基于模糊PID的風(fēng)閥控制器的研究與仿真

　　目前許多領(lǐng)域中，電動(dòng)風(fēng)閥具有重要的應(yīng)用場(chǎng)合，在工程中得到了廣泛的關(guān)注。為了檢測(cè)調(diào)節(jié)閥在不同工作環(huán)境下的機(jī)械及電氣特性等性能，需要有一套完整的閥門測(cè)試與控制系統(tǒng)。為達(dá)到系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，需進(jìn)行諸如振動(dòng)、沖擊、熱平衡等試驗(yàn)。通過檢測(cè)閥門位置及管道中的介質(zhì)流速，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門碟片轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行位置控制。由于步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和碟片的轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間不成比例，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸入與閥門對(duì)應(yīng)角度輸出呈非線性關(guān)系，采用常規(guī)的控制方法難以獲得令人滿意的控制效果。

　　模糊邏輯控制器(fuzzylogiccontroller，F(xiàn)LC)是從Zedeh提出的模糊集概念發(fā)展起來的，適用于無法得到準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型、多輸入、具有不確定因素、非線性系統(tǒng)的控制。因此，把模糊控制和常規(guī)PID控制有機(jī)地結(jié)合在一起，通過在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝位置傳感器，采用模糊PID控制方案對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行雙閉環(huán)控制，以精確地控制閥門的開度。針對(duì)這種情況，本文論述了一種由PID參數(shù)設(shè)計(jì)推導(dǎo)得到Fuzzy-PID參數(shù)的方法，結(jié)合電動(dòng)風(fēng)閥的綜合控制要求，進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真研究，取得了較好的效果。

1、風(fēng)閥控制

1.1、控制目的

　　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)由位置控制器、速度控制器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、位置傳感器、閥門和碟片組成。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為四相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，控制器根據(jù)位置傳感器反饋回來的位置信號(hào)進(jìn)行脈沖控制，保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)碟片按照給定的速度和位置準(zhǔn)確無誤的轉(zhuǎn)動(dòng)到位。因此，步進(jìn)電機(jī)的控制至關(guān)重要。

1.2、控制原理

　　風(fēng)閥控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)整步步距角為1.8度機(jī)械角度，每轉(zhuǎn)200步。一個(gè)控制脈沖對(duì)應(yīng)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一步。減速機(jī)減速比為73：1，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)73步，經(jīng)過減速機(jī)作用后閥門碟片轉(zhuǎn)動(dòng)1步。轉(zhuǎn)動(dòng)的速度取決于脈沖頻率。利用模糊控制理論，設(shè)計(jì)有速度控制器和位置控制器的雙閉環(huán)控制方式。電動(dòng)風(fēng)閥控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 電動(dòng)風(fēng)閥控制系統(tǒng)框圖

2、控制策略

2.1、模糊PID控制原理

　　模糊PID控制器是一種在通過演變常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，以偏差E和偏差變化率DE作為其輸入，U作為其輸出。根據(jù)模糊PID控制器專家控制規(guī)則，P，I，D加以輔助微調(diào)，來滿足不同E和DE，使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

2.2、模糊控制規(guī)則

模糊控制器為二維模糊控制器，輸入為位置誤差E及位置誤差變化率DE，輸出為KP、KI、KD的變化量△KP、△KI、△KD。閥門碟片的位置為0度至62度，所以位置誤差E的基本論域選擇為[-60，60]，位置誤差變化率DE的基本論域?yàn)閇-120，120]。E、DE采用相同的語言值劃分{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，量化論域?yàn)閇-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，量化因子 輸入位置誤差E和位置誤差變化率DE的隸屬函數(shù)選擇梯形和三角形函數(shù)。模糊自整定中，應(yīng)找出PID三個(gè)參數(shù)與誤差及誤差變化率之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)誤差及誤差變化率，對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正，以滿足不同誤差及誤差變化率時(shí)對(duì)控制器參數(shù)的不同要求。根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)采用PID控制時(shí)，參數(shù)KP、KI、KD的初始值均為0，據(jù)此規(guī)定輸出量△KP、△KI、△KD的量化論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，語言值劃分為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，輸出變量△KP、△KI、△KD的隸屬函數(shù)選擇三角形函數(shù)，模糊條件語句格式為ifE=A&DE=B，thenΔKP=X&ΔKI=Y&ΔKD=Z。根據(jù)參數(shù)自整定規(guī)律，可建立模糊控制規(guī)則。

3、控制系統(tǒng)的仿真分析

3.1、系統(tǒng)的模型建立

　　由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作控制電機(jī)，電動(dòng)機(jī)將按控制指令運(yùn)動(dòng)到定位位置θ0，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際位置θ1由于多種原因，與定位位置θ0有微小差距，如果用拉氏變換來表示目標(biāo)值θ0(s)和控制量θ1(s)，則傳遞函數(shù)為：

了 (1) 其中

　　上式中J為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，L1為自感，Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，iα為A相電流，D為粘滯摩擦系數(shù)。為進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，采用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

　　表1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)表

　　把上表數(shù)據(jù)代入式(1)，取iα=1.1A，得到傳遞函數(shù)為(2)式：

3.2、MATLAB的系統(tǒng)仿真

　　分別進(jìn)入輸入、輸出變量的隸屬函數(shù)編輯器。確定語言變量論域，選擇七個(gè)語言變量值，給每個(gè)語言變量值選擇合適的隸屬函數(shù)。圖2為頻率為500Hz，位置為90度時(shí)，仿真得到的位置曲線。

圖2 位置仿真曲線

4、模糊PID控制軟件

　　速度模糊PID控制的軟件設(shè)計(jì)，由位置編碼器反饋計(jì)算得到速度值，與給定速度比較，計(jì)算得到速度誤差值E和速度誤差變化率DE，然后對(duì)E和DE進(jìn)行模糊化處理，當(dāng)DE的絕對(duì)值小于2時(shí)采用PI控制脈沖延時(shí)間隔，當(dāng)DE的絕對(duì)值大于等于2時(shí)，由模糊控制表得到脈沖時(shí)長(zhǎng)的增量，計(jì)算出所需定時(shí)時(shí)長(zhǎng)，啟動(dòng)發(fā)出下一個(gè)脈沖的延時(shí)等待程序。位置反饋值由位置傳感器在中斷程序中得到，捕獲到位置反饋值后計(jì)算位置誤差和位置誤差變化率并進(jìn)行模糊化，查表求得PID控制參數(shù)KP、KI、KD的增量△KP、△KI、△KD，并計(jì)算出KP、KI、KD，完成PID參數(shù)的在線校正，進(jìn)行PID控制，控制器的輸出為速度給定。位置控制器計(jì)算完畢后立即啟動(dòng)速度控制器。

5、結(jié)語

　　從仿真結(jié)果可以看出，采用模糊PID控制方式，風(fēng)閥控制器的設(shè)計(jì)達(dá)到了系統(tǒng)要求，能夠盡快加速到給定速度，超調(diào)小。利用該方法進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，當(dāng)將要達(dá)到給定位置時(shí)，速度能很快減速到零，且閥門碟片定位準(zhǔn)確。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于遠(yuǎn)程測(cè)控，效果良好。