畢業(yè)論文--中壓氣源系統(tǒng)壓力模糊控制技術(shù)研究

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1、中壓氣源系統(tǒng)壓力模糊控制技術(shù)研究李泊摘要：管道壓力是影響管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。本課題的目的就是要通過(guò)對(duì)管道伺服閥的控制來(lái)為中壓氣源系統(tǒng)建立一個(gè)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)，能夠得到各子系統(tǒng)中每個(gè)管道中氣體的壓力，從而監(jiān)視管道壓力是否在正常值范圍內(nèi)。本文提出了一種基于模糊控制理論的氣動(dòng)閥門(mén)壓力控制方案。首先，設(shè)計(jì)組建了管道壓力控制系統(tǒng)；其次，建立了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；然后，根據(jù)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，采用了一個(gè)模糊PID控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力控制；最后，利用SIMULINK對(duì)整個(gè)壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞：

2、氣動(dòng)閥門(mén)；壓力控制；數(shù)學(xué)模型；模糊PID控制；SIMULINK仿真一、論文選題的背景及安排1．論文選題的背景本課題來(lái)源于科研項(xiàng)目“中壓氣源的安全監(jiān)測(cè)和計(jì)量系統(tǒng)”。中壓氣源系統(tǒng)由中壓儲(chǔ)氣罐組群和中壓壓縮機(jī)組組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，在壓縮機(jī)出口匯流總管處裝有流量計(jì)。中壓儲(chǔ)氣罐組群共有35×150m3+14×93m3體積容量1組、12×88m3體積容量3組，工作壓力為2.5MPa。中壓壓縮機(jī)機(jī)組共有流量為260Nm3/min，工作壓力為2.3MPa的壓縮機(jī)2臺(tái)；流量為125Nm3/min，工作壓力為2

3、.1MPa的壓縮機(jī)2臺(tái)。圖11中壓氣源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2．本課題要完成的主要任務(wù)如下：（1）學(xué)習(xí)模糊控制的基礎(chǔ)知識(shí)。12（2）研究模糊控制在氣體管道壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)管道壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)與組建（調(diào)節(jié)閥、閥門(mén)定位器、壓力傳感器和控制器），確立控制系統(tǒng)的硬件部分。（3）對(duì)氣體管道系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。分別通過(guò)對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、閥門(mén)定位器、管道壓力與流量之間關(guān)系的分析，對(duì)整個(gè)管道氣體壓力控制系統(tǒng)的被控對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以便于進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)和SIMULINK數(shù)值仿真。（4）管道壓力控制器設(shè)計(jì)。先進(jìn)行壓力控制

4、系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，給出基本的控制方案，然后對(duì)模糊PID控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。（5）管道壓力控制系統(tǒng)仿真分析。在SIMULINK環(huán)境下搭建被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)仿真驗(yàn)證模型的正確性；然后再進(jìn)行整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真，得出滿足控制要求的控制參數(shù)。二、管道壓力系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模本系統(tǒng)是通過(guò)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度來(lái)保持調(diào)節(jié)閥閥后壓力的穩(wěn)定，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。圖2-1管道壓力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖由圖2-1可知，被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型主要由氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥及定位器、閥門(mén)阻力特性、管道壓力—流量特性三個(gè)模型組成。1．氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥及定位器

5、模型氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥及定位器主要由電/氣閥門(mén)定位器[1]、氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門(mén)三部分組成，其數(shù)學(xué)模型的原理框圖如下：圖2-2氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥及定位器原理框圖圖2-2中：——輸入電流信號(hào)；——力矩的偏差值；——放大器輸出氣壓信號(hào)；——執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力；——閥桿的位移；——電流力矩轉(zhuǎn)換系數(shù)；12——輸入電磁力矩；——反饋力矩；——位移力矩反饋系數(shù)；——摩擦力、不平衡力和閥座壓緊力等；——控制閥合力轉(zhuǎn)換為行程的放大系數(shù)。其中氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜頭部分傳遞函數(shù)為：通過(guò)對(duì)圖2-2進(jìn)行仿真，得到下圖2-3所示，（a）如

6、果輸入電流為4mA，閥門(mén)開(kāi)度為0；（b）如果輸入電流為12mA，閥門(mén)開(kāi)度為50%；（c）如果輸入電流為20mA，閥門(mén)開(kāi)度為100%。（a）（b）（c）圖2-3輸入電流對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的影響2．閥門(mén)阻力特性模型——閥門(mén)開(kāi)度；——閥門(mén)阻力系數(shù)的倒數(shù)。3．管道壓力—流量特性模型[2]圖2-4氣體管道系統(tǒng)示意圖由圖2-4可知壓力—流量特性的表達(dá)式為：——被控對(duì)象的容量系數(shù)；——流量—差壓公式中的系數(shù)；——阻力系數(shù)；——閥前壓力；12——閥后壓力；——儲(chǔ)氣罐的壓力。4．被控對(duì)象完整數(shù)學(xué)模型圖2-5被控對(duì)象的仿真框圖（

7、1）氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥及定位器數(shù)學(xué)模型圖2-6氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥及定位器的仿真框圖（2）閥門(mén)阻力特性數(shù)學(xué)模型自定義函數(shù)Fcn和一個(gè)飽和環(huán)節(jié)Saturation即構(gòu)成了調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)模型，其中Fcn是利用以知數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合而得到的一個(gè)函數(shù)關(guān)系，形成如下：飽和環(huán)節(jié)Saturation則為了保證輸入到下一個(gè)環(huán)節(jié)的信號(hào)不為零，選擇下限為0.015815，上限選定為100000000。（3）管道壓力—流量特性數(shù)學(xué)模型12圖2-7管道壓力—流量特性的仿真框圖子系統(tǒng)Subsystem1是管道壓力—流量特性的數(shù)學(xué)模型，具

8、體結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2-8管道壓力—流量特性的具體仿真框圖管道設(shè)定為：=0.2；=10；；。三、模糊控制器的設(shè)計(jì)1．模糊控制的原理模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理[3]為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過(guò)程的一種智能控制方法。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。2．模糊控制器的組成（1）