基于模糊自适应PID控制的空压机背压控制器设计

作者:曹婧华;孔繁森;冉彦中;宋蕊辰; 刊名:吉林大学学报(工学版) 上传者:田艳

【摘要】由于空气压缩机背压的建立具有大延迟、大惯性等非线性特点,给空压机性能测试带来很大困难,影响空压机的稳定性与可靠性。本文应用模糊理论设计了模糊自适应PID控制器对空压机的排气压力进行控制调节,并逐步建立了储气瓶模型、背压系统仿真模型。仿真结果表明:模糊自适应PID控制器相比传统的PID控制器有较好的控制效果,并具有超调量小、过渡时间短、稳定性好的特点。

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0引言空气压缩机(空压机)作为一种产生压缩空气的动力装置,已经广泛地应用于车辆控制、仪表自动化以及船舶等领域中。空压机性能测试的难点主要体现在其对背压的控制上,背压是否稳定取决于进入储气瓶的气量与储气瓶排出的气量是否平衡[1]。背压不稳会造成空压机工作不稳定,对空压机本身以及其所在系统的寿命和性能造成极大损害。因此,对背压控制实现平稳调节具有实用价值。空压机的背压控制是其性能测试的主要难点,主要表现在以下两个方面:一是气体是可压缩的,作为稳压用的气瓶内压力的建立和稳定需要一定时间,并带有明显的纯滞后性;二是系统不稳定因素引起的压力变化又带有纯滞后性。采用传统PID控制,当工况改变时控制性能会降低。本文针对储气瓶压力调节的时变性和非线性,运用模糊自适应PID控制[2,3]对其进行仿真研究。实验结果表明:模糊控制特别适合于非线性、时滞性以及动态性强的控制系统,能够实现PID控制器的参数在线自适应调整[4],更好地适应装置工况和参数的变化,提高系统的控制精度和鲁棒性。1控制系统分析本文根据空压机控制系统的控制要求,针对现有控制系统需要解决的问题,引入空压机排气系统控制单元,设计了模糊自适应PID控制器,其基本结构和工作原理框图如图1所示。由图1虚线部分可知,模糊自适应PID控制器由模糊推理和PID控制器两部分构成,模糊自适应PID控制器根据设定压力Ps与反馈压力Pf的误差e以及误差的变化率ec计算得到控制量u(k),从而调整电动控制阀的开度X,进而控制储气瓶内的压力P,使之保持恒定。图1空压机排气系统控制器基本结构和原理框图Fig.1 Basic structure and principle diagram of aircompressor discharge system controller2模糊推理设计2.1模糊化设计确定输入、输出量的模糊语言变量名:选择设定值与实际输出值的偏差e(k)和偏差的变化ec(k)作为输入量,传统PID调节器的3个参数Kp、Ki和Kd的增量ΔKp、ΔKi和ΔKd为输出量。将空压机背压控制系统的反馈压力Pfdb与设定压力Pset间的误差e=Pfdb-Pset的模糊论域设为(-0.6,0.6),误差变化率ec=de/dt的基本论域设为(-0.6,0.6),确定模糊控制器3个输出变量ΔKp、ΔKi和ΔKd的基本论域均为(-10,10),并在仿真过程中进行在线调试。综合考虑系统精度和算法快速性,用7个模糊子集覆盖以上每个模糊论域。模糊子集分别为NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)[5,6]。输入和输出变量隶属度函数如图2~图4所示。图2输入变量隶属度函数Fig.2 Membership function of e图3输入变量ec隶属度函数Fig.3 Membership function of ec图4输出变量ΔKp、ΔKi和ΔKd的隶属度函数Fig.4 Membership function ofΔKp、ΔKi和ΔKd2.2模糊规则的制定在总结工程设计人员技术知识和实际操作经验的基础上,综合考虑在不同时刻3个参数的作用及相互之间的关系,得到如表1~表3所示的49条规则,每条模糊控制规则是以“if…then…”形式表示的模糊条件语句。表1ΔKp的模糊规则Table 1 Fuzzy control rule ofΔKpeecNB NM NS ZO PS PM PBNB PB PB PM PM PS ZO ZONM PB PB PM PS PS ZO NSNS PM PM

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