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1、中压气源系统压力模糊控制技术研究 摘 要：管道压力是影响管道安全运行的关键因素。本课题的目的就是要通过对管道伺服阀的控制来为中压气源系统建立一个安全监测系统。通过实时测，能够得到各子系统中每个管道中气体的压力，从而监视管道压力是否在正常值范围内。本文提出了一种基于模糊控制理论的气动阀门压力控制方案。首先，设计组建了管道压力控制系统；其次，建立了被控对象的数学模型；然后，根据被控对象的数学模型，采用了一个模糊PID控制器来实现系统的压力控制；最后，利用SIMULINK对整个压力控制系统进行仿真。关键词：气动阀门；压力控制；数学模型；模糊PID控制；SIMULINK仿真一、论文选题的背景及安排1论
2、文选题的背景本课题来源于科研项目“中压气源的安全监测和计量系统”。中压气源系统由中压储气罐组群和中压压缩机组组成，基本结构如图1-1所示，在压缩机出口汇流总管处装有流量计。中压储气罐组群共有35150m3+1493m3 体积容量1组、1288m3 体积容量3组，工作压力为2.5MPa。中压压缩机机组共有流量为260 Nm3/min，工作压力为2.3MPa 的压缩机2台；流量为125 Nm3/min，工作压力为2.1MPa的压缩机2台。图11 中压气源系统结构2本课题要完成的主要任务如下：（1）学习模糊控制的基础知识。（2）研究模糊控制在气体管道压力控制系统中的应用，对管道压力控制系统进行实物设
3、计与组建（调节阀、阀门定位器、压力传感器和控制器），确立控制系统的硬件部分。（3）对气体管道系统进行数学建模。分别通过对气动调节阀、阀门定位器、管道压力与流量之间关系的分析，对整个管道气体压力控制系统的被控对象进行数学建模，以便于进行控制器的设计和SIMULINK数值仿真。（4）管道压力控制器设计。先进行压力控制系统的整体设计，给出基本的控制方案，然后对模糊PID控制器进行设计。（5）管道压力控制系统仿真分析。在SIMULINK环境下搭建被控对象的数学模型，并通过仿真验证模型的正确性；然后再进行整个控制系统的仿真，得出满足控制要求的控制参数。二、管道压力系统数学建模本系统是通过控制调节阀的开度
4、来保持调节阀阀后压力的稳定，其结构示意图如图2-1所示。图2-1 管道压力系统结构框图由图2-1可知，被控对象的数学模型主要由气动薄膜调节阀及定位器、阀门阻力特性、管道压力流量特性三个模型组成。1气动薄膜调节阀及定位器模型气动薄膜调节阀及定位器主要由电/气阀门定位器1、气动薄膜执行机构、阀门三部分组成，其数学模型的原理框图如下：图2-2 气动薄膜调节阀及定位器原理框图图2-2中：输入电流信号；力矩的偏差值；放大器输出气压信号；执行机构的推力；阀杆的位移；电流力矩转换系数；输入电磁力矩；反馈力矩；位移力矩反馈系数；摩擦力、不平衡力和阀座压紧力等；控制阀合力转换为行程的放大系数。其中气动薄膜执行机
5、构膜头部分传递函数为： 通过对图2-2进行仿真，得到下图2-3所示，（a）如果输入电流为4mA，阀门开度为0；（b）如果输入电流为12mA，阀门开度为50%；（c）如果输入电流为20mA，阀门开度为100%。 （a） （b） （c）图2-3 输入电流对阀门开度的影响2阀门阻力特性模型阀门开度； 阀门阻力系数的倒数。3管道压力流量特性模型2图2-4 气体管道系统示意图由图2-4可知压力流量特性的表达式为： 被控对象的容量系数；流量差压公式中的系数；阻力系数；阀前压力；阀后压力；储气罐的压力。4被控对象完整数学模型图2-5 被控对象的仿真框图（1）气动薄膜调节阀及定位器数学模型图2-6 气动薄膜调
6、节阀及定位器的仿真框图（2）阀门阻力特性数学模型自定义函数Fcn和一个饱和环节Saturation即构成了调节阀的阻力系数模型，其中Fcn是利用以知数据进行曲线拟合而得到的一个函数关系，形成如下：饱和环节Saturation则为了保证输入到下一个环节的信号不为零，选择下限为0.015815，上限选定为100000000。（3）管道压力流量特性数学模型图2-7 管道压力流量特性的仿真框图子系统Subsystem1是管道压力流量特性的数学模型，具体结构如下图所示：图2-8 管道压力流量特性的具体仿真框图管道设定为：=0.2； =10； ； 。三、模糊控制器的设计1模糊控制的原理模糊控制是以模糊集理
