基于PID及模糊控制的气囊翻转应用技术研究

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第 10期2013年 10月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 229基于PID及模糊控制的气囊翻转应用技术研究张德强 ，李 楠 ，李 煜(1．辽宁工业大学 机械工程与 自动化学院，辽宁 锦州 121001；2．辽阳职业技术学院，辽宁 辽阳 111004)摘 要：利用PID和模糊控制算法，结合Matlab仿真系统建立了模糊控制气囊翻转仿真实验系统针对建立的仿真模型进行对比分析仿真实验，利用获得的仿真数据，结合s7—200可编程控制器和力传感器等构成的实验硬件系统，分别对模糊控制和PID控制方式进行试验验证，最终结果证明两者各有特点和优势，采用模糊控制技术最终可实现气囊的智能化一 次翻转，循环时间要随每个气囊的形状机构差异发生变化。采用PID控制技术，程序设计简单，在工程中容易实现，但气囊翻转循环次数有明显差异。这两种控制方式的其它特性还有待通过后续实验和试验进行深入分析。

关键词：PLC；模糊控制；气囊；Matlab仿真；PID控制中图分类号：TH16；TP273+．4 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0229—04The Research of Airbags Overturning Applied Technology Basedon PID and Fuzzy ControlerZHANG De-qiang ，LI Nan ，LI Yu(1．College of Mechanical Engineering＆Automation，Liaoning University of Technology，Liaoning Jinzhou 121001，China；2．Liaoyang Vocational Colege of Technology，Liaoning Liaoyang 1 1 1004，China)Abstract：It／~es ofPID andfuzzy control algorithm，combined with Maflab simulation systems fuzzy control the airbag to ipsimulation experiment systemfor the simulation modelfor comparative analysis of simulation experiments，the simulationdata，combined with s7-200 programmable controller and a force sensor constitute experime ntal hardware system，Respectively，fuzzy control and PID control mode test verification， results show that both hove their own characteristicsand advantages，andfuzzy controltechnologywill eventually be realized onceflipped airbag intelligent，cycle time to be witheach balloon shape institutional diferences in changes．Using PID control techniques，procedures designedto be simple，easytO implement in the project，but the air bag rolover cycles were si~ antly diferent．Both control methods other atures stillto befollow-up experiments and tests in一却 th analysis.

Key W ords：PLC；Fuzzy Control；Airbags；M atlab Simulation；PID Control1引言气囊自动翻转的效率和质量主要靠控制器和执行装置顺序动作的精准配合而实现，对气囊的翻转控制适于采用智能化模糊控制技术进行控制器设计而不适于建立精确的数学模型。PID控制器具有较强的现场调节适应性_1]、程序设计简单、工程上易于实现、参数调整方便等诸多优点，其积分控制可以消除系统的静差，微分控制可以改善系统的动态相应速度，比例、积分、微分三者有效的结合可以满足不同的控制要求，因此在气囊翻转控制中采用PID控制技术无疑也具有独到优势。

2设计思想气囊翻袋总体设计方案是利用顶端气缸驱动活塞杆推动气囊翻转，将气囊由中心排气孔处顶入并穿过气囊另一面，实现从里到外翻转。考虑到气囊表面质量要求以及气囊排气口径只有‘p65，活塞杆不可单一向前运动，以免造成气囊表面过多皱褶。当活塞杆所受推力达到规定极限值时，活塞杆应及时后退 ，同时启动下端夹紧气缸夹紧气囊并下拉一定行程，反复循环多次 ，再驱动顶端气缸活塞杆向前运动，行程比前一次增大，至此反复推动和夹紧气囊进行翻转。

采用PLC结合PID和模糊控制技术以实现执行机构的智能运动。在PLC中结合PID和模糊控制思想编程闭，根据运动过程中检测到的推力可实现对电磁阀以及对比例压力阀的控制 ，从而控制执行机构的运动方向和速度。在执行机构的工作过程中，会在适当时候由顶端活塞杆内孔向气囊内喷发高压气体，最终实现气囊高质量的高效翻转。系统框图，如图1所示。

2．1模糊控制算法设计为进行模糊运算，必须将实际偏差和偏差变化率值分别通过各自的量化因子转换到模糊控制器的模糊论域。通常为了利于计算机运算，对 E和 EC这类变量皆取 {一6，一5，-4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6}的离散区间为其模糊论域[31。控制器输出控制来稿日期：2012—12—15基金项目：国家科技支撑计划课题(20l2BAFl2BO8—5)；辽宁省重点实验室资助项目(辽科发 201 1 20号)作者简介：张德强，(1964一)，男，河北石家庄人，研究生，教授，主要研究方向：机械 CAD／CAM，数控技术230 张德强等：基于PID及模糊控制的气囊翻转应用技术研究 第10期量 为(0～10)V标准电压，对此输出量，为了便于工程简明应用， 3实现方法将模糊论域定在 {一6，一5，-4，一3，一2，一I，1，2，3，4，5，6}的离散区间。

