液压振动打桩机的自适应模糊PID控制

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液压振动打桩机是-种新型打桩机械。它被广泛应用于城市建设、桥梁、港 口等各种基础施工工程。它-般与起重机或桩架配套使用，适用于各类钢板桩和钢管桩的沉拔作业 ，亦适用于混凝土灌注桩 、石灰桩、沙桩等诸多类型的地基处理作业。与传统的打桩机相比，液压振动打桩机具有作业环境广、贯人力强、质量轻、沉桩品质好、振动污染孝使用方便等优点。

控制同步是现代振动机械的发展方向。本文提出将双马达同步控制技术应用于打桩机械中，利用双马达带动两组偏心块转动产生的离心力进行打桩，实现无极调频调矩 ，进而实现不同环境下的最大工作效率。

液压系统液压油的泄露，液压执行元件的非线性摩擦阻力以及外负载的变化使得-般的控制器难以满足控制要求。针对以上问题，本文提出了模糊 PID控制方案，综合传统的PID控制的鲁棒性强、易于实现以及模糊控制不依赖受控对象精确的数学模型，能够根据系统变化动态调整控制量的大小，控制灵活、适应性强等特点，从而实现对两组偏心块的精确控制。

1 双马达电液伺服系统偏心块工作原理[ ]振动打桩是液压振动打桩机区别于其他打桩机的地方，其核心部件为锤头的两组偏心块 ，原理如图 1所示。

双马达分别带动上下两根主动轴旋转，每个主动轴通过齿液液压马达2图 1 液压振动打桩机偏心块结构图轮分别带动两根从动轴做反向旋转，每个从动轴上都装有两个质量、偏心力矩相同的偏心块，从而带动偏心块作反向运动，偏心块的离心力在水平方向抵消，在垂直方向叠加，叠加的垂直分力随着周期性的转动形成打击力。调节偏心块的转速可以调节振动频率，调节偏心块的相位差可以调节打击力。

2 双马达电液伺服系统同步控制策略同步控制-般有两种基本形式，-种为等同控制”，- 种为主从控制” 。针对双马达驱动的电液伺服系统，对两组偏心块输出的速度和相位差进行同步控制，具体有以下几种形式。

第-种控制方式由等同控制方式衍生而来(图2)，双马达同时跟踪参考速度并根据相位传感器检测出的相位差对双马达的速度进行微调。在这种控制方式下，双马达能够很好的跟踪速度参考值，但是由于双马达动态性能的作者简介：伏广臣(1987-)，男，江苏连云港人，硕士研究生，研究方向为自动控制。

Machine Building留 Automation，Jun 2013，41(2)：167～169 ·167·-· 电气与自动化 · 伏广臣，等 ·液压振动打桩机的 自适应模糊 PID控制差异以及诸多外在因素的影响，使得双马达的相位同步难以得到保障。

图2 等同式同步控制方框图第二种控制方式由主从控制方式衍生而来(图 3)，主动马达跟踪参考速度并根据相位传感器检测出的相位对主动马达的速度进行微调，从动马达以主动马达的输出速度作为参考值并根据相位传感器检测出的相位差对从动马达的跟踪速度进行微调。在这种控制方式下，双马达能够很好的保持相位同步，但对参考速度的跟踪性能会变差。

图 3 主从式同步控制方框图第三种控制方式综合了等同控制以及主从控制的优点(图4)，外层采用等同控制方式，双马达同时跟踪参考速度并根据相位传感器检测出的相位差对双马达的速度进行微调 ，内层采用主从控制方式，主动马达跟踪参考速度并根据相位传感器检测出的相位对主动马达的速度进行微调，从动马达的输入信号由两部分组成，-个为速度参考值，-个为相位传感器检测出的双马达的相位差。在这种控制方式中，双马达既能很好的跟踪速度参考值又能保持很好的相位同步，从而具备良好的同步控制性能，本文采用这种控制方式。

图4 复合式同步控制方框图3 模糊 PID控制模糊 PID控制由模糊化、模糊控制规则、模糊推理和· l68·去模糊化四个部分组成(图5)∝制器以偏差e和偏差变化率ec作为输入，根据不同时刻偏差 e和偏差变化率ec的值对 P(比例)、，(积分)、D(微分)三个参数进行实时调整，从而实现对双马达同步的精确控制。

图5 模糊 PID结构图3.1 模糊量化- 般来说论域的量化等级越高，控制精度越高，对于偏差 e和偏差变化率 ec，控制量 U取其模糊子集的论域为[-6，6]。

偏差e和偏差变化率 ec由角位移传感器测得 ，该传感器传感轴转动范围为 0。-360。，输出电压为 0～10 V。

故可以取偏差的基本论域为[-lr，lr]，偏差变化率的基本论域为[-2r，2r]。

偏差 e从基本论域转化到相应的模糊集的论域的量化因子 Ke：6，偏差变化率 ec从基本论域转化到相应的模糊集的论域的量化因子 Kec12。

模糊变量 E，EC的子集 取：负大”(NB)，负 中”(NM)，负斜(NS)，零”(Z)，正斜(PS)，正 中”(PM)，正大”(PB)。

3.2 模糊控制规则1)当e较大时，说明误差的绝对值较大，△ 认大值，以提高相应的快速性；为防止 ec瞬时值过大，AKd应认小的值 ；为了避免出现较大的超调 ，应对积分加以限制，通常洒Ki0。

2)当e中等大小时，为了使系统响应超调较小，△认小些；在这种情况下，AKd对系统响应影响较大，数值要适当；aKi的数值也要适当。

3)当e较小时，为了使系统具有很好的稳定性 ，△ ，AKi应认大值，同时为避免系统在设定附近出现震荡，应该考虑抗干扰性能，适当的选取 AKd的值，ec的取值与AKd的取值规律相反，通常情况AKd为中等大校3.3 模糊推力计算和去模糊化e方法模糊推理的算法有Takagi-Sugeno-Kang 型模糊推理算法、Larsen型模糊推理算法、Mamdani型模糊推理算法等。去模糊化方法主要有最大隶属度法 、面积中心法、加权平均法、面积平分法等。与其他模糊推理算法相 比，Takagi.Sugeno-Kang型模糊推理算法具有算法简单、易于与P1D结合等优点，因此本文采用 Takagi-Sugeno-Kang型模糊推理算法 ，并采用加权平均法进行去模糊化，从而获得不同时刻 PID三个参数。

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