自適應模糊PID在低氣壓試驗箱壓力控制系統中的應用

韓棟梁

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

環境實驗設備要求能夠模擬出復雜多變的太空環境，對設備腔體的減壓速度、保壓以及壓力恢復速度都提出了具體的要求。本設備主要用于模擬太空中的壓力變化環境，能夠在不同真空度條件下對元器件的各種電學性能進行測試，同時可以對減壓速度、保壓時間以及壓力恢復速度等參數實現精確控制，保證測試元件得到可靠地模擬環境。

在壓力控制過程中，試驗箱體內壓力控制范圍為1×103～1×10-3Pa，通過真空機組抽真空及充入干燥的氮氣來滿足箱體內壓力的變化要求。如在實現減壓速度控制時，開啟抽真空機組，通過PID 控制器控制抽氣管路上比例閥開口口徑的大小，達到所需要的減壓速度。在實現壓力恢復速度控制時，通過PID 控制器控制質量流量、充氣速率，實現壓力恢復速度的控制。在保壓控制時，根據所需要保持壓力范圍的不同，采用控制設備的抽氣速率、充氣速率或兩者同時起作用來實現。

1 自適應模糊PID 控制原理

1.1 常規PID 控制原理

常規PID 控制規律的實現采用數字PID 控制算法。在采樣時刻k 時，PID 控制規律如式(1)：

式中：KP是比例放大系數；

e(k)是采樣時刻k 時的偏差值；

u0為控制量的基值, 即k=0 時的控制輸出量；u(k)為第k 個采樣時刻的控制輸出量；Ti為積分時間；Td為微分時間；Ts是采樣周期。PID 控制器就是通過對KP、KI、KD參數的整定，使系統獲得很好的控制性能。

1.2 自適應模糊PID 原理

自適應模糊PID 的控制原理如圖1所示。

圖1 模糊自適應PID 控制原理圖

通過模糊推理在線調整PID 參數的KP、KI和KD值。滿足不同偏差e 和偏差變化率ec 的輸入對控制參數的不同要求。

當比例微調閥作為執行機構時，一般采用增量式PID 控制算法進行控制。增量式PID 控制算法可由公式（1）推到得出：

即：

d0=KP+KI+KD

d1=-KP-2KD

d2=KD

其中d0、d1、d2為中間變量。

由于低氣壓試驗箱中真空機組抽氣速率的不固定性以及測試工件放氣量的干擾等因數, 決定了腔體內壓力控制是大慣性、純滯后和非線性的系統。采用基于數學模型的PID 控制的設計顯得力所不及，即使通過合理的整定使控制性能較好，但由于充氣壓力、環境溫濕度及真空機組等工況的變化也將導致控制性能的下降。此外，在要求無超調控制時,由于傳統PID 控制策略的局限性，決定了它很難滿足系統控制性能的要求。模糊控制可以根據偏差及偏差變化率來在線調整PID 控制參數，對過程有預測的作用，只要規則設置得當，實現壓力的無超調控制及提高系統的控制性能是可行的。文中采用自適應模糊PID 控制算法，對壓力控制系統的管路壓力進行控制。根據傳感器得到的壓力偏差和偏差變化率，通過模糊控制器進行模糊推理，獲得PID 控制器的參數調整量，對PID 控制器的控制參數進行在線調整，實現壓力控制系統在不同工況下的無超調控制。

因此，在低氣壓試驗箱壓力控制系統中選用自適應模糊PID 控制系統。

2 自適應模糊PID 控制器的設計

2.1 確定模糊語言變量和隸屬度函數

為了保證系統在管路壓力調節的過程中，能夠迅速達到設定值，保持壓力的動態穩定，并考慮到系統的實現難度等問題，采用二維模糊控制器。 壓力系統選擇控制器的輸入變量為壓力偏差e 和偏差變化率ec，輸出變量為PID 的控制參數KP、KI、KD。誤差e 和誤差變化率ec 以及KP、KI、KD的模糊集均定為:{NB，NS，Z，PS，PB}。分別代表:負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。對其采用三角形和正態形隸屬函數。e、ec 的論域設為:[-2，+2]；KP的論域設為:[-1，+1]；KI的論域設為:[-0.2，+0.2]；KD的論域設為:[-2，+2]。

2.2 建立模糊控制規則和求模糊控制規則表

根據壓力控制系統的運行要求, 分析控制參數KP、KI、KD對系統輸出特性的影響情況,由偏差e和偏差變化率ec 制定出參數的自整定原則為：

(1)當系統處于響應階段，要盡快消除偏差，提高響應速度，KP需取較大的值，為了防止積分飽和，取較小的KI，隨著e 的減小KP也相應減??；當偏差很小時，為使系統盡快穩定，則KP應繼續減小。

(2)若e 與ec 乘積大于0 時，說明偏差在向絕對值增大的方向變化.若偏差|e|較大，取較大的KP，同時取較小的KI和中等的KD，以提高動態性能和穩態性能。若偏差|e|較小，取中等的KP，同時取較大的KI和較小的KD，以提高系統的穩態性能，避免產生振蕩。