7、论、模糊语言变量和模糊逻辑推理3为基础的一种智能控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。2模糊控制器的组成（1）模糊化对于模糊控制器的多个输入，每个输入量的模糊化过程都是一样的。针对其中一个输入量，分析其模糊化过程，其它的输入以此类推。设模糊控制器的一个输入为实数，它必须通过模糊化才能进行模糊推理，因此，模糊化实际上就是模糊控制器的输入接口，它的作用就是将确定的实数输入量转换为模糊量，即模糊集合及其相应的隶
8、属度。同样的理由，设模糊控制器的一个输出为。（2）数据库数据库存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集隶属度矢量值。（3）规则库模糊控制器的规则基于专家知识或熟练操作人员长期积累的经验，它是按人的知觉推理的一种语言表示形式。规则库用来存放全部控制规则。（4）推理机推理机有两个基本任务：其一为匹配，即确定当前的输入与哪些规则有关；其二为推理，即利用当前的输入和规则库中所激活的信息推导出结论。（5）反模糊化模糊推理的结果一般都是模糊值，不能直接用来作为被控对象的控制量，需要将其转换成一个可以被执行机构所实现的精确值。这个过程称为反模糊化或者解模糊过程，或称为解模糊判决，它可以看做由模糊空间到清晰空
9、间的一种映射。解模糊的目的是根据模糊推理的结果，求得能反映控制量的实际分布。3模糊控制器输入比例因子及对模糊控制器的控制性能的影响（1）的影响参看图3-1，设模糊集论域为-6，+6，横坐标表示的基本论域，纵坐标为模糊集论域。如果=1，则的变化范围是-6，+6；如果=0.5，则的变化范围是-12，+12； 如果=2，则的变化范围是-3，+3。由图可以看出： 图3-1 增益系数的影响=1时，模糊控制器输入范围为-6，+6；1时，模糊控制器输入范围为-，范围展宽，这就意味着对输入的敏感度降低，减弱了偏差量的控制作用；1时，模糊控制器输入范围为-，范围压缩，这就意味着对输入的敏感度升高，增大了偏差量的
10、控制作用。的大小对系统的动态性能影响很大。选得较大时，系统上升较快，超调量也较大，过度过程较长。（2）的影响参看图3-2，由图中A、B、C三点可以看出，当=1时，=4（A点），取得偏差变化语言值为PM；而当=2时，=2（B点），取得偏差变化语言值为PM；而当=0.5时，=8（C点），取得偏差变化语言值为PM。对系统性能图3-2 增益系数的影响 的影响是：越大，范围压缩，控制作用加强。因此选择较大时，系统超系统响应速度变慢。对系统超调的遏制作用十分明显。（3）输出系数的影响类似于输入比例因子，我们将模糊控制器输出比例因子同模糊控制器输出隶属函数联系起来分析。如图3-3所示，若模糊控制器推理结果得
11、出模糊集合PM，反模糊化后其值为4：=1时，加到被控对象上的实际控制量图3-3 模糊控制器输出比例因子的影响为=4（图中A点）；1时，加到被控对象上的实际控制量为4（图中C点）； 1时，加到被控对象上的实际控制量为4（图中B点）。这就说明，不同，在模糊控制器输出相同的情况下，加到被控对象上的实际控制量不同。选择的小，会使系统动态响应过程变长。而越大，则控制器的控制作用就越强，系统响应快，易超调，选择过大会导致系统振荡。特别要说明的是，不能为了使系统响应快，就无限地增加的值，因为选择过大，加到被控对象上的实际控制量就会超出实际物理被控对象的接受能力，当然就达不到快速的目的。4PID模糊控制器如图
12、3-4所示，由于本系统是实现管道的恒压控制，需保证消除系统的静态偏差，因此最终采用了模糊PID控制器进行系统的压力控制。这种PID模糊控制系统结构中，设置一个单独的传统积分器，对偏差积分，其输出与二维模糊控制器的输出相叠加，即。4图3-4 对偏差积分的PID模糊控制系统结构（1）输入、输出隶属函数及论域的选择系统中模糊控制器采用所谓的“标准”形式，即二输入输出，论域均为-6，6，采用常用的三角形隶属函数，如图3-5所示。图3-5 模糊控制器输入、输出隶属函数（2）确定模糊控制规则表根据专家知识和经验可确定出本管道气体压力控制系统的模糊控制规则表，如表3-1所示。表3-1 常见二输入输出的模糊控
