引言

目前，電動風(fēng)閥在許多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用場合，在工程中得到了廣泛的關(guān)注。為了檢測不同工作環(huán)境下調(diào)節(jié)閥的機(jī)械和電氣特性，需要一個完整的閥門測試和控制系統(tǒng)。為了滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，需要進(jìn)行振動、沖擊、熱平衡等試驗(yàn)。通過檢測閥門位置和管道中的介質(zhì)流量，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動閥盤旋轉(zhuǎn)進(jìn)行位置控制。由于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與光盤的旋轉(zhuǎn)角度不成比例，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)輸入與閥門相應(yīng)角度的輸出非線性，傳統(tǒng)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模糊集概念的發(fā)展適用于控制不準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型、多輸入、不確定因素和非線性系統(tǒng)。因此，模糊控制和常規(guī)控制PID通過在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝位置傳感器，控制有機(jī)結(jié)合PID控制方案是雙閉環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)，以準(zhǔn)確控制閥門的開度。針對這種情況，本文討論了一個原因PID推導(dǎo)參數(shù)設(shè)計(jì)Fuzzy-PID系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模擬研究結(jié)合電動風(fēng)閥的綜合控制要求，取得了良好的效果。

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)電機(jī)、減速器、位置傳感器、閥門和盤子組成。步進(jìn)電機(jī)是一種四相混合步進(jìn)電機(jī)?？刂破鞲鶕?jù)位置傳感器反饋的位置信號進(jìn)行脈沖控制，以確保步進(jìn)電機(jī)按給定的速度和位置驅(qū)動盤子。因此，步進(jìn)電機(jī)的控制非常重要。

1.2 控制原理

在風(fēng)閥控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的步距為1.8度機(jī)械角度，每轉(zhuǎn)200步。一個控制脈沖對應(yīng)于步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)步驟。減速器的減速比為73：1，即步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)73步，減速器后閥盤旋轉(zhuǎn)1步。旋轉(zhuǎn)速度取決于脈沖頻率。采用模糊的控制理論，設(shè)計(jì)了速度控制器和位置控制器的雙閉環(huán)控制模式。電氣閥控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖1

2 控制策略

2.1 模糊PID控制原理

模糊PID通過演變常規(guī)控制器PID基于調(diào)節(jié)器的偏差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輔助微調(diào)以滿足不同的需求E和DE，使被控對象具有良好的動靜性能。

2.2 模糊控制規(guī)則

模糊控制器是位置誤差的二維模糊控制器E位置誤差變化率DE，輸出為K_P、K_I、K_D的變化量△K_P、△K_I、△K_D。閥盤的位置為0度至62度，因此位置誤差E位置誤差變化率為[-60，60]DE[-120，120]是基本論域。E、DE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位置誤差變化率DE梯形和三角形函數(shù)選擇隸屬函數(shù)。在模糊自整定中，應(yīng)找出PID在運(yùn)行過程中，通過不斷檢測誤差和誤差變化率，對三個參數(shù)進(jìn)行在線修正，以滿足不同誤差和誤差變化率對控制器參數(shù)的不同要求。根據(jù)實(shí)際情況，當(dāng)使用時(shí)PID控制時(shí)，參數(shù)K_P、K_I、K_D初始值為0，因此規(guī)定輸出量△K_P、△K_I、△K_D量化論域?yàn)閧-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、2、3、4、5、6}，語言值分為{-6、-5、-4、-3、-3、-3、-2、-2、-1、0、2、4、5、5、6}{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，輸出變量△K_P、△K_I、△K_D三角形函數(shù)三角形函數(shù)，模糊條件句格式為ifE=A&DE=B，thenΔKP=X&ΔKI=Y&ΔKD=Z。模糊控制規(guī)則可以根據(jù)參數(shù)整定規(guī)律建立。

♂

3 模擬分析控制系統(tǒng)

3.建立1 系統(tǒng)模型

由于步進(jìn)電動機(jī)作控制電機(jī)，電動機(jī)將按控制指令運(yùn)動到定位位置θ0.步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際位置θ1由于各種原因，定位位置θ如果用拉氏變換來表示目標(biāo)值，0有一個小差距θ0（s）和控制量θ1（s），傳輸函數(shù)為：

了 （1）

其中

上式中J電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，L₁為自感，Zr轉(zhuǎn)子齒數(shù)，i_α為A相電流，D粘滯摩擦系數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)如表1所示，以進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

表1

取上表數(shù)據(jù)代入式(1)i_α=1.1A，獲得的傳遞函數(shù)為(2)

   （2）

3.2 MATLAB的系統(tǒng)仿真    

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，選擇七個語言變量值，為每個語言變量值選擇合適的隸屬函數(shù)。圖2為500Hz，當(dāng)位置為90度時(shí)，模擬得到的位置曲線。

圖2 位置模擬曲線

4 模糊PID控制軟件

速度模糊PID控制的軟件設(shè)計(jì)通過位置編碼器反饋計(jì)算速度值。與給定速度相比，計(jì)算速度誤差值E速度誤差變化率DE，然后對E和DE當(dāng)DE當(dāng)絕對值小于2時(shí)時(shí)使用PI當(dāng)脈沖延遲間隔被控制時(shí)DE當(dāng)絕對值大于或等于2時(shí)，脈沖時(shí)長的增量由模糊控制表計(jì)算，并啟動下一個脈沖延遲等待程序。位置反饋值由位置傳感器在中斷程序中獲得。在捕獲位置反饋值后，計(jì)算位置誤差和位置誤差變化率并模糊。PID控制參數(shù)K_P、K_I、K_D的增量△K_P、△K_I、△K_D，并計(jì)算出K_P、K_I、K_D，完成PID參數(shù)在線校正，進(jìn)行PID控制，控制器的輸出為速度給定。計(jì)算位置控制器后，立即啟動速度控制器。

5 結(jié)語

從模擬結(jié)果可以看出，使用模糊PID在控制模式下，風(fēng)閥控制器的設(shè)計(jì)滿足了系統(tǒng)的要求，可以盡快加速到給定的速度，超小。采用該方法進(jìn)行系統(tǒng)測試，當(dāng)達(dá)到給定位置時(shí)，速度可迅速減速到零，閥盤定位準(zhǔn)確。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于遠(yuǎn)程測控，效果良好。