(3)若e 與ec 乘積小于0 時，說明偏差在向絕對值減小的方向變化.若偏差|e|較大，取中等的KP，同時取較大的KI和較小的KD，以提高動態性能和穩態性能。當偏差|e|較小，應減小KP和KI，為了避免系統在設定值附近振蕩，并考慮系統的抗干擾性能，取中等的KD。

模糊控制設計的核心是根據以上參數自適應調整的原則，建立合適的模糊規則表。表1、表2、表3分別列出了控制器3 個參數整定的模糊規則。

2.3 解模糊

解模糊過程是把語言表達的模糊量映射到執行機構所需要的精確調整量，因此需要將模糊結果進行解析，即根據輸出模糊子集的隸屬度計算輸出的確定值。首先得到某時刻的e 和ec 值，根據它們的隸屬度函數曲線得到它們的隸屬度；再根據模糊控制規則表進行相應的推理計算，得出KP、KI、KD各語言值的對應隸屬度；最后用加權平均法進行精確化計算，就可得出Kp、Ki、Kd的修正值△KP、△KI、△KD，各個修正值與相應的初始值相加即可得到KP、KI、KD的精確調整值。

表1 KP 的調整規則

表2 KI 的調整規則

表3 KD 的調整規則表

根據上述的方法求得每組輸入模糊語言變量對應的輸出精確值，做成一張模糊控制表。實際運行過程中，控制系統通過對模糊規則的結果進行處理、查表和運算完成對控制器PID 參數的在線調整。

3 低氣壓試驗箱壓力控制的設計

低氣壓試驗箱主要由真空爐體、工作室、抽真空系統、充氣系統、電氣柜及外框架等主要部件組成。其中抽真空系統用來保證設備獲得較高真空度，由2 套單獨且相同配置的真空機組系統和壓力測量裝置構成，每套機組均可單獨開啟，每套真空機組包括真空旋片機械泵、羅茨真空泵、渦輪分子泵、電磁真空帶充氣閥、高真空插板閥、真空管路各一套。整套真空系統接口間通過真空密封橡膠圈密封。充氣系統主要用來調整設備的抽真空速率及壓力恢復速率，主要由質量流量控制儀、真空壓強計、微調比例閥、電磁真空擋板閥、真空隔膜閥及不銹鋼氣體管路組成多路充氣系統，來滿足不同真空壓力范圍的精確控制。

為保證設備獲得較高的真空度、減少設備的放氣量，真空爐體、真空管路、充氣管路均采用不銹鋼加工并進行拋光處理。低氣壓試驗箱總圖如圖2所示。

低氣壓試驗箱壓力控制系統如圖3所示。

圖2 低氣壓試驗箱總圖

圖3 低氣壓試驗箱壓力控制系統圖

以低真空壓力控制為例，低氣壓試驗箱的壓力傳感器將測量的箱體內壓力值送給壓強儀，壓強儀與上位機采用RS-485 方式進行通訊，將上位機的程序設定的保壓壓力值、保壓時間等傳輸到壓強儀中，經過壓強儀內部的PID 系統運算后，輸出4～20 mA 標準信號給比例微調閥，比例微調閥根據控制信號的大小來調整閥門開口的大小，控制充入箱體內氣體的流量，完成箱體內壓力的自動控制，同時壓強儀將測量的壓力信號反饋給上位機。

該試驗箱壓力控制系統的PID 控制器采用自適應模糊PID 參數控制，輸出的控制信號變化比較緩慢，且在小范圍的內變化，避免了比例微調閥由于控制信息變化區間大而引起閥門頻繁的開關?？刂茐毫^為穩定，壓強儀采用多段式編程PID 控制器，該控制器采用了自適應模糊PID 控制算法，控制精度可達到±O.3%，滿足了設備工藝試驗的技術要求。

采用MATLAB 2012 中的Simulink 仿真工具對常規PID 系統和自適應模糊PID 系統分別對試驗箱保壓控制進行仿真分析。常規PID 選用串級控制模型，考慮系統的組成，自適應模糊PID 系統可近似采用二階慣性環節加純滯后環節來模擬被控制對象。以壓力控制范圍1～10 Pa 為例，兩者的響應曲線如圖4所示。

圖4 控制效果對比圖

從圖4可以看出，自適應模糊PID 控制在傳統的PID 控制基礎上增加了對KP、KI、KD三個參數的修改，當超調量增大時，其過渡時間沒有明顯變長，控制系統的輸出基本沒有發生大的變化。而常規PID 控制過渡過程時間長，超調量大，曲線也不是很平滑。自適應模糊PID 控制具有更快的響應時間、更高的計算精度、更好的抗干擾性能，基本能實現無超調控制。

4 結束語

該自適應模糊PID 控制方式已在實際的低氣壓試驗箱上使用，解決了原有真空試驗箱設備不能對真空度和壓力恢復速度進行控制的問題，該控制系統具有調整靈活、控制精度高、穩定性好等特點。經過用戶的長期使用，滿足元器件測試的環境要求。

根據設備使用結果顯示，在真空機組抽氣能力發生變化、元器件放氣量不確定的情況下，由于自適應模糊PID 控制器對控制參數的在線調整能力，控制系統的靜、動態性能有了明顯的提高，系統的可靠性和抗干擾能力得到了改善。

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