— — 顶端推动气路信 l号 控 — 喷气气路检 制测 系装 统 —— 底端拖拽气路置l— 夹紧气路(两个气缸)图1系统检测控制框图Fig．1 System Detects a Control Block Diagram综合考虑算法PLC编程的简明性和实际运行 的工程应用性，决定采用三角分布的隶属度函数。这是实际工程中最为常用的一 种隶属度函数，其形状和分布由{n，b，c}三个参数完全描述目。考虑到工程实际应用，根据实验具体情况，对隶属度函数进行必要调整后，得到模糊控制器的模糊化结果。

表 1模糊变量 E的隶属度赋值表Tab．1 Degree of Membership of FuzzyVariables E Assignment Table一 6 —5 —4 —3 —2 —1 0 1 2 3 4 5 6B l 0．58 0．16NM 0．16 0．58 1 0．58 0．16NS 0．16 O．58 1 O．58 0．16O 0．16 0．58 1 O_58 O．16PS 0．16 0．58 1 O．58 0．16PM O．16 O．58 1 O．58 0．16PB 0．16 0．58 12．2 PID控制算法设计力信号从PLC模拟口AIW0输入后，经滤波和内部A／D转换成对应的数字量，其数值范围是(0～32000)。该数字量值跟PID控制器的最大给定值实时进行比较：当其值不大于最大给定值时，顶端气缸会继续下行动作；当其值大于最大给定值时，顶端气缸应立即停止下行运并且上行归位。PLC对顶端气缸推杆的控制原理和力信号检测原理，如图2所示。

图 2 PID闭环系统Fig．2 PID Vlosed—Loop System由于检测对象是力信号，结合实际工程经验，本系统采用的是 PI控制器进行试验，给定值 30．0，即允许推杆作用到气囊表面力的中间值给定为294N。当推杆作用到气囊表面的力超过490N时，相对应的换向阀换向，令推杆上行，从而避免推杆对气囊施加过大的力，避免气囊表面形成永久性褶皱。对于力控制系统，参考大量的工程经验数值，其规律，如表 2所示。

表2力控制器参数经验数据Tab．2 Force Controler Parameter Empirical Data根据反复的试凑 ，得出的参数值是 K,=40，Ts=0．2，T／=0．6min。

3．1 MATLAB仿真分析利用 Matlab中 Simulink仿真工具箱中的模糊逻辑工具箱和PID工具箱，分别建立气囊翻袋模糊控制仿真模型，如图3所示。PID控制仿真模型，如图4所示。

— 二二]Clock To Workspace图3模糊控制仿真模型Fig．3 Fuzzy Control Simulation Model图4 PID控制仿真模型Fig．4 PID Control Simulation Model在系统中各参数的采样周期都定为 0．2s，对于压力控制对象的传递函数假定为 ，控制参数的延时环节设定其延时lUS十 l时间为 4s，仿真时间设定为 300s，其他参数按默认设定值。得到的阶跃信号作用下的响应曲线结果H，如图5、图6所示。

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；r?50 100 150 200 250 300图5模糊控制阶跃响应曲线Fig．5 Fuzzy Control Step Response Curve图 6 PID控制阶跃响应曲线Fig．6 PID Control Step Response Curve为了进一步比较模糊控制器和 PID控制器的性能，我们改变延迟时间值为 10s，并重新进行相同阶跃信号作用下的响应曲线比较。这时可以看出模糊控制和 PID的响应曲线，如图 7、图 8所示 。

从两种控制方法仿真曲线对比可以看出，在最初的情况下，模糊控制器对阶跃输入信号的调节时间短，而且超调量远小于PID控制器的超调量；改变延迟时间后，模糊控制器调节时间发生较小变化，超调量变化很小，而 PT D控制器调节时间和超调量2 O 8 6 4 2 O O No．10Oct．2013 机械设计与制造 231都增加很多，说明传统的PID控制器对时间延迟改变十分敏感，也显示出模糊控制器比传统的PID控制器具有较好的适应性，模糊控制与 PID控制的数据对比，如表 3所示。

’ f图7改变 r后模糊控制阶跃响应曲线Fig．7 Fuzzy Control Step Response Curve After Changing rf、 l／／／／图8改变 r后 PID控制阶跃响应曲线Fig．8 PID Control Step Tesponse Curve After Changing r表 3模糊控制与 PID控制的对比Tab．3 Fuzzy Control and PID Control Contrast3．2 PLC结合模糊控制系统首先经过初始化，量化因子和比例因子要预先置入PLC的保持继电器中，在PLC程序里确定给定压力，将输入量信息置入到 PLC数据寄存器中，把连续两次采样值通过 A／D模块数字化，把第二次采样值与给定值相比较，得到偏差。把两次采样值相减后再除以采样时间得到偏差的变化率，连续两次采样的间隔时间就是采样周期。偏差和偏差的变化率乘以量化因子后实现模糊化，并用一个限幅子程序限幅到论域的范围内，在离线状态下计算出控制表，然后把控制表保存在 PLC的内存中目。查表得到的值在乘以输出量化因子后实现解模糊，最后用模糊量输出模块进行控制 。

