基于模糊PID的叉梳式立體車庫電機調速研究

郭秀榮 鄭立文 杜丹豐

（1.東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著汽車保有量的增加，城市道路停車位緊缺，停車難問題已成為影響城市發(fā)展的重要因素之一，而新型的立體停車庫可以有效地解決停車難題。然而，現(xiàn)有的立體停車庫設備操作復雜、控制系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此研究立體車庫的控制系統(tǒng)尤為重要。

該文以叉梳式立體車庫升降機構電機控制系統(tǒng)為研究對象，探討立體車庫的電機控制方法。作為立體車庫的控制核心，電機控制系統(tǒng)對立體車庫的性能起關鍵作用，影響立體車庫的工作效率。傳統(tǒng)PID 控制也可以對電機進行控制，從而達到所需的精度，但電機的響應速度較慢，立體車庫控制系統(tǒng)效率不高。鄭清銘等人對同步電機結構模態(tài)進行研究，分析電機模態(tài)階數以及模態(tài)頻率的仿真結果，并進行相關試驗。楊曉玫等人針對無刷直流電機使用了雙閉環(huán)PID 控制，該模型能夠較好地達到所需精度，但電機系統(tǒng)在傳統(tǒng)的PID 控制算法下難以達到同步運行的精度。

基于上述研究現(xiàn)狀，利用模糊PID 控制器對叉梳式立體車庫電機系統(tǒng)進行研究，探討模糊PID 控制方法，以期對叉梳式立體車庫電機系統(tǒng)速度進行同步調節(jié)，提高叉梳式立體車庫存車、取車的效率。

1 立體車庫結構及電機控制系統(tǒng)

1.1 叉梳式立體車庫結構

叉梳式立體車庫主要由升降機構、橫移機構、鋼架結構以及各種檢測裝置元件等組成，叉梳式立體車庫的結構簡圖如圖1 所示。叉梳式立體車庫的工作原理為叉梳式立體車庫中間的叉梳臂升降臺通過鋼絲繩進行提升或者下降，叉梳臂升降臺上的汽車可以沿垂直方向上升或者下降，汽車也可由橫移電機驅動的叉梳載車板在水平方向上移動，如果需要存取汽車，則可利用叉梳臂升降臺和叉梳式載車板梳齒之間的交叉結構對汽車進行存取。

圖1 叉梳式立體車庫結構簡圖

1.2 電機控制系統(tǒng)結構

叉梳式立體車庫的電機控制系統(tǒng)的結構示意圖如圖2所示。PLC 控制器作為叉梳式立體車庫的控制核心，它可以控制電機的運轉速度。電機的速度控制是一種對轉速進行閉環(huán)控制的系統(tǒng)，旋轉編碼器可以檢測電機的轉速，并將旋轉編碼器檢測出來的脈沖信號送回PLC 控制器，然后進行計數以及計算電機轉速差，通過變頻器調整異步電機工作電源的頻率和電壓，使異步電機的轉速調整到一個穩(wěn)定值。

圖2 電機控制系統(tǒng)結構

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 PID控制

PID 控制器可以被應用在各種場合，其也能對電機速度進行調節(jié)控制，PID 控制算法的微分方程如公式（1）所示。

式中：（）為輸出信號；（）為反饋變量；K為比例系數；K為積分系數；K為微分系數。

2.2 控制器設計思路

由于立體車庫所存取車輛的尺寸大小不一樣，因此在存取汽車過程中，質量會發(fā)生變化，立體車庫控制系統(tǒng)需要不斷調整控制器參數，以控制電機平穩(wěn)、快速地運行，并對叉梳式立體車庫電機的運行速度進行同步調節(jié)。當立體車庫運行時，通過傳感器和PLC 高速計數模塊不斷檢測計算速度的偏差量和速度差變化率的變化值，并利用設計好的模糊控制關系對計算測量的數據進行模糊化處理，從而對PID 控制器參數進行調整，根據PID 控制器計算調整好的PID 參數就可以得出變頻器的調整頻率值，從而對電機速度進行同步調節(jié)，模糊PID 控制原理如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制原理圖

2.3 模糊PID控制器設計

模糊控制是一種通過模仿生產人員的實際操作經驗的規(guī)則控制。對叉梳式立體車庫電機系統(tǒng)進行分析，選取模糊控制器的輸入參數為叉梳式立體車庫電機速度差和速度差的變化率e，設定模糊控制的輸出參數為K、K以及K。設定輸入、輸出變量的論域為[-6，6]。使用7 個模糊語言變量進行描述，分別為負大（NB）、負中（NM）、負?。∟S）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）以及正大（PB）。根據隸屬函數的特性要求，采用三角型隸屬度函數，如圖4 所示。

