Fuzzy-PID在傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)改造中的應(yīng)用

1、第10卷第5期2005年10月#新#余#高#專#學(xué)#報(bào)J O U R N A L O F X I N Y U C O L L E G E V o l . 10, N O. 5O c t . 2005F u z z I D 在傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)改造中的應(yīng)用y -P馮#碩#胡應(yīng)占,河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系, 河南南陽(yáng)473009#($摘#要:傳統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)多數(shù)采用加、卸載供氣控制方式, 不僅供氣壓力不穩(wěn)定, 而且使空氣壓縮機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)頻繁地變換, 造成經(jīng)濟(jì)損失。以參數(shù)模糊自整定P I D 控制器為基礎(chǔ), 以單片機(jī)為控制核心構(gòu)成閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng), 是對(duì)傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)的改進(jìn)。關(guān)鍵詞:空氣壓縮機(jī);

2、F u z z -P I D ; P WM 變頻調(diào)速y$引言空氣壓縮機(jī)是一種把空氣壓入儲(chǔ)氣罐中, 使之保持一定壓力的機(jī)械設(shè)備。它作為一種重要的能源產(chǎn)生形式, 為各種氣動(dòng)元件和氣動(dòng)設(shè)備提供氣源, 廣泛應(yīng)用機(jī)械、治金、電子電力、醫(yī)藥、包裝、化工、食品、采礦、紡織、交通等眾多工業(yè)領(lǐng)域?？諝鈮嚎s機(jī)傳統(tǒng)的工作方式是進(jìn)氣閥開(kāi)、關(guān)控制方式, 這種頻繁地加減負(fù)荷過(guò)程, 使供氣壓力波動(dòng)較大?？紤]到壓縮機(jī)在滿負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的可能性, 通常按最大需求來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)的容量, 而實(shí)際中輕載運(yùn)行的時(shí)間一般所占的比例較高, 造成能源浪費(fèi)。另外, 為保證用戶正常工作的壓力值, 設(shè)置減壓閥減壓更是人為浪費(fèi)。為此, 我們?cè)趥鹘y(tǒng)空

3、氣壓縮機(jī)改造中利用機(jī)電一體化技術(shù), 通過(guò)內(nèi)置變頻器, 采用F 將管網(wǎng)壓力始終維持在能滿u z z -P I D 控制技術(shù), y 足供氣壓力的工作壓力上, 保證了產(chǎn)品質(zhì)量, 收到較好的經(jīng)濟(jì)效益。1空氣壓縮機(jī)智能控制裝置的硬件及工作原理空氣壓縮機(jī)智能控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示, 從結(jié)構(gòu)上主要分為控制部分和執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇糠种饕蓡纹瑱C(jī)、/P WM 波發(fā)生器、I P M 逆變器、A D 、D A 轉(zhuǎn)換模塊、整流模塊、故障檢測(cè)和報(bào)警電路等組成。執(zhí)行驅(qū)動(dòng)部分主要包括三相交流電動(dòng)機(jī)和空壓機(jī)。系統(tǒng)的工作原理為:霍爾電流、電壓傳感器及壓力變送器將檢測(cè)到的逆變模塊的三相輸出電流、電壓及儲(chǔ)氣罐的壓力信號(hào), 經(jīng)

4、采樣保持、/A D 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)8255控制P WM 波發(fā)生器, 產(chǎn)生的P WM 波經(jīng)實(shí)T I L 300線性光耦進(jìn)行電氣隔離后作用于逆變模塊I P M ,收稿日期2005-04-19作者簡(jiǎn)介:胡應(yīng)占(, 男, 河南舞鋼人, 講師, 河南理工大學(xué)在職碩士研究生。1972-現(xiàn)電機(jī)的變頻調(diào)速, 實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氣罐的壓力控制。逆變模塊工作時(shí)所需要的直流電壓信號(hào)由整流電路對(duì)380V 電源進(jìn)行全橋整流得到?？刂葡到y(tǒng)主要功能元件的選型與設(shè)計(jì):( 單片機(jī)系統(tǒng)1選用A T 通過(guò)并行I /89C 52單片機(jī),O 接口芯片8255提供三相P WM 波發(fā)生器S A 4828所需要的控制信號(hào), 處理I 處P