13、制规则表控制量ude(t)/dtNLNMNSZOPSPMPLe(t)NLNLNLNLNLNMNSZONMNLNLNMNMNSZOZONSNLNMNMNSZOZOPSZONLNMNSZOPSPMPLPSNSZOZOPSPMPMPLPMZOZOPSPMPMPLPLPLZOPSPMPLPLPLPL四、仿真实验1构建模糊推理系统（1）激活模糊推理系统编辑器在MATLAB命令窗口中执行fuzzy命令即可激活模糊推理系统编辑器5，其图形界面如图4-1所示。（2）设定输入、输出变量个数执行EditAdd VariableInput，以便增加输入变量，形成两输入输出系统。鼠标单击左边的input输入变量方框，
14、在下方的name里更改名字，图形界面如图4-2所示。依次更改另一个输入变量和输出变量。 图4-1 基本模糊推理系统编辑器图形界面 图4-2 两输入输出系统的图形界面（3）编辑输入、输出变量隶属函数双击第一个输入变量方框，即可对第一个输入变量的隶属函数进行编辑，编辑完成的图形界面如图4-3所示，并依次完成另一个输入变量及输出变量的隶属函数编辑。（4）编辑模糊规则在模糊推理编辑器中，选择编辑模糊规则菜单，执行EditRules，或在图4-2中双击白色的中间模块，出现模糊规则编辑器，对模糊规则进行编辑，图形界面如图4-4所示。 图4-3 隶属函数编辑界面 图4-4 模糊规则编辑器（5）保存文件在菜单
15、中选择FileExportto Workspace，将其保存到工作空间中，命名为fzyl。图形界面如图4-5所示。图4-5 文件保存窗口2Simulink系统仿真结构图在MATLAB命令窗口中单击Simulink图标，激活仿真模块库，建立仿真模型编辑环境窗口，在其中建立如图4-6所示的结构图。图4-6 系统仿真结构图双击图4-6中模糊控制器FCL，出现如图4-7所示的窗口，在FIS File or Structure栏中填入模糊推理系统fzyl。图4-7 模糊控制器参数输入界面3仿真实验经过多次验证，最终确定控制器参数如下： （1）假设阀前压力为恒定的120Kpa，阀后压力设定值为100Kpa
16、，此时系统的控制效果如图4-8所示；由图可知，当给定压力值后，模糊控制器迅速动作，输出电流迅速上升，阀门开度也不断增大，直到阀后压力过大时，电流开始下降，阀门开度减小，最后当阀后压力稳定在给定值时，电流及阀门开度才停止变化。 (a)电流 （b）阀门开度 （c）阀后压力图4-8 阀前压力恒定时系统输出曲线（设定=100Kpa）（2）假设阀前压力为恒定值，阀后压力设定值为110Kpa，此时系统的控制效果如图4-9所示； (a)电流 （b）阀门开度 （c）阀后压力图4-9 阀前压力恒定时系统输出曲线（设定=110Kpa）（3）假设阀前压力起始值为120Kpa，但是以0.05Kpa/s的速率下降，阀后
17、压力设定值仍为100Kpa，此时系统的控制效果如图4-10所示；（4）改变系统参数，令气源压力=200Kpa，阀前压力为恒定120Kpa，阀后压力设定值为100Kpa，此时系统控制效果如图4-11所示。 图4-10 阀前压力非恒定时系统输出图 4-11 鲁棒性实验五、结论传统的管道气体压力控制大多采用惊胆PID控制，参数均由工程师经验所得，存在参数整定等困难。随着控制技术的不断发展，新的控制理论不断应用于各种工业控制领域。本文提出了一种基于模糊PID控制的管道气体压力控制方案，通过仿真验证，能够起到很好的控制效果。本论文的主要内容总结如下：1确立了管道压力控制的硬件系统，包括调节阀、阀门定位器
18、、压力传感器和控制器。2通过了对气动薄膜调节阀和电气阀门定位器的工作原理，建立了它们的数学模型，同时对管道的压力流量特性进行了研究。3对整个管道压力控制系统进行了方案设计，然后经过隶属函数、模糊控制规则、输入输出比例因子、模糊推理方法和解模糊化方法等方面的研究着重对模糊PID控制器进行了设计。参考文献1程蔚萍.热工自动控制设备.中国电力出版社.20072谢安恒，高院安，周华.高压气体系统管道流动研究与实验分析.液压与气动.20083诸静.模糊控制理论及系统原理.北京机械工业出版社.20054席爱民.模糊控制技术.西安电子科技大学出版社.20085谢仕宏.MATLAB R2008控制系统动态仿真实例教程.北京化学工业出版社.200812