基于动态PID控制的液粘调速离合器控制方法

摘要

本发明公开了一种基于动态PID控制的液粘调速离合器控制方法，其将运行工况分为启动状态和运行状态，在启动状态将控制油压作为直接控制对象，在运行状态将从动轴转速作为直接控制对象，并在运行状态下实现了PID参数的动态变化。与现有技术相比，本发明具有动态响应好、不易引起超调、调节时间短、不容易产生震荡等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及液粘调速离合器的控制方法。

背景技术

液粘调速离合器是在二十世纪七十年代发展起来并得到广泛应用的新型 传动装置。它依靠液体的粘性和油膜的剪切作用传递转矩和调节转速，通过调 节控制油压改变主、从动摩擦片之间的油膜厚度即压紧程度，从而在主动轴转 速不变的条件下，实现从动轴转速无级调速。液粘调速离合器主要应用于风机、 水泵、带式输送机以及特种船舶动力等场合，如图1所示，液粘调速离合器90 的调速控制系统主要由电液比例阀91、转速传感器92、电控器93等组成，其 中电控器93是液粘调速离合器调速控制系统的核心，其采用PID控制方法对 液粘调速离合器90的从动轴转速进行调节。

电控器将从动轴的转速反馈信号与目标转速信号进行比较，将得到的误差 值进行处理，再经过积分放大，去控制电液比例阀的溢流量，使液粘调速离合 器获得对应的控制油压，从而获得所需要的输出转速。电液比例阀是电控器直 接控制的对象，阀的溢流量与输入电流成正比，可连续无级调节控制油路的压 力。

目前传统的PID控制方法，在被控制对象所在工况发生变化以及其自身大 幅度变化时存在动态响应差、易引起超调、调节时间长、容易产生震荡等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种动态响应好、不易引起超调、调 节时间短、不容易产生震荡的基于动态PID控制的液粘调速离合器控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

基于动态PID控制的液粘调速离合器控制方法，包括以下步骤：

a、根据液粘调速离合器的从动轴转速大小确定运行工况，如果从动轴转 速小于等于预设的启动转速，则判断液粘调速离合器处于启动状态，并转到步 骤b，如果从动轴转速大于预设的启动转速，则判断液粘调速离合器处于运行 状态，并转到步骤e；

b、在液粘调速离合器处于启动状态时，将液粘调速离合器的目标控制油 压设置为给定值r(t)，将采集的实际控制油压设置为反馈值y(t)；

c、设置启动状态时的油压PID参数K_PS、K_IS和K_DS，其中，K_PS为启动比例 系数，K_IS为启动积分系数，K_DS为启动微分系数；

d、根据PID控制公式$u\left(t\right)=K_{PS}·e\left(t\right)+K_{IS}\underset{j=0}{\overset{ts}{\Sigma }}e\left(j\right)+K_{DS}[e\left(t\right)-e(t-1)]$进行PID输出 量u(t)的计算，其中，ts为启动状态结束的时刻，e(t)＝r(t)-y(t)；

e、在液粘调速离合器处于运行状态时，将液粘调速离合器的从动轴的目 标转速设置为给定值r(t)，将检测到的实际从动轴转速值设置为反馈值y(t)；

f、设置运行状态时的转速PID参数K_PD、K_ID和K_DD；其中，K_PD为运行状 态比例系数，K_ID为运行状态积分系数，K_DD为运行状态微分系数；K_PD和K_ID的 值均根据转速的变化而动态变化；

g、根据PID控制公式$u\left(t\right)=K_{PD}·e\left(t\right)+K_{ID}(Sum+\underset{j=ts+1}{\overset{t}{\Sigma }}e(j\left)\right)+K_{DD}[e\left(t\right)-e(t-1)]$进 行PID输出量u(t)的计算，其中，e(t)＝r(t)-y(t)； Sum＝(u(ts)-K_PD·e(ts+1)-K_DD[e(ts+1)-e(ts)])/K_ID，u(ts)为启动状态结束时刻的 PID输出量。

采用上述技术方案后，本发明至少具有以下技术效果：

1、由于液粘调速离合器的从动轴转速在运行中变化范围相当大，为保证 其在启动过程中不受冲击，本申请在液粘调速离合器处于启动状态时控制对象 设定为控制油压，而在液粘调速离合器处于运行状态时将控制对象设定为从动 轴转速，并且根据不同的从动轴转速，设置不同的PID参数，从而达到避免超 调、缩短调节时间、减少震荡的效果；