采样和数据处理原理实现方法是通过力传感器采样得到的是第一个采样值，存人数据寄存器 VD12中，再用一个定时器定时0．2s后，进行第二个值的采样，方法同上。采样完成以后存人VD16中。这样就得到了两个采样值。首先把两个采样值相减，然后除以采样时间这样得到的就是偏差的变化率存于 VD24中。然后把第二个采样值和给定相减，这样得到的就是偏差了，存于VD36中。到此可以得到了模糊控制器的两个输入量171，其程序如图9所示。

0．0EN ENO H 2160．0 竺 ! VD20— -．{EN ERND}_ 1 卜—
VD12{IN1 OUT~vD20 2叫 2
l— -．{EN叫 ERND}-_ ——1 r—}vD2s— _{EN ERND}-．—-_JEN ERND}-． —1 r—1 r
!卜 V !：图 9力信号采样和数据处理程序Fig．9 Force Signal Sampling and Data Processing3．3 PLC结合 PID控制在PID回路中，标准化的回路输出计算值并保存在VD108寄存器中。VD108中的值与最大设定值0．5(490N)进行比较，当VD108中的存储值小于等于0．5时，顶端气缸下行3s后，再上行3s返回原位。之后底端气缸上行3s到位停止，夹紧气缸夹住气囊往下翻转 3s，后底端气缸带动夹紧气缸下行 3s，夹紧气缸松开退回原位。当VD108中的存储值大于0．5时，则气缸上行3s返回原位。之后顶端气缸重新下行，进行二次循环。翻袋过程中，顶端气缸的推力值存放到VD400寄存器，可通过PLC程序监控功能直接获得推力值。若翻袋不成功，则继续上面的动作。整个翻袋动作由以上 7个动作步骤组成：(1)顶端气路气缸活塞杆下行；(2)顶端气路气缸活塞杆返回原位；(3)底端气路气缸活塞杆上行 ；(4)底端气路气缸活塞杆到位停住；(5)夹紧气路两个夹紧气缸活塞杆夹住气囊；(6)底端气路气缸活塞杆带动夹紧气缸下行；(7)夹紧气缸活塞杆松开退回原位。

在气泵所供气压和其他条件相同的情况下，对进气1：3直径qo65、气囊外径尺寸 ‘p620的 10个圆形气囊进行连续翻袋试验，每次试验时利用定时器，当系统循环一次后停止 5s，之后再继续循环翻袋，每次循环包括翻袋中的七个动作步骤。其结果数据统计 ，如表 4所示。

表4气囊成功翻转循环次数统计Tab．4 Statistics Successfuly Flip Cycles Airbag标号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10循环次数13、／、／从表4统计结果可看出，10个气囊最终都能被成功翻转，其中循环一次被成功翻转的气囊有7个，循环两次被翻转成功的气囊有 2个，循环三次被成功翻转的气囊有 1个。不同循环次数被成功翻转气囊的结果分析，如表 5所示。通过试验可以得出结论：当顶端气缸活塞杆的推力不超过 PID控制器中最大给定值490N，气囊就能一次循环成功翻转，否则气囊被翻转成功的循环次数为(2～3)次。

232 机械设计与制造No．1OOct．201 3表5气囊经不同次数被成功翻转的结果分析Tab．5 Airbags Have Been Successfuly Treated withDiferent Frequency Analysis of the Results Flipped所需的循环次数 果分析 概率4结论采用模糊控制或者PID控制技术，结合PLC进行气囊翻转的自动化控制，其各有特点和优势，采用模糊控制技术最终可实现气囊的智能化一次翻转，但循环时间要随每个气囊的形状机构差异发生变化，采用 PID控制技术 ，程序设计简单，在工程中容易实现[81，但气囊翻转循环次数有明显差异，这两种控制方式的其它特性还有待通过后续试验进行深入分析。

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(上接第228页)公称中值的计算；当触发“取最大值”或“取最小值”按钮时，同“取中值”一样计算出新的尺寸公称最大值或最小值；当触发“修改”按钮时，系统自动把新尺寸公称值赋予模型，并进行模型的重构，同时系统显示出重构的状态(包含成功或失败)。整个系统能有效地面向数控工艺的正确生成，为三维模型下车间做铺垫。

5结束语MO—VDS通过在 Pro／E二次开发的基础上完成了面向全三维数控加工仿真所需的工艺参考模型构建功能。利用对产品设计模型各主驱动尺寸公差值进行取中值、最小值或最大值，实现了为后期数控加工NC代码的正确生成做准备。下一步，将针对工艺模型的快速有效构建进一步展开研究。

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