基于模糊控制的容積式泵工作性能測試系統(tǒng)研究*

齊繼寶,沈洪垚,黃 燁

(1.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 紹興 312000;2.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310027)

0 引 言

植保機(jī)械用容積式泵(以下稱為容積式泵)包括柱塞泵、活塞泵和活塞隔膜泵,主要用于蘋果林、梨林、桃林等經(jīng)濟(jì)林以及棉花、糧食等大田作物的藥物噴灑,也可用于商店門面清洗、車輛清潔[1]及醫(yī)院病房消毒等領(lǐng)域。

容積式泵工作性能指標(biāo)包括容積效率和總效率[2]。測量的方法主要是根據(jù)泵試驗標(biāo)準(zhǔn)要求,在最大壓力區(qū)間調(diào)節(jié)出試驗水壓力,確定測量點(diǎn)數(shù)量。試驗時,同時測量和記錄每一排出壓力下的流量(質(zhì)量、容積)、轉(zhuǎn)速、功率、吸入壓力、排出壓力等參數(shù)。一般有3種方法,即流量法、質(zhì)量法和容積法。3種方法雖各有優(yōu)、缺點(diǎn)[3]，但排出壓力都要保持恒定,才能準(zhǔn)確測量容積式泵的性能指標(biāo)。本文進(jìn)行針對某企業(yè)生產(chǎn)的容積式泵產(chǎn)品特點(diǎn),擬采用質(zhì)量法進(jìn)行測定。

該系統(tǒng)相對于其他測試系統(tǒng),可以解決流量法中流量計無法測量小流量的容積式泵的弊端;相比于容積法,對測量標(biāo)準(zhǔn)容器要求高,且標(biāo)準(zhǔn)容器在長時間使用的情況下,考慮到磨損和被腐蝕,該測試系統(tǒng)使用壽命明顯延長;在控制系統(tǒng)中將采用智能混合控制,出水壓力能精確保持恒定,且系統(tǒng)采用工控機(jī)和PLC控制保證測試系統(tǒng)穩(wěn)定,各部件動作響應(yīng)時間短,完全符合測定要求,能對各種容積式泵進(jìn)行分級測量,使得該測試系統(tǒng)使用范圍廣。

在測試前，筆者先用電機(jī)定速驅(qū)動柱塞泵進(jìn)行抽水噴灑工作,依靠調(diào)節(jié)調(diào)速閥節(jié)流口大小保持出水壓力恒定;系統(tǒng)進(jìn)行測試時,容積式泵的出水進(jìn)入計量罐并計時,計時時間一到,對計量罐進(jìn)行稱重,并記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩根據(jù)測定方法進(jìn)行計算,得出柱塞泵各種技術(shù)參數(shù),達(dá)到測試目的。

1 容積式泵工作性能測試系統(tǒng)整體設(shè)計

根據(jù)測試的要求,植保機(jī)械用整體測試系統(tǒng)由:工控機(jī)、PLC、溫度傳感器、扭矩傳感器、壓力變送器、電子臺秤、氣動隔膜調(diào)節(jié)閥等高精度儀表組成。

其測試原理圖如圖1所示。

圖1 容積式泵工作性能測試系統(tǒng)原理圖1—安全溢流閥;2—溫度傳感器;3，9—壓力變送器;4—柱塞泵;5—扭矩傳感器;6—電機(jī);7—變頻器;8，11，12—手動截止閥;10—蓄能器;13—調(diào)節(jié)閥(氣動隔膜調(diào)節(jié)式);14，15—?dú)鈩忧蜷y;16—計量罐;17—二位五通電磁換向閥

圖1中,系統(tǒng)具有現(xiàn)場出水壓力設(shè)定、實(shí)時數(shù)據(jù)采集、并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行適時計算處理等功能。在系統(tǒng)進(jìn)行測試時,還能實(shí)時顯示各種參數(shù)。該系統(tǒng)還具備對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、報表顯示等功能。

測試步驟如下:

(1)通過打開二位五通電磁換向閥17將計量罐16排空,有電子臺秤記錄此時計量罐質(zhì)量;

(2)變頻器輸入恒定電壓信號,保持柱塞泵恒速運(yùn)轉(zhuǎn),此轉(zhuǎn)速即為測定轉(zhuǎn)速。此時手動截止閥11打開,手動截止閥8、12關(guān)閉,氣動球閥14打開,系統(tǒng)通過蓄能器10和氣動隔膜調(diào)速閥進(jìn)行恒壓調(diào)節(jié);