5、M 發(fā)出的故障信號(hào)和報(bào)警信號(hào), 理通過(guò)模擬輸入口接收的壓力、電流、電壓、溫度等檢測(cè)信號(hào)。通過(guò)8利用279構(gòu)成鍵盤顯示電路實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能, 壓力等設(shè)定信號(hào), 利用O 4 4鍵盤接收系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)矩、D-電機(jī)溫度、通訊和參數(shù)D M 12864A 可分別對(duì)儲(chǔ)氣罐壓力、等信號(hào)等進(jìn)行顯示、設(shè)置或調(diào)試, 顯示直觀、清晰。時(shí)鐘電路利用日歷時(shí)鐘芯片D 用來(lái)提供采樣S 12887, 與控制周期所需要的時(shí)間以及日歷, 而且其內(nèi)部的非易失性R 可用來(lái)存入需長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)。AM ,為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制, 選用MA X 232作為系統(tǒng)的串行通訊接口, 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與其它微機(jī)間的通訊。利用 P 監(jiān)控集成電路MA X 81

6、3L 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)程序運(yùn)行監(jiān)視。MA “看門狗(X 813L 具有上電復(fù)位、W a t c h - ”定時(shí)輸出、掉電電壓監(jiān)測(cè)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位四大功能, 價(jià)d o g 格低, 可靠性高。( 儲(chǔ)氣罐壓力檢測(cè)2采用C Y B 11系列通用型壓力變送器, 它由半導(dǎo)體擴(kuò)散硅壓力傳感器及專用放大線路組成, 具有體積小、精度高、電路調(diào)試方便、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。( 電壓、電流及檢測(cè)3檢測(cè)電壓、電流主要是為了 計(jì)34#新#余#高#專#學(xué)#報(bào)#(第120050卷圖1#空氣壓縮機(jī)智能控制系統(tǒng)框圖算電機(jī)的力矩, 以及變頻器輸出回路短路、斷相保護(hù)和逆變模塊故障診斷。由于變頻器輸出的電流和電壓的頻率范圍為0&

7、5, 采用常規(guī)的電流、電壓互感器無(wú)法滿足要求。0H z 為了快速反映出電流的大小, 采用霍爾型電流互感器檢測(cè)對(duì)于I I P M 輸出的三相電流, P M 輸出電壓的檢測(cè)采用分壓電路。如圖2所示。( 采樣通道4理。( 三相P WM 波發(fā)生器5選用S A 4828作為三相P WM 發(fā)生器。S A 4828是M i t e l 公司生產(chǎn)的三相P WM 波形產(chǎn)生器, 具有獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口, 芯片內(nèi)部包含了波形、頻率、幅值等控制信息, 它可提供高質(zhì)量、全數(shù)字的三相脈寬調(diào)制波形, 而且編程簡(jiǎn)單方便, 修改靈活。( 智能功率模塊I 6P M經(jīng)計(jì)算, 選用三菱智能I G B TP M 50R S A 0

8、60可以滿足系統(tǒng)要求。且該功率模塊集功率開(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)電路、制動(dòng)電路于一體, 并內(nèi)置過(guò)電流、短路、欠電壓和過(guò)熱保護(hù)報(bào)警輸出, 是一種高性能的功率開(kāi)關(guān)器件。2參數(shù)模糊自整定P I D 控制器的結(jié)構(gòu)常規(guī)的電機(jī)調(diào)速控制器一般為P I D 控制器。P I D 控制圖2#電壓檢測(cè)I P M 輸出電流、器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、穩(wěn)定精度高等優(yōu)點(diǎn)。但常規(guī)參數(shù)魯棒性P I D 控制器的設(shè)計(jì)過(guò)分依賴于控制對(duì)象模型, 較差, 抗負(fù)載擾動(dòng)能力也不太強(qiáng), 且不具有在線整定參數(shù)K K D 的功能。模糊控制器具有不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模K P 、I 、型、便于利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)以及魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 它能很好克服交流調(diào)速系統(tǒng)中模型參數(shù)

9、變化及非線性等不確定因素給系統(tǒng)性能帶來(lái)的不利影響。為了滿足在不同偏差. e . 和偏差變化率. 利用模糊控制e c I D 參數(shù)自整定的要求, . 對(duì)P 規(guī)則在線對(duì)P 便構(gòu)成了參數(shù)模糊自整定I D 參數(shù)進(jìn)行修改, P I D 控制器。為此我們采用參數(shù)模糊自整定P I D 控制策略利用采樣保持器L F 398將數(shù)據(jù)通過(guò)12位A /D 轉(zhuǎn)換器A D C 1210轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處(第10050卷 #2胡應(yīng)占, 馮碩:F u z z -P I D 在傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)改造中的應(yīng)用y #35實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。參數(shù)模糊自整定P I D 控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。它由直接控制器和間接控制器