2、本申请在运行状态的积分项中，添加了运行状态初始化误差累积值， 从而实现了启动状态切换到运行状态时PID输出量u(t)的无揉动切换；

3、在发明的优选实施中，本发明的基于动态PID控制的液粘调速离合器 控制方法还对误差项e(t)处理、比例项、积分项和微分项做了处理，以减小抖 动，减少振荡，保证PID控制能够稳定运行。

附图说明

图1示出了液粘调速离合器调速控制系统的示意图。

图2是常规的PID控制原理框图。

图3示出了根据本发明一实施例的液粘调速离合器控制方法的变控制对象 的流程示意图。

图4示出了根据本发明一实施例的液粘调速离合器控制方法的设置动态 PID参数的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

常规的PID控制系统原理框图如图2所示。该控制系统由PID控制器和被控对 象组成。其中r(t)是给定值，y(t)是系统的反馈值，给定值与反馈值构成控制偏 差e(t)＝r(t)-y(t)；e(t)作为PID控制器的输入，u(t)作为PID控制器的输出和被 控对象的输入，所以PID控制器的控制规律为：

$u\left(t\right)=K_P·e\left(t\right)+K_I\underset{j=0}{\overset{t}{\Sigma }}e\left(j\right)+K_D[e\left(t\right)-e(t-1)].$

其中K_P为控制器的比例系数，K_I为控制器的积分系数，K_D为控制器的微 分系数。

常规的PID控制中，一旦PID控制器的参数确定，它将仅与当前指定被控 对象匹配，当被控对象不发生时变时，该PID控制器可以获得非常好的控制效 果。但现实工业现场中，很多被控对象在运行的过程中会发生缓慢的时变以及 受到不确定性的干扰，静态PID控制器由于其无法实现参数的自整定而与当前 时变对象进行最佳匹配，从而可能导致控制性能严重变差。

请参阅图3和图4。根据本发明一实施例的基于动态PID控制的液粘调速 离合器控制方法，包括以下步骤：

a、根据液粘调速离合器的从动轴转速大小确定运行工况，如果从动轴转 速小于等于预设的启动转速，则判断液粘调速离合器处于启动状态，并转到步 骤b，如果从动轴转速大于预设的启动转速，则判断液粘调速离合器处于运行 状态，并转到步骤e；

b、在液粘调速离合器处于启动状态时，将液粘调速离合器的目标控制油 压设置为给定值r(t)，将采集的实际控制油压设置为反馈值y(t)；

c、设置启动状态时的油压PID参数K_PS、K_IS和K_DS，其中，K_PS为启动比例 系数，K_IS为启动积分系数，K_DS为启动微分系数；

d、根据PID控制公式$u\left(t\right)=K_{PS}·e\left(t\right)+K_{IS}\underset{j=0}{\overset{ts}{\Sigma }}e\left(j\right)+K_{DS}[e\left(t\right)-e(t-1)]$进行PID输出 量u(t)的计算，其中，ts为启动状态结束的时刻，e(t)＝r(t)-y(t)；

e、在液粘调速离合器处于运行状态时，将液粘调速离合器的从动轴的目 标转速设置为给定值r(t)，将检测到的实际从动轴转速值设置为反馈值y(t)；

f、设置运行状态时的转速PID参数K_PD、K_ID和K_DD；其中，K_PD和K_ID的值 均根据转速的变化而动态变化：

当从动轴的目标转速小于预设的第一转速时：

K_PD＝(a×200/MainSpeed+b)K_P；K_ID＝(c×200/MainSpeed+d)K_I；K_DD＝K_D；

当从动轴的目标转速大于预设的第二转速时：

K_PD＝(a+b)K_P；K_ID＝(c+d)K_I；K_DD＝K_D；

当从动轴的目标转速大于等于预设的第一转速并且小于等于预设的第二 转速时：

K_PD＝(a×DestnationSpeed/MainSpeed+b)K_P；

K_ID＝(c×DestnationSpeed/MainSpeed+d)K_I；

K_DD＝K_D；

其中,K_PD为运行状态比例系数，K_ID为运行状态积分系数，K_DD为运行状 态微分系数；K_P为预设比例常数；K_I为预设积分常数；K_D为预设微分常 数；a、b、c和d为预设的加权系数；MainSpeed为液粘调速离合器的主动轴转速， DestnationSpeed为液粘调速离合器的从动轴的目标转速；第一转速为液粘调速离 合器的主动轴转速的10％～20％，第二转速为液粘调速离合器的主动轴转速的 80％～90％；

g、根据PID控制公式$u\left(t\right)=K_{PD}·e\left(t\right)+K_{ID}(Sum+\underset{j=ts+1}{\overset{t}{\Sigma }}e(j\left)\right)+K_{DD}[e\left(t\right)-e(t-1)]$进 行PID输出量u(t)的计算，其中，e(t)＝r(t)-y(t)； Sum＝(u(ts)-K_PD·e(ts+1)-K_DD[e(ts+1)-e(ts)])/K_ID，u(ts)为启动状态结束时刻的 PID输出量,ts+1为运行状态开始的时刻，e(ts+1)为ts+1时刻的误差值。K_PD·e(t) 为运行状态比例项，K_DD[e(t)-e(t-1)]为运行状态微分项。