(3)當(dāng)壓力變送器9壓力信號穩(wěn)定30 s后,氣動球閥14關(guān)閉,氣動球閥15打開,計量罐注水,計時開始,時間控制在1 min～3 min之間;

(4)計時一到,氣動球閥15關(guān)閉,氣動球閥14同時打開,電子臺秤開始讀取水的質(zhì)量,讀取完畢,二位五通電磁閥斷電,電磁閥開啟放水,檢測電子臺秤信號變化;

(5)電磁閥斷電閥開啟,等待計量罐中的水排空后,發(fā)送一個信號告知測試系統(tǒng)可以開始下一個測試壓力點(diǎn),往復(fù)運(yùn)行直到所有測試壓力值都完成測試;

(6)只有保持出水壓力穩(wěn)定,才能準(zhǔn)確計算進(jìn)水出水壓力差,才能計算容積泵性能指標(biāo)。上述壓力穩(wěn)定是指設(shè)定一個測試壓力點(diǎn),根據(jù)壓力變送器2的值,測試控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥13的控制信號,即調(diào)節(jié)閥的氣動隔膜通過4 mA～20 mA電流信號進(jìn)行開合度大小調(diào)節(jié),保持出水壓力穩(wěn)定。

實(shí)際測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 投入運(yùn)行的容積式泵工作性能測試系統(tǒng)

2 系統(tǒng)測定方法計算

對容積式泵工作性能測試系統(tǒng)進(jìn)行測定時,一般用常溫清水(0～40 ℃),其密度一般設(shè)為1 kg·L-1。在進(jìn)行測試時,可得到植保機(jī)械用容積式泵的測定轉(zhuǎn)速,泵的實(shí)際流量可用測試系統(tǒng)的流量罐質(zhì)量測定和時間統(tǒng)計進(jìn)行組態(tài)軟件后臺計算。

在運(yùn)用質(zhì)量法進(jìn)行測定時,泵的容積效率和泵的總效率分別計算如下[4-5]:

(1)

(2)

式中:ηv—泵的容積效率;η—泵的容積效率;n0—泵的額定轉(zhuǎn)速,r·min-1;n—泵的測定轉(zhuǎn)速,r·min-1;Q—泵的實(shí)際流量,L·min-1;Qt—泵的實(shí)際流量,L·min-1;P—出水壓力和進(jìn)水壓力差;ρ—常溫清水密度,一般為1 kg·L-1;N—額定轉(zhuǎn)速下的總功率,kW。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求,控制系統(tǒng)上位機(jī)采用組態(tài)王軟件Kingview6.55,下位機(jī)采用三菱PLC的FX2N。

上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)整體控制系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測和執(zhí)行模糊控制算法,并提供自動和手動兩種控制模式;下位機(jī)PLC對現(xiàn)場電信號進(jìn)行實(shí)時采集,并根據(jù)水回路邏輯和上位機(jī)提供的PID控制三參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場控制。

3.2 測試系統(tǒng)模糊PID控制器設(shè)計

測試時需要保持的恒定出水壓力P,這是控制系統(tǒng)的核心,一般采用傳統(tǒng)PID控制方式,如下式所示:

(3)

在測試過程中,要求柱塞泵壓力控制響應(yīng)快、超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差接近為零。由于受環(huán)境、溫度、水質(zhì)的影響,傳統(tǒng)PID控制往往不能到達(dá)上述要求[6]。因此,該控制系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊PID混合智能控制策略,用控制壓力的偏差和壓力偏差變化率作為模糊控制器的二維輸入變量,模糊控制器的3個輸出變量分別為PID控制器的Kp,Ki,Kd3個控制參數(shù)。此時,Kp,Ki,Kd3個參數(shù)在測試中根據(jù)模糊規(guī)則實(shí)時改變[7]。

控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于模糊PID的恒壓力控制結(jié)構(gòu)圖

圖3中,Kp,Ki,Kd調(diào)整原則如下:

(1)誤差e較大時,為提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,Kp相應(yīng)增大,為防止超調(diào),同時降低Ki,Kd可取較大值;

(2)誤差e在中間值時,綜合考慮系統(tǒng)的響應(yīng)速度和超調(diào),Kp,Ki,Kd取中間值;

(3)誤差e較小時,為防止系統(tǒng)超調(diào),應(yīng)降低Kp的值,同時考慮到穩(wěn)態(tài)誤差,應(yīng)增大Ki的值。為防止系統(tǒng)振蕩,Kd應(yīng)取較小值。

