智能阀门定位器PID单参数模糊自适应控制设计与试验研究分析

发布时间:2011-04-18  点击数:2816

    在石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中,为了对温度、流量、压力、成分等被控变量进行稳定、精确、快速控制,必须使用调节阀定位器。而智能阀门定位器国内研究仅处于起步阶段[1],在行程范围内其动态特性的一致性非常差,因此普通PID控制无法满足要求[2],而使用常规的模糊控制算法,由于对比例系数P、积分系数I、微分系数D三个参数进行模糊化,其模糊算法的参数标定非常复杂[3-4]。针对上述矛盾和约束,论文在测试智能阀门定位器控制特性及分析Ziegler-Nichols设定条件的基础上,提出归一化模糊PID控制算法。此算法不仅简化了模糊算法,能满足单片机在低速主频下的处理速度,又将模糊这一现代控制算法有机融合。使国产智能定位器的产品化变为可能。因此在生产技术上有一定的创新和较大的实用价值。

一、智能阀门定位器控制原理

    智能阀门定位器控制系统由调节器、定位器、执行器和变送器几部分组成。其控制原理如图1所示,图中r为被调量的设定值;y为被调量;ym为被调量的测量值;u为调节器的输出信号(与执行器即调节阀的开度成一定的关系);f为定位器的输出信号;c为阀门位置信号.定位器利用闭环控制原理,将从调节器来的调节信号与从执行器来的阀门反馈位置信号相比较,根据比较后的偏差使调节阀执行机构动作,从而使阀芯准确定位,达到定位的目的。定位器接受调节器的输出信号,这个信号可以是4~20mA电流或20~100kPa气压信号,然后据此改变气室压力推动阀杆动作。

二、模糊PID自适应控制设计

    模糊控制的原理是将输入、输出量模糊化,再根据设计的模糊控制规则制成模糊控制表,将其解模糊后就能根据精确的输入量得到所需的输出量,但是对于PID控制器,从模糊化和解模糊过程来看,如果模糊区间分布过大,由于有3个参数需要调整,这样会使解模糊算子的确定极为复杂,而且不能保证精确度.所以在分析阀门特性符合Ziegler-Nichols设定条件后建立了参数归一化的算法,这样不仅能简化控制算法,而且能提高精确度。这样设计的模糊自适应PID控制具有常规PID控制无可比拟的优势:不需人工操作调整参数,控制器本身能自动在线调整其参数对阀门定位器进行精确控制。

    1、参数归一化

    根据Ziegler-Nichols设定,设T=0.1TK,Ti=0.5TK,Td=0.125TK,TK为纯比例作用下的临界震荡周期,则增量式PID控制规律为

    由式(1),可以把需要整定的3个参数kp,ki,kD归一化到一个参数Kp,根据模糊自适应控制理论,只需要将Kp用模糊控制算法求出即可[5-7] 。

    2、模糊控制器的输入输出变量设计

    在确定性控制系统中,根据输入变量和输出变量的个数,可以分一维控制系统,二维控制系统和三维控制系统[8],考虑到单片机在低速主频下的处理速度和一维控制器不精确、三维控制器太复杂的特点。本论文选用二维模糊控制器,也就是以偏差E和偏差变化ΔE作为输入变量。

    3、控制器输入、输出的论域确定及隶属函数

    模糊量为e(k)和Δe(k)是由电流输入以及位移输出通过12位A/D转化后的数字量0~4095计算所得,论域区间分别为[0,4095]和[0,2000],考虑到数字较大,将其作一个相应的转化:

    则e(k)和Δe(k)的论域就都变为[-6,6],将其模
糊化为两个模糊变量E和ΔE,两者都包含模糊集{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},表示{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大},并根据系统需要设计其隶属函数。

    4、控制规则

    根据归一化后的增量式PID控制算法分析Kp的整定:在调整过程的起始阶段,适当地把Kp放在较小档次以减少各种物理量初始变化所产生的冲击;在调整过程的中期,适当加大Kp以提高系统的快速性和动态精度;在调整过程的后期,须将其调小以减少系统的超调量和静态误差。

    将Kp的整定以“if Eis NB and ΔEis NB then Kp is PB”的方式写成模糊控制规则。

    5、解模糊化

    根据模糊数学理论,Kp的隶属度确定过程为:

    然后对Kp进行解模糊即可得到Kp的最终控制量[9],并制成由E和ΔE的总控制表,见表1。

    6、模糊自适应PID控制算法

    运用解模糊后的总控制表对Kp进行调整,这是模糊自适应PID控制算法的核心,将其存入程序存储器中供查询。Kp参数调整算式为


    Kp=K′p+{E,ΔE}Kp=K′p+ΔKp         (6)

    其中K′p为Kp的初始参数,通过继电型整定方法得到。在线运行过程中,通过定位器的控制器不断的检测系统的输出响应值,并实时计算出偏差和偏差变化率,然后将模糊化得到E和ΔE,通过查询模糊调整矩阵即可得到Kp参数的调整量,完成对控制器的自适应调整[10]。

三、设计的实现及结果分析

    按照模糊自适应PID控制算法原理,其工作流程图如图2所示。整个系统有4部分组成:计算机,电流输入源,模糊控制器和阀门控制器。计算机是整个系统的控制和调节部件。电流输入源提供4~20mA的电流输入,每个电流对应相应的阀门位移输出。模糊控制器主要将电流输入以及阀门输出经过A/D转换,变化成相应的数字量。阀门定位器包括阀位输出,传感器和百分表。

    本次的实验步骤是:在实验系统安装好以后,输入一定值的电流,定位精度用百分表采集,其他动态响应数据由单片机采集,根据采集的实验数据描绘阀门定位器在普通PID控制算法和模糊PID自适应控制算法作用下的动态响应曲线,并分析实验结果。由于智能阀门定位器的执行机构由压电陶瓷、摩头和弹簧等组成,在行程范围内不同位置动态特性的一致性非常差,因此进行了多次全行程实验,在两种控制方法下,它们的超调量,上升时间和调节时间的比较见表2、表3、表4;其动态响应曲线如图3所示。

    从实验过程及动态响应曲线分析,所设计的控制器有较高的精度,从阀门定位器上的百分表观察其动态响应,阀门输出的误差为0.05%,用大功率对讲机、10W大功率无线电台对阀门定位器进行测试,阀门输出的误差也不超过0.05%,抗干扰能力较强。从动态响应曲线上也能发现这种模糊PID控制算法具有“快、稳、精”的特点。因此能够满足智能阀门定位器控制要求,基本具有产品化的条件。

四、结论

    1、提出了智能阀门定位器归一化模糊PID自适应控制策略,解决了在低处理速度单片机面临的P,I,D三参数模糊控制标度确定的复杂性和计算量大的问题;

    2、通过工程物理实测数据的实验证明,本论文提出的方法从超调量、稳定时间、上升时间三个方面极大的优于常规PID算法。

    3、建立了归一化模糊自适应控制模型,从而将模糊这一现代控制算法与常规PID有机融合。使国产智能定位器的产品化变为可能。

    本算法计算量小,控制效果好、控制精度高、调节速度快等特点,完全能够满足石油、化工、制药、热工、材料和轻工等行业领域中稳定、精确、快速控制的要求。因此在生产技术上有一定的创新和较大的实用价值。