基于模糊PID技術(shù)的排氣壓力精確控制仿真研究

姜文雍,黃增陽,毛 方，劉 毅

(1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,浙江 衢州 324000；2.衢州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測中心,浙江 衢州 324000；3.哈爾濱華德學(xué)院，哈爾濱 150025)

0 引言

空氣壓縮機(jī)是一種通過壓縮空氣體積提高氣體壓力能的裝置，有“通用機(jī)械”之稱，其用途極廣，在各行各業(yè)中都得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)空壓機(jī)相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及要求，空壓機(jī)制造企業(yè)要對(duì)每臺(tái)空壓機(jī)做能源效率和容積流量的出廠檢測[1]。排氣壓力是空壓機(jī)性能檢測的一個(gè)重要影響因素，在實(shí)際檢測過程中，由于脈動(dòng)的存在導(dǎo)致排氣壓力產(chǎn)生波動(dòng)較大，進(jìn)而影響空壓機(jī)容積流量、能源效率等性能指標(biāo)的準(zhǔn)確測量，因此如何提高壓縮氣體壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)的精確度始終是一個(gè)技術(shù)難題[2]。本文結(jié)合空壓機(jī)能源效率快速檢測的特點(diǎn)，并基于模糊PID控制原理，對(duì)空壓機(jī)能源效率快速檢測裝置的排氣壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真研究，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣壓力的精確控制。

1 模糊控制的基本原理

模糊控制是以模糊數(shù)學(xué)為理論依據(jù)的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠模擬人類的模糊推理以及決策過程。模糊控制并不需要建立具體的控制系統(tǒng)模型，只要將控制對(duì)象模糊化，再將專家的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)編成模糊控制規(guī)則，然后根據(jù)這些規(guī)則來控制系統(tǒng)。模糊控制的原理框圖如圖 1所示[3]。

圖1 模糊控制原理圖

模糊控制器根據(jù)輸入變量的數(shù)量可以分為一維模糊控制器、二維模糊控制器以及三維模糊控制器等。模糊控制器輸入變量多則控制精度高，但是同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致模糊控制規(guī)則增多，使控制程序變的復(fù)雜。因此，本文選擇二維模糊控制器(圖2)，以誤差和誤差變化率作為模糊控制器的輸入。這樣既能獲得不錯(cuò)的控制效果，也較容易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

圖2 二維模糊控制結(jié)構(gòu)簡圖

2 排氣壓力的控制問題

傳統(tǒng)PID控制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，所以目前多數(shù)工業(yè)過程控制中廣泛使用的還是傳統(tǒng)PID控制技術(shù)。但是由于空壓機(jī)排氣壓力控制是一種非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)PID控制技術(shù)的控制效果并不理想。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性強(qiáng)，而且適應(yīng)性較好，但是有對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差反應(yīng)慢、控制精度低等缺點(diǎn)[4]。因此，為了兼顧以上兩種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)排氣壓力的精確控制，本文選擇了模糊PID 控制技術(shù)，模糊PID控制器由模糊控制器和PID控制器組成。

空壓機(jī)能源效率快速檢測裝置的排氣壓力控制系統(tǒng)原理如圖 3所示。

圖3 排氣壓力控制系統(tǒng)原理圖

緩沖器中壓縮氣體的壓力值由壓力變送器測得后傳輸?shù)侥：齈ID控制器中，后者先計(jì)算出測量壓力和設(shè)定壓力之間的差值E以及差值變化率EC，然后再根據(jù)模糊控制規(guī)則控制電磁閥動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣壓力精確實(shí)時(shí)控制。

3 模糊PID 控制器設(shè)計(jì)

壓力變送器測量到的壓力與設(shè)定壓力之間的差值E以及差值的變化率EC作為模糊PID控制器的兩個(gè)輸入值，其取值范圍均為[-3,3]，模糊子集為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。模糊PID 控制器的輸出量為Δkp、Δki、Δkd，它們的模糊子集同樣為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}[5]。在控制排氣壓力的過程中，模糊PID控制器持續(xù)監(jiān)測差值E以及差值的變化率EC，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則(表 1、表 2、表 3)以及式(1)～式(3)，動(dòng)態(tài)調(diào)整kp、ki、kd的數(shù)值[4]。模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)原理如圖 4所示[3]。

表1 Δkp的模糊控制規(guī)則表

表2 Δki的模糊控制規(guī)則表

表3 Δkd的模糊控制規(guī)則表

圖4 模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)原理圖

(1)

(2)

(3)

4 控制系統(tǒng)的Matlab仿真

本文使用Matlab軟件的simulink模塊對(duì)排氣壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，建立模糊PID控制仿真模型如圖 5所示。

圖5 模糊PID控制仿真模型

在Matlab命令窗口輸入“fuzzy”，打開模糊邏輯編輯窗口，設(shè)置模糊控制器為2輸入3輸出的二維模糊控制結(jié)構(gòu)，如圖 6所示。

將模糊控制規(guī)則表 1、表 2、表 3輸入到模糊邏輯編輯窗口中，編輯好模糊控制規(guī)則，得到Δkp、Δki、Δkd的輸出曲面圖如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6 模糊邏輯編輯窗口

圖7 Δkp輸出曲面圖

圖8 Δki輸出曲面圖

圖9 Δkd輸出曲面圖

5 結(jié)果與討論

設(shè)置采樣時(shí)間為20 s，并在第10 s時(shí)輸入一個(gè)干擾信號(hào)，表示排氣過程中出現(xiàn)的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象。Simulink仿真結(jié)果如圖 10所示。

圖10 普通PID控制和模糊PID控制對(duì)比圖

從仿真結(jié)果可以看出模糊PID控制的效果要優(yōu)于普通PID控制。模糊PID控制不僅超調(diào)量小，而且能更快的達(dá)到平衡狀態(tài)。當(dāng)排氣壓力出現(xiàn)脈動(dòng)的時(shí)候，模糊PID的控制效果也要優(yōu)于普通PID控制。因此，空壓機(jī)能源效率快速檢測裝置的排氣壓力控制系統(tǒng)采用模糊PID控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)排氣壓力的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。