10、組成。直接控制器采用常規(guī)的P 間接控制器為模糊推理。在運(yùn)行過(guò)程中, I D 控制器, 通過(guò)P I D 控制器不停判斷儲(chǔ)氣罐壓力與給定壓力差值, , 改變P WM 波發(fā)生器的開(kāi)關(guān)速度, P I D 運(yùn)算輸出控制量u 調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度, 帶動(dòng)空壓機(jī), 使儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力達(dá)到或接近給定值; 模糊推理通過(guò)對(duì)當(dāng)前壓力與給定壓力的偏差. e . 和偏差變化率. 對(duì)P e c I D 控制器的性能作出. 的綜合判斷, 評(píng)價(jià), 并根據(jù)控制效果在線修改P 使P I D 參數(shù), I D 控制器以滿足不同. 從而使e e c . 和. . 時(shí)對(duì)控制器參數(shù)的不同要求, 被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。根據(jù)P 模糊控制器各語(yǔ)

11、言變量論域I D 參數(shù)整定思想, 確定為:. =e x =0, 1, 2, 3, 4e c 0, 1, 2, 3, 4. . :. :y K K D :Z Z Z 0. 05, 0. 5, 1, 2, 3K P , I , P =I =D =其中, 在輸入語(yǔ)言變量E 和E 取語(yǔ)言值為C 的論域中, “零”(, “小”( , “中”(, “大”(四種, 各語(yǔ)言值的定Z S M B 義分別由圖4、圖5給出的E 和E C 的隸屬函數(shù)曲線來(lái)描述。的控制效果達(dá)到最佳。圖3#參數(shù)模糊自整定P I D 控制器系統(tǒng)原理圖P I D 控制器采用增量計(jì)算, 位置輸出的算法, 其表達(dá)式為:%U (k =U(k -U

12、 (k -1 U (k =U(k -1 +%U (k=KP e (k -k (k -1 +T (k +T de (k -2e (k -iT +e (k -2=KP %e (k +KI e (k +KD %e (k -%e (k -1 式中u (k -第k 個(gè)采樣時(shí)刻控制器輸出量; e (k -第k 個(gè)采樣時(shí)刻控制器輸入量; K P -比例系數(shù); T i -積分時(shí)間; T d -微分時(shí)間;T-采樣周期。首先利用M a t l a b 仿真離線確定K P 、K I 和K D 的初值, 然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)K P 、K I 和K D 加以調(diào)整,并存入單片機(jī)系統(tǒng)2P R OM 。實(shí)際運(yùn)行時(shí), 為了減小運(yùn)算工

13、作量, 提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性, 采用查表法實(shí)現(xiàn)對(duì)K P 、K I 和K D 的修正。方法為:首先將. e . 和. e c . 模糊化, 然后查控制決策表, 得出對(duì)應(yīng)的P 、K I 和K D 值。參數(shù)模糊自整定P I D 控制器設(shè)計(jì)3. 1控制器輸入、輸出語(yǔ)言變量及其隸屬函數(shù)的確定P I D 參數(shù)自整定思想是首先找出P I D 三個(gè)參數(shù)與誤差e . 和誤差變化率. e c . 之間的模糊關(guān)系, 在運(yùn)行中不斷檢測(cè)e . 和. e c . ,再根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)P I D 參數(shù)在線修改, 同樣, 在輸出語(yǔ)言變量K P , K I , K D 的論域中取“大”(B , “較大”(P B , “中”(M

14、 , “小”(S , “零”(Z 五種語(yǔ)言值, 隸屬函數(shù)是單點(diǎn)模糊量形式, 各語(yǔ)言值的隸屬函數(shù)如圖所示。圖4#偏差e 隸屬函數(shù)曲線圖5#e c 隸屬函數(shù)曲線圖6#K P 、K I 、K D 隸屬函數(shù)曲線3. 2P I D 參數(shù)K P 、K I 、K D 的調(diào)整規(guī)則61EK 3. .36#新#余#高#專#學(xué)#報(bào)#(第120050卷根據(jù)P 得到參數(shù)K P , I D 參數(shù)整定原則以及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn), 表2, 表3。K K D 的調(diào)整規(guī)則見(jiàn)表1, I ,函數(shù)的定義, 應(yīng)用強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法推理得P I D 參數(shù)控制表見(jiàn)表表5、表6。4、表1比例系數(shù)K P 整定規(guī)則表. e c . e . Z #S #M #B Z