圖4 輸入、輸出三角隸屬度函數示意圖

當叉梳式立體車庫運行時，因為不同的運行工況會導致3 個參數K、K以及K發(fā)生變化，所以需要控制PID 參數的選取范圍，建立模糊規(guī)則庫對PID 參數進行調整，詳細數據見表1。

表1 模糊規(guī)則表

以模糊規(guī)則為例，得到模糊推理曲面觀測圖如圖5 所示，圖5 的曲面基本平整，滿足模糊規(guī)則要求。

圖5 模糊推理輸出曲面觀測圖

3 模糊PID控制器的仿真與試驗驗證

3.1 模糊PID控制器的仿真

針對叉梳式立體車庫控制系統(tǒng)，在MATLAB 中建立模糊PID 控制器的對比模型進行仿真。利用試湊的方法，根據順序分別計算K、K以及K，將計算得出的3 個參數代入模糊PID 控制器，并設定仿真時間為3 s，仿真得到的曲線圖如圖6 所示，在階躍信號下，模糊PID 控制具有更快的響應速度，可以達到預期的穩(wěn)定效果。

圖6 階躍響應仿真對比圖

由此可知，對PID 控制器自整定的PID 參數來說，當控制系統(tǒng)的參數因外界因素而產生變化時，由PID 控制器控制的系統(tǒng)會更容易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，而且控制系統(tǒng)的震蕩幅度比模糊PID 控制更大，因為控制系統(tǒng)的本身也存在參數和結構的不確定性，所以需要使用模糊PID 控制對控制系統(tǒng)的參數進行調節(jié)，在模糊PID 控制策略下，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。

3.2 模糊PID控制器性能測試

為驗證模糊PID 控制器的調速性能，搭建叉梳式立體車庫樣機進行試驗，由于實際的立體車庫成本過高，因此設計了如圖7 所示的3 層的叉梳式立體車庫樣機。叉梳式立體車庫樣機所用異步電機的額定轉速為1 440 r/min。

圖7 叉梳式立體車庫樣機圖

在開展叉梳式立體車庫試驗的過程中，給變頻器和PLC控制器分別接入24 V 直流電源和220 V 交流電源，將軟件程序下載到PLC 控制器并進行調試。模糊PID 控制系統(tǒng)中的速度測量反饋系統(tǒng)由旋轉編碼器和PLC 的高速計數模塊組成。以叉梳式立體車庫升降機構為研究對象，在模糊控制系統(tǒng)工作過程中，通過安裝在升降機構電機主軸的旋轉編碼器測得當前速度，經過計算可以得出速度差和速度差的變化率e，然后經過模糊處理得到輸出值，再通過PID 控制器將其輸出到變頻器，變頻器調整頻率，以控制電機運轉。

由圖8 可知，隨著變頻器頻率的升高，梳式立體車庫升降電機轉速升高，叉梳臂升降臺速度也隨之上升，此時立體車庫升降機構給定速度由0.0 m/s 上升到0.4 m/s，而反饋速度須在模糊PID 控制器下才能快速地同步調速到對應的速度值，最終使實際運行速度與給定速度基本保持一致，速度反饋最大間隔時間為0.425 s，最大誤差不超過1%。試驗調試結果表明，設計的模糊PID 控制器可以對立體車庫電機系統(tǒng)進行同步調速，且叉梳式立體車庫樣機運行穩(wěn)定。

圖8 速度跟蹤曲線

4 結論

針對叉梳式立體車庫存在電機速度響應問題，該文提出了一種利用模糊PID 控制對叉梳式立體車庫電機速度進行調節(jié)的控制系統(tǒng)，建立了基于模糊PID 控制器的對比仿真模型，還搭建了叉梳式立體車庫樣機進行測試，得出如下結論：1）根據仿真結果可知，模糊PID 控制器調節(jié)立體車庫控制系統(tǒng)的參數的速度更快，動態(tài)響應小，并且具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。2）樣機調試結果表明，設計的模糊PID 控制器可以對叉梳式立體車庫電機系統(tǒng)進行同步調速，且叉梳式立體車庫樣機可以穩(wěn)定運行。