如果直接将启动状态切换至运行状态，那么其PID参数、误差项e(t)都可 能会出现突变，此时PID输出量u(t)也会出现突变，导致最终控制对象从动轴 转速出现失控。为保证从启动状态切换至运行状态的切换过程中PID输出量u(t) 的无揉动切换，本申请在运行状态的积分项中，添加了运行状态初始化误差累 积值Sum，从而实现了PID输出量u(t)的无揉动切换。

在本实施例中，所述预设的启动转速为100～300转/分钟。1000≤K_PS≤ 5000，10≤K_IS≤100，0≤K_DS≤1；1000≤K_P≤5000，10≤K_I≤100，0 ≤K_D≤1；a、b、c和d均大于0小于等于5。

在一个更加具体的实施例中，启动转速为200转/分钟，K_PS＝3000，K_IS＝20， K_DS＝0；K_P＝2000，K_I＝10,K_D＝0；a＝2，b＝1，c,和d均等于1，主动轴转速 为1500转/分钟。第一转速为液粘调速离合器的主动轴转速的15％，第二转速 为液粘调速离合器的主动轴转速的85％。

在本发明的优选实施例中，在上述的步骤b和步骤e中，对给定值r(t)和 反馈值y(t)均进行了归一化处理。而在上述的步骤d和步骤g中，做了误差项 处理、比例项处理、积分项处理和微分项处理。

误差项处理包括：在步骤d和步骤g中，若误差项e(t)的绝对值小于等于 预设的死区设定值DeadBand或者e(t)的绝对值大于预设的死区设定值DeadBand 但没有超过预定的时间T，则将e(t)设置为0，且当e(t)的绝对值大于误差值的 最大限制值PID_ERROR_MAX_LIMIT时，令e(t)等于 PID_ERROR_MAX_LIMIT。误差项处理能够使PID控制更加稳定地运行，防止 出现抖动。在本实施例中，0≤DeadBand≤0.005，0＜T1≤10秒，所述误差值 的最大限制值PID_ERROR_MAX_LIMIT等于1。

比例项处理包括：在步骤d中，当K_PS·e(t)的绝对值大于比例环节的最大限 制值PID_P_MAX_LIMIT时，则令K_PS·e(t)等于PID_P_MAX_LIMIT；在步骤g 中，当K_PD·e(t)的绝对值大于比例环节的最大限制值PID_P_MAX_LIMIT时， 则令K_PD·e(t)等于PID_P_MAX_LIMIT。在本实施例中，所述的比例环节的最 大限制值PID_P_MAX_LIMIT等于1。

积分项处理包括：在步骤d中，当误差累积值大于误差累计最大限 制值PID_ERROR_ACC_MAX_LIMIT时，则令等于 PID_ERROR_ACC_MAX_LIMIT；当积分项大于积分环节的最大限制 值PID_I_MAX_LIMIT时，则令等于PID_I_MAX_LIMIT。在步骤g 中，当误差累积值大于误差累计最大限制值 PID_ERROR_ACC_MAX_LIMIT时，则令等于 PID_ERROR_ACC_MAX_LIMIT；当积分项大于积分环节的最 大限制值PID_I_MAX_LIMIT时，则令等于 PID_I_MAX_LIMIT。在本实施例中，500≤PID_ERROR_ACC_MAX_LIMIT≤ 2000；积分环节的最大限制值PID_I_MAX_LIMIT等于1。优选地， PID_ERROR_ACC_MAX_LIMIT＝1000。

微分项处理包括：在步骤d中，当K_DS[e(t)-e(t-1)]的绝对值大于微分环节 的最大限制值PID_D_MAX_LIMIT时，则令K_DS[e(t)-e(t-1)]等于 PID_D_MAX_LIMIT；在步骤g中，当K_DD[e(t)-e(t-1)]的绝对值大于微分环节 的最大限制值PID_D_MAX_LIMIT时，则令K_DD[e(t)-e(t-1)]等于 PID_D_MAX_LIMIT。在本实施例中，所述微分环节的最大限制值 PID_D_MAX_LIMIT等于1。

通过比例项处理、积分项处理和微分项处理，能够更进一步地达到减少振 荡、缩短调节时间的效果。