15、 Z #S #M #B S S #PB #P B #P B M B #B #B #B BP B P B P B P B 表2積分系數(shù)K 1整定規(guī)則表. e c . e . Z #S #M #B Z M #M #P B #B S M #M #PB #BM S #S #S #S BZ Z Z Z 表3微分系數(shù)K D 整定規(guī)則表. e c . e . Z #S #M #B Z M #M #S #S S S #P B #P B #P B M S #S #S #S BZ Z Z Z. 3P I D 參數(shù)模糊控制表模糊控制算法是否完善、合理將直接影響系統(tǒng)的控制效果。模糊控制算法的建立通常有合成推理的關(guān)系矩

16、陣法、合成推理查表法、強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法、后件函數(shù)法等。強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法具有直觀、運(yùn)算簡(jiǎn)便且便于修改隸屬函數(shù)及控制規(guī)則等特點(diǎn)。為此我們采用強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法建立控制規(guī)則表。假設(shè)控制規(guī)則為:I F Aa n dB T H E N C , 強(qiáng)度轉(zhuǎn)移法的方法為:如果存在精確輸入a *, b *, 并且對(duì)于A 、B 的隸屬度分別為: A (a * , B (b * , 則有強(qiáng)度; :; = A (a * 0 B (b *, 并推理結(jié)果為:#=; 0 C (C 對(duì)于第i 條控制規(guī)則:I F A i a n d B iT H E N C i(i =1, 2, ,k則有:k#=Y , 最后, 用重心法(加權(quán)i =1; i 0C

17、i(c 平均法 求出精確控制量C *為:C *=#在實(shí)際中, 無(wú)需對(duì)所有的規(guī)則求強(qiáng)度, 而只需對(duì)a *, b *量化后所得條件有關(guān)的語(yǔ)言變量值的規(guī)則求強(qiáng)度即可。根據(jù)上述規(guī)則表及輸入和輸出語(yǔ)言變量的模糊集隸屬表4比例系數(shù)控制表K P 0123400. 350. 50. 81110. 80. 80. 80. 80. 822222231111140. 850. 850. 850. 850. 85表5積分系數(shù)控制表K I 0123400. 010. 010. 030. 060. 0610. 010. 010. 030. 060. 0620. 0050. 0050. 0050. 0050. 005300

18、0004表6微分系數(shù)控制表K D 0123400. 020. 020. 020. 010. 0110. 040. 040. 040. 060. 0620. 0050. 0050. 0050. 0050. 00530. 0020. 0020. 0020. 0020. 00240. 0010. 0010. 0010. 0010. 001改造結(jié)果分析與結(jié)論我們進(jìn)行改造的空氣壓縮機(jī)工作壓力0&0b a r , 排氣量3. 0m 3/m i n 。電機(jī)型號(hào)為L(zhǎng) S 286T S C-4, 功率22k W , 頻率50H z , 額定電壓380V , 額定電流為42A , 4極, 額定轉(zhuǎn)速1470r /m

19、 i n 。在工作壓力范圍內(nèi)設(shè)定不同的壓力值測(cè)試, 系統(tǒng)靜態(tài)誤差小于%,正常工作時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間短, 調(diào)節(jié)精度高。由于利用F u z z y-P I D 控制實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟起動(dòng), 系統(tǒng)壓力上升時(shí)間稍長(zhǎng), 但減小了電機(jī)起動(dòng)時(shí)大電流的沖擊?？傊? 我們利用F u z z y -P I D 智能控制技術(shù)改造的空氣壓縮機(jī)工作性能良好, 通過(guò)簡(jiǎn)單的人機(jī)接口就可以獲得所需的壓力輸出, 調(diào)試方便, 節(jié)能效果好, 經(jīng)濟(jì)效益顯著。參考文獻(xiàn):1王莉, 王福忠, 等. 機(jī)電一體化智能大流量電動(dòng)執(zhí)3412(第10050卷 #2胡應(yīng)占, 馮碩:F u z z -P I D 在傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)改造中的應(yīng)用y #37行機(jī)構(gòu)的研究工

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22、 l l e r i n t r a n s f o r m a t i o no f t h e t r a d i t i o n a l a i r c o m r e s s o r p p y -P pHU Y i n -z h a n , H o n -S h u o g g(, N H e n a nP o l t e c h n i c I n s t i t u t e a n a n 73009, C h i n a y y g 4:T A b s t r a c t r a d i t i o n a l a i r c o m r e s s o r sm o s t l u l i rb e a n so f l o a d i n n du n l o a d i n . T h i sc o n t r o l p y s p p y a y m g a g m e t h o dn o t o n l a u s e s a t m o s h e r i c p r e s s u r e t ob eu n s t a b l