依據(jù)上述3參數(shù)調(diào)整原則,在系統(tǒng)測試過程中,實(shí)時調(diào)節(jié)PID 3個控制參數(shù),提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度,使穩(wěn)態(tài)誤差接近為0,避免系統(tǒng)壓力來回振蕩;

筆者通過模糊PID混合控制,改變PLC的AD模塊輸出電流u的大小,控制氣動隔膜開啟度數(shù),實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)中出水恒壓力控制要求。

3.2.1 模糊控制規(guī)則

根據(jù)現(xiàn)場控制要求,模糊控制器的輸入變量為測試點(diǎn)要求的出水壓力,以及壓力變送器2顯示的壓力的誤差e和誤差變化率ec,論域均為[-5,5],模糊控制器輸出變量分別為Kp,Ki,Kd。其中,Kp的論域為[20,100],Ki的論域為[10,80],Kd的論域為[10,30]。

隸度函數(shù)曲線分別如圖(4,5)所示[8-11]。

圖4 e和ec的隸屬度函數(shù)曲線

圖5 Kp、Ki、Kd的隸屬度函數(shù)曲線

本控制系統(tǒng)控制實(shí)時要求高,在不影響系統(tǒng)控制精度的基礎(chǔ)上,模糊集均定義為{NB,NS,ZO,PS,PB}[12-13]。

模糊控制規(guī)則表如表1所示。

表1 Kp,Ki,Kd的模糊控制規(guī)則表

依據(jù)表1的模糊控制規(guī)則表,Kp,Ki,Kd可以根據(jù)現(xiàn)場控制偏差參數(shù)動態(tài)獲取。

為節(jié)省系統(tǒng)后臺運(yùn)算時間,加快響應(yīng),筆者采用最大隸屬度法去模糊化,改變?nèi)釶LC的AD模塊輸出電流值,控制氣動隔膜開啟度數(shù),維持出水壓力恒定值。

3.2.2 控制器效果分析

筆者通過編寫PLC程序,實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)兩種控制方法,即傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制。

PLC程序如圖6所示。

圖6 傳統(tǒng)PID和模糊PID控制模式切換梯形圖

圖6中,在設(shè)置成傳統(tǒng)PID模式時,分別在監(jiān)控畫面設(shè)置PID 3個控制參數(shù),對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器分別為D0,D1,D2;

系統(tǒng)默認(rèn)為模糊PID控制模式,有系統(tǒng)后臺經(jīng)過模糊規(guī)則運(yùn)算,得到PID 3個控制參數(shù)分別傳入D10,D11,D12中,此時系統(tǒng)進(jìn)入模糊PID控制;

兩種模式時,都將Kp存入D103,Ki存入D104,Kd存入D105。

采用上述兩種控制方法得出的系統(tǒng)響應(yīng)狀況如圖7所示。

圖7 模糊PID控制和傳統(tǒng)PID控制響應(yīng)圖

由圖7中可以看出:

(1)與傳統(tǒng)PID相比,模糊PID響應(yīng)快,能提前8 s達(dá)到恒壓力控制要求;

(2)測試效率提高30%左右,且上、下振蕩幅度較小,可減少對測試系統(tǒng)的沖擊,延長系統(tǒng)的使用期限。

4 結(jié)束語

本文對植保機(jī)械用容積式泵工作性能測試系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計,并詳細(xì)介紹了該測試系統(tǒng)的測試步驟;針對控制系統(tǒng)中容積式泵出水恒壓力控制需求,給出了基于模糊控制的PID控制方法,并設(shè)計了模糊控制器;通過控制系統(tǒng)中PLC編程,將上述方法與傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行了實(shí)驗對比,實(shí)驗結(jié)果表明：基于模糊控制的PID控制明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

本文所研究的基于模糊PID的控制方法,是應(yīng)用于某質(zhì)量監(jiān)督局的植保機(jī)械用容積式泵工作性能測試系統(tǒng)。系統(tǒng)投入使用后,較之傳統(tǒng)PID控制檢測系統(tǒng)相比,縮短了單臺機(jī)器的檢測時間,效率提高了30%左右;且在檢測時,檢測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,振動幅度較小,測試產(chǎn)品范圍廣,各方面都達(dá)到工藝要求。

因此,該測試系統(tǒng)可以在同類型行業(yè)中加以推廣。