蝶閥煤氣調節系統增量式模糊PID控制器的動態特性研究

王志，冉祥濤

（山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

蝶閥煤氣調節系統增量式模糊PID控制器的動態特性研究

王志，冉祥濤

（山東省海洋環境監測技術重點實驗室，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

為實現鋼廠循環發電過程中對混合煤氣的穩壓控制，設計了應用于蝶閥壓力調節系統的增量式模糊PID控制器，在MATLAB／Simulink環境下進行了動態特性仿真，并與常規PID仿真進行了對比分析。結果表明，模糊PID控制能夠使該調節系統具有良好的動態特性，滿足穩壓系統的控制要求。

蝶閥；模糊PID；動態特性；仿真

鋼廠循環發電過程中，送往燃氣輪機的混合煤氣氣壓有一個正常工作范圍［1］，為了實現對管道中混合煤氣壓力的調節，使循環發電系統穩定工作，本文設計了一套蝶閥壓力調節系統。混合煤氣管道系統是一個擾動劇烈、非線性強且壓力調節滯后較大的系統，常規PID控制器結構簡單，其控制參數是在某一特定條件下整定完成的，不具有在線整定參數的能力，難以達到理想的穩壓控制要求。將智能控制領域的模糊控制和常規PID控制相結合的增量式模糊PID控制，可以實現對PID參數的在線調整［2－4］，從而快速地對壓力波動做出調節。本文針對鋼廠循環發電過程中壓力調節系統的工作要求，設計了增量式模糊PID控制器，并在MATLAB／Simulink環境下進行了動態特性仿真。

1 蝶閥調節系統簡介

本蝶閥調節系統包括控制器、步進電機、雙向定量齒輪泵、雙螺旋擺動油缸、蝶閥以及其他液壓附件（液壓管、液壓鎖等）。

蝶閥調節系統的工作原理如圖1所示。步進電機接收控制器發出的信號，驅動雙向齒輪泵正（反）轉供油，液壓油經管道，驅動擺動油缸輸出螺桿的正向（反向）回轉，輸出螺桿與蝶閥的閥桿相固聯，從而帶動蝶閥閥桿回轉，調整蝶閥的開度，在蝶閥出口管道裝有壓力傳感器，控制器通過對人工設定的壓力信號和反饋信號進行分析，輸出控制信號驅動電機動作，最終實現對閥后管道中流體的穩壓控制。

圖1 蝶閥調節系統原理圖Fig.1 Schematic of the butterfly valve control system

2 模糊PID控制器原理

本蝶閥調節系統的模糊PID控制器結構如圖2所示。模糊器采用兩輸入三輸出的形式，以反饋信號與設定信號的偏差量e以及偏差的變化率ec作為輸入語言變量，以PID參數的變化量ΔKp、ΔKi、ΔKd作為輸出語言變量［5］。

e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊集均定義為：｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。輸入輸出變量的模糊論域取為［－6，6］，均采用三角形隸屬度函數。模糊規則由專家經驗得出，模糊推理采用重心法。

圖2 模糊PID控制原理圖Fig.2 Schematic of fuzzy-PID controller

3 系統建模

整個蝶閥壓力調節系統主要包括步進電機系統、泵控缸系統以及蝶閥三個子系統，下面分別對各個子系統進行建模。

3.1 步進電機系統

控制系統采用步進電機作為執行電機，考慮到步進電機的定位精度很高，認為這一環節為比例環節［6］

式中，φ為步進電機旋轉的角度；Δθ為電機步距角；N為輸入脈沖個數。

3.2 泵控缸系統

采用雙向定量齒輪泵驅動，雙螺旋擺動油缸作為執行元件，假設油液的體積彈性模量為定值，忽略管道壓力損失、流體質量效應和管道動態的影響，螺旋缸輸出螺桿角位移的傳遞函數為［7－9］

3.3 蝶閥

對于氣體，根據流體連續性方程和伯努利方程可得蝶閥的流量特性方程［10］

式中，β為氣體膨脹系數，也稱壓縮修正系數；Ks為蝶閥的結構常數；Kv為蝶閥的流量特性系數；D為蝶閥的公稱直徑；ρ為氣體的密度；P1為蝶閥出口處的氣體壓力；P0為蝶閥入口處的氣體壓力。

等效流量Qs＝Q／β，在實際過程中，由于氣體的可壓縮性，系統輸出不能實時體現輸入，因此根據系統特點在仿真過程中將等效流量環節簡化為慣性環節。根據所選蝶閥樣本，蝶閥的流量特性曲線近似為等百分比流量特性曲線，即Kv＝Rα－1，R為蝶閥的可調比［11］，并對式（3）進行拉普拉斯變換可得

式中，ΔP＝P0－P1。

4 MATLAB／Simulink仿真與分析

在MATLAB／Simulink環境下建立如圖3所示的仿真模型。步進電機采用時代超群公司的86BYG250-65，其步距角為1.8°；齒輪泵選用0.49 mL排量的雙向齒輪泵，擺動缸選用BDA-H內徑為63 mm的螺旋擺動缸，閥體選用DN50的蝶閥。氣體介質根據實驗室條件由空壓機提供，入口壓力的波動變化視為階躍擾動，取入口壓力為3.0 MPa，出口壓力設定值為2.3 MPa。

圖3 Simulink仿真模型圖Fig.3 Simulation model with simulink

圖4為常規PID與模糊PID控制下的系統階躍響應曲線，圖5為傳統PID控制時的方波跟蹤響應曲線，圖6為模糊PID控制時的方波跟蹤響應曲線。由圖4可知，在允許的調節誤差范圍（2.3±0.05）內［12－13］，采用常規PID控制時，系統的超調量為32.5%，調節時間為8.26 s；而采用模糊PID控制時，系統的超調量為12%，調節時間為4.67 s，超調量以及調節時間都有明顯減小，且有效地避免了系統震蕩。由圖5和圖6可知，模糊PID調節下的控制系統具有更好的跟蹤性能，能夠滿足穩壓系統的控制要求。

圖4 階躍響應曲線Fig.4 Response curve of step input

圖5 PID控制方波響應曲線Fig.5 Response curve of PID square wave

圖6 模糊PID控制方波響應曲線Fig.6 Response curve of fuzzy PID square wave

5 結論

本文基于鋼廠循環發電中混合煤氣的蝶閥穩壓控制系統，研究了增量式模糊PID控制器的動態特性。在MATLAB／Simulink環境下對本調節系統進行了動態特性仿真。結果表明，與常規的PID控制相比較，增量式模糊PID控制時，控制系統的超調量以及調節時間都有明顯減小并且具有更優秀的跟蹤性能，滿足穩壓系統的要求。

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Dynamic characteristics of incremental fuzzy PID of butterfly valve gas regulating system

WANG Zhi，RAN Xiang-tao
（Shandong Provincial Key Labo ratory of Ocean Environmental Monitoring Technology，Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001，China）

We designedan inc remental fuzzy PID controller ap plicable to butterfly valve pressure regulating systemto stabilize pressure control of mixedgas in recyc ling power generation of steel fac tory．Dynamic charac teristics simulation was conduc tedw ith MATLAB／Simulink，which were comparedw ith traditional PID．Results show that the controller can achieve better dynamic charac teristics and satisfy control requirement for a stable controller．

butterfly valve；fuzzy PID；dynam ic charac teristics；simulation

TP137

A

1002-4026（2014）05-0042-04

10.3976／j.issn.1002－4026.2014.05.008

2014-03-23

王志（1988－），男，碩士，研究方向為系統智能控制與監測。Email：sduwangzhi＠163.com