΔL的输入在控制器中经过一系列的运算判断输出控制量，并通过软件开关后来控制冷再生机喷洒流量控制系统中的喷洒水泵。流量传感器直接测量管路中的实际水流量反馈给控制器中，形成对流量的闭环反馈控制。

   如图2所示，在模糊控制器的设计中，首先通过向控制器输入的当前流量与目标流量偏差ΔL，计算出当前流量与目标流量偏差的变化率，即=dΔL/dt。并且将流量偏差ΔL作为模糊控制器的误差输入e，将流量偏差的变化率作为模糊控制器的误差导数（变化率）输入ec，两个输入参数输入到模糊控制器模块中。然后对误差e和误差导数ec进行模糊化处理，处理后的参数分别用E和EC来表示。在此设定输入到模糊控制器中的流量偏差e和流量偏差ec以及输出u的基本论域均为13个等级{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，对应的模糊规则子集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。在实际系统中，冷再生机流速偏差e的变化范围为[-12,12]，偏差变化率的范围为[-30, 30]。经坐标变换后，控制电压u的取值范围为[-2.5,2.5]。这样，相应的量化因子K_e、K_ec分别为：6/12=0.5,6/30=0.2，比例因子K_u=2.5/6=5/12。

输入输出变量的隶属度函数选择三角形隶属度函数如图4所示，把两个输入E、EC以及输出U的隶属度函数所有的取值列表表示，如表1所示：

表1   

当模糊控制器的输入参数E、EC以及输出参数均模糊化后，就可以确定它们之间的模糊控制算法，建立规则库。以路面冷再生机操作人员、设计技术人员的经验为基础，确定出49条控制规则。模糊控制器的模糊规则按照格式 If(E is …)and(EC is …)then(U is …)or 建立模糊控制规则如表2。每一条规则之间是“或”的关系：R=R1 ∨ R2 ∨ R3…Rn 。

表2 

如图5所示，模糊推理系统输入、输出原理图中有两个输入参数E和EC，中间经过模糊推理规则表后得到模糊控制器的输出参数U，完成模糊控制器中模糊推理的处理流程。

一般来说，模糊控制算法是通过计算机的程序实现的。模糊控制的具体实现方法有3种：直接查表、解析计算以及在线推理。后两种方法都涉及到大量的计算，特别是矩阵运算，不太适合于指令系统相对简单，运行速度相对缓慢的微控制器。为了简单起见，本发明采用查表法实现。在模糊控制过程中对采样得到的数据在线计算输入变量，将他们模糊化处理，通过查表的方式确定输出的控制变量，实时对系统进行自动控制。利用matlab的模糊推理工具，采用动态仿真可以很容易的得到模糊控制查询表如表3所示。实际执行时，需将查表所得控制量乘以比例因子K_u，再经坐标变换后，才能施加到被控对象上。

表3  

最后对模糊控制器中经过模糊推理后得出的输出参数U进行解模糊运算后可以得到能够直接施加到控制系统中输出参数u。在进行去模糊化的时候，按照加权平均的方法进行去模糊化处理。处理后的控制器输出参数直接控制喷洒水泵，并且由流量传感器再将喷洒系统的流量实时反馈给控制器，实现对流量的闭环反馈控制。

如图3所示，在系统的PID控制器的设计中主要是对控制器参数的确定。PID控制器采用静态PID调节技术，PID控制器中的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd是通过大体分析系统的传递函数后并基于大量的工程试验采用试探法确定出来的，确定后的参数值就构成了模糊PID复合控制器中的PID控制器部分，来对控制系统的响应特性进行调节。系统直接将流量偏差信号输入到PID控制器中，经过控制器的比例、积分、微分调节后输出控制参数来控制喷洒系统中的执行元件水泵，实现对系统的PID控制。PID控制器的输出参数经过软件开关后直接控制喷洒水泵，并且由流量传感器再将喷洒系统的流量实时反馈给控制器，实现对流量的闭环反馈控制。

路面冷再生机在工作作业时喷洒控制器通过安装在车辆上的车速、铣拌深度传感器测出的参数值和人为设定的参数值自动分析出当前工作状态下喷洒装置的目标喷洒流量L₀，并通过流量传感器测得当前流量L，并通过公式ΔL=L-L₀可以计算出当前的偏差流量ΔL，并将该流量偏差输入到模糊PID复合控制器中，对整个控制系统进行控制调节。具体步骤如下：

（1）系统根据路面冷再生机作业时的车辆行驶速度和铣拌转子的铣拌深度和人工设定的参数，并通过并通过传递函数模型计算确定出喷洒水的目标流量L₀；

（2）流量传感器测得喷洒水管路中的当前流量L，并计算出当前流量的偏差ΔL，即ΔL=L-L₀；

（3）复合控制器中的切换判断模块根据当前流量的偏差ΔL与偏差阈值ΔL_q的大小判断应该使用复合控制器中的模糊控制器还是PID控制器。当流量偏差ΔL>ΔL_q时，软件开关指向模糊控制器，而当流量偏差ΔL<ΔL_q时，软件开关指向PID控制器，

（4）当使用PID控制器时，直接将流量偏差ΔL输入到PID控制器中，利用PID控制器中的比例、积分、微分调节来对整个系统的流量控制进行调节；

    （5）当使用模糊控制器时，模糊控制器的具体实现步骤如下：

   a、计算当前流量与目标流量偏差的变化率，即=dΔL/dt；

b、对当前流量的偏差ΔL、偏差的变化率以及输出变量U进行模糊化，其中输入变量的模糊集合为：

ΔL={NL:负大，NM:负中，NS:负小，ZO:零，PS:正小，PM:正中，PL:正大}

={NL:负大，NM:负中，NS:负小，ZO:零，PS:正小，PM:正中，PL:正大}

输出变量的模糊集合为：

U={NL:负大，NM:负中，NS:负小，ZO:零，PS:正小，PM:正中，PL:正大}

输入输出变量的隶属度函数选择三角形隶属度函数；

c、建立规则库，以路面冷再生机操作人员、设计技术人员的经验为基础，确定出49条控制规则，其中每条控制规则的结构均为：

R_i：If(E is …)and(EC is …)then(U is …)

d、模糊推理和去模糊化，每条模糊规则之间具有“或”的关系，描述整个系统的控制规则总的模糊关系为：

         R=R₁ ∨ R₂ ∨ R₃…R_n

在进行去模糊化的时候，按照加权平均进行去模糊化，经过以上步骤可以得到精确的控制输出量U；

（6）当流量传感器检测到喷洒水管路中的水流量L发生改变时，重复(1)~(5)步，进行新一轮的控制。

该发明主要是考虑到PID控制在大偏差调节下容易产生震荡超调现象，但在稳态附近却能够由很好的控制精度和稳定性。模糊控制无需建立被控对象的数学模型，对被控对象的时滞性、非线性和时变性具有一定的适应能力，鲁棒性好，在大偏差调解下能够很好的进行控制，但是模糊控制算法本身消除系统稳态误差的性能比较差难以达到较高的控制精度。综合以上分析，本发明采用模糊PID复合控制系统，在大偏差下采用模糊控制，小偏差下采用PID控制，通过程序开关对两个控制器进行很好的切换，实现对控制系统很好的控制。