模糊PID在離心泵恒流量控制中的應用

2017-10-20 08:07:33馮山

長江大學學報(自科版) 2017年17期

關鍵詞：閥門規則

馮山

(長江大學電子信息學院，湖北荊州 434023)

模糊PID在離心泵恒流量控制中的應用

馮山

(長江大學電子信息學院，湖北荊州 434023)

在多相流實驗中，離心泵恒流量控制要求動態性能和穩定性好、控制精度高，普通PID控制器難以滿足要求。根據離心泵的流量特性建立了其數學模型，并以該模型為基礎，將模糊控制快速響應與PID控制無差調節的優點有機結合起來，設計了新的模糊PID控制器。實驗結果顯示相對于常規PID控制器，模糊PID控制器綜合性能更好，適用于離心泵流量控制。

離心泵；模糊PID控制；恒流量控制

離心泵是由電機帶動葉輪高速旋轉使流體產生離心運動來運作的。保持葉輪轉速恒定，改變閥門開度可以達到調節泵的出口流量的目的。在多相流試驗中，離心泵充當著相當重要的角色，它在油相、水相管路中作為動力系統，將油、水增壓后輸送到各自的計量管路；在油、水回收管路中，它將油水混合液從管路中提升后返回油水混合罐。考慮到多相流實驗裝置中，離心泵的實際應用情況，對離心泵流量控制要求過渡時間短，無穩態誤差，盡量減小超調量和振蕩次數，快速的把離心泵出口液體的量平穩地控制在給定值上。

PID控制器擁有結構簡單，工作可靠等諸多優點使其被廣泛使用。在實際應用中，有時很難對被控對象建立準確的模型，只能依靠技術人員的經驗來調試整定其參數，其過程較為繁瑣。近年來，隨著科技的進步，PID的參數整定中也越來越多的運用到先進的控制算法。筆者以PID控制器為基礎，以模糊理論為依據，將兩者有機結合起來，設計了新的模糊PID控制器。

1 恒流量方案設計

離心泵流量控制有改變離心泵的出口閥門開度和改變變頻器頻率來調節葉輪轉速的方式。這兩種流量控制方法各有其優缺點：直接改變閥門開度的方式調節速度快，受干擾影響程度較低，但是，損失在閥門上的能耗高；變頻器調節的方式，改變了泵的轉速，避免能量浪費在閥門上的損耗，因此是更節能的方式，但是也存在一定的缺陷，在流體流量較低時，閥后壓力會過低，而且在流量設定值或容器壓力變化時，動態響應時間較長[1]，不能滿足多相流實驗的要求。因此，筆者采用第1種方式。

1.1結構設計

離心泵恒流量控制系統主要由控制器、電動調節閥、離心泵和流量計組成[2]。流量給定值r(t)與離心泵流量的實際值y(t)相減，得誤差信號e(t)，誤差信號經控制器計算后，再經數模轉換輸出模擬量給電動調節閥，調節閥以模擬量信號的值為依據，對離心泵出口閥的開度進行調節，進而實現對流量的調節。圖1是離心泵控制系統結構圖。

1.2控制系統數學模型

在該控制系統中，離心泵閥的控制和流體的傳輸模型可以近似看作一個一階慣性環節加純滯后環節，其傳遞函數為：

式中，K為系統的增益；τ是系統的純滯后時間常數；T為慣性時間常量。根據該系統在實況下的運行狀態分析計算，取K=1.38，T=1.02，τ=1.5.將參數代入式中可得近似的控制系統模型為:

圖1 離心泵控制系統結構圖

2 模糊PID控制器

2.1模糊PID控制器的結構

模糊PID控制器由一個參數可調的PID調節器與模糊邏輯推理結合而成，利用模糊規則對流量誤差e及其變化率ec進行模糊推理，得PID的調整增量分別為比例增量kp、積分增量ki、微分增量kd，PID調節器根據調整后的參數處理后得出控制量給執行機構。控制器結構如圖2所示。

圖2 模糊PID控制器結構

2.2模糊PID控制器設計

1)輸入輸出量的模糊化通常模糊論域{-n,-n-1,…,-1,0,1,…,n-1,n}的n值越大，控制器的精度越高, 但模糊語言值也會增多，這會使得控制規則變得更復雜。因此，一般情況下，論域形式通常取n=6[3]。選取{-6～6}作為輸入量誤差e及其變化率ec的論域，輸出量kp的論域取為{-0.01～0.01}，ki的論域為{-0.16～0.16}，kd為 {-0.01～0.01}。控制器的輸入輸出量偏差e、偏差變化率ec、比例系數kp、積分系數ki和微分系數kd的模糊子集都選擇為7個，分別為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，依次對應負大、負中、負小、零、正小、正中和正大。在選擇隸屬函數時，考慮到高斯型和雙邊型高斯隸屬函數計算量很大，影響控制器的反應速度，因此輸入輸出量的隸屬度函數均選擇計算量相對更少，抗擾動能力較好的三角型隸屬函數，輸入輸出量隸屬度函數如圖3～7所示。