【閥門定位系統(tǒng)的PID和模糊PID控制策略分析14000字（論文）】

閥門定位系統(tǒng)的PID和模糊PID控制策略分析目錄TOC\o"1-3"\h\u24961第1章緒論 296401.1研究背景及意義 271471.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3106711.2.1智能閥門定位器的發(fā)展 3175801.2.2國外研究現(xiàn)狀 394781.2.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀 5136811.3閥門定位系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 6244401.3.1閥門定位器發(fā)展趨勢(shì) 6165091.3.2氣動(dòng)定位建模發(fā)展趨勢(shì) 6279861.4論文主要研究內(nèi)容以及所做的工作 628567第2章建模方法與算法分析 795112.1建模工具 728922.2建模方法 8206222.3算法分析 9136072.4本章小結(jié) 922510第3章智能閥門定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究 9299093.1閥門定位器 10270323.1.1力矩馬達(dá) 11223583.1.2噴嘴擋板 12242523.1.3氣動(dòng)繼動(dòng)器 14308743.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) 14299503.2.1氣室熱力學(xué)模型 15213213.2.2閥桿動(dòng)力學(xué)模型 16270603.2.3閥不平衡力 18203553.3本章小結(jié) 1911283第四章模糊PID控制器 1943114.1傳統(tǒng)PID控制 19178854.2模糊PID控制 20176084.2.1模糊控制理論 20220834.2.2模糊PID控制器設(shè)計(jì) 21324014.3本章小結(jié) 236427第五章系統(tǒng)仿真驗(yàn)證分析 24210085.1基于模糊PID控制的閥門定位系統(tǒng)仿真 2411875.2仿真結(jié)果分析 2412031總結(jié) 25摘要：二十一世紀(jì)新時(shí)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及產(chǎn)品信息化、智能化性能的飛速提升，不斷地改善著人們的生活環(huán)境。面對(duì)工業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，如何讓閥門定位系統(tǒng)滿足低功耗、智能性強(qiáng)、良好的抗干擾能力這一系列的特性已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域研究的熱門話題，同時(shí)在這個(gè)工作的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，這一要求也成為一個(gè)研究探討的熱點(diǎn)。工業(yè)智能控制行業(yè)里，傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)易于調(diào)整且結(jié)構(gòu)簡單，但其控制參數(shù)的確定和調(diào)節(jié)需建立在對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，因此使用傳統(tǒng)PID控制器難以實(shí)現(xiàn)在線整定的功能，也無法解決系統(tǒng)的純滯后性問題。為了更好的實(shí)現(xiàn)閥門定位系統(tǒng)的工作效率，本研究主要基于模糊PID控制，研究智能閥門定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)工作，希望所得的內(nèi)容能夠?yàn)橄嚓P(guān)的領(lǐng)域提供可行參考。本文介紹了閥門定位系統(tǒng)的PID控制策略和模糊PID控制策略，傳統(tǒng)PID缺乏自適應(yīng)整定的能力，實(shí)時(shí)性較差。為了改善這一現(xiàn)狀，本文結(jié)合閥門定位系統(tǒng)控制要求，基于MATLAB中的SIMULINK仿真平臺(tái)，設(shè)計(jì)并搭建了適合閥門定位系統(tǒng)的PID控制器，通過對(duì)傳統(tǒng)PID控制與模糊PID控制算法在閥門定位系統(tǒng)中的控制效果對(duì)比分析，得出模糊PID控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制的結(jié)論。關(guān)鍵詞：PID控制；模糊PID控制；智能閥門系統(tǒng)；閥門定位器第1章緒論1.1研究背景及意義由于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用可靠等特點(diǎn)，并且在使用后易于維護(hù)，使得氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥在化工、編織、煉金、油礦等發(fā)展迅速的生產(chǎn)控制領(lǐng)域十分常見。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)若想實(shí)現(xiàn)高水平的調(diào)節(jié)，閥門定位器是其中必不可少的一部分，作為調(diào)節(jié)閥的一個(gè)控制模塊，對(duì)于閥門的一些控制特性改善起到重大作用，對(duì)提升系統(tǒng)的控制速度、精度和系統(tǒng)靈活性有很大幫助，是過程控制中的重要一環(huán)。對(duì)氣動(dòng)閥門定位系統(tǒng)除了技術(shù)層面的研發(fā)外，在系統(tǒng)建模等理論上的研究對(duì)閥門定位技術(shù)發(fā)展也有著重要意義。閥門定位系統(tǒng)建模研究對(duì)其控制策略的研究改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。伴隨著科技的進(jìn)步，智能閥門行業(yè)發(fā)展迅速。在閥門工況復(fù)雜化、控制的精度要求越來越高以及體積小推力大的要求下，對(duì)其系統(tǒng)與相關(guān)控制技術(shù)的要求也越來越高。傳統(tǒng)比例—積分—微分控制器(proportional-integral-differential，PID)雖然原理簡易，結(jié)構(gòu)簡單且易于調(diào)整參數(shù)，但是需要在建立有清晰的控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，才能確定較為合適的控制參數(shù)。隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)智能控制領(lǐng)域中，傳統(tǒng)PID控制器想要實(shí)現(xiàn)在線整定十分困難，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性也是一個(gè)難以避免的問題。基于對(duì)智能閥門系統(tǒng)原理和特點(diǎn)的研究，我們發(fā)現(xiàn)可以使用模糊PID算法來對(duì)智能閥門系統(tǒng)進(jìn)行控制，提升系統(tǒng)的控制精度。根據(jù)智能閥門系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)，有相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提出使用模糊PID控制器來提高智能閥門系統(tǒng)的控制精度。模糊控制是以模糊語言變量、邏輯推理和模糊集合論的方法對(duì)模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過專家知識(shí)、實(shí)操經(jīng)驗(yàn)用模糊語言表達(dá)出來。模糊PID算法的優(yōu)勢(shì)在于，可以不用建立十分繁瑣的控制對(duì)象詳盡的數(shù)學(xué)模型，并且能夠有效的提高智能閥門系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1智能閥門定位器的發(fā)展早期的閥門是完全是人手動(dòng)的進(jìn)行控制，但是由于每個(gè)人操作熟練度的差異造成了效率低下、控制精度波動(dòng)大同時(shí)需要的人工也較大REF_Ref14425\r\h[1]。而手動(dòng)控制時(shí)候會(huì)出現(xiàn)一些問題如：控制精度差，控制響應(yīng)慢等，這些問題可以通過閥門控制系統(tǒng)來解決，在閥門控制系統(tǒng)中，閥門開度主要由電流的強(qiáng)弱來控制，它具有時(shí)時(shí)性、速度快、操作簡單可節(jié)省很大的勞動(dòng)力REF_Ref14523\r\h[2]。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是閥門系統(tǒng)里面的重要部件，定位器是它動(dòng)作核也部件。在現(xiàn)實(shí)使用中和執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)合著一起巧，依靠輸入信號(hào)讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)REF_Ref14938\r\h[3]。當(dāng)氣缸進(jìn)行動(dòng)作的時(shí)候，閥門當(dāng)前的位置信號(hào)經(jīng)由反饋裝置把信號(hào)傳遞到定位器中，該信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較再輸出控制信號(hào)使氣缸進(jìn)行動(dòng)作。最后，這就使得定位器與執(zhí)行器構(gòu)成了一個(gè)反饋回路REF_Ref15007\r\h[4]。隨著工業(yè)控制的發(fā)展和微處理器的應(yīng)用產(chǎn)生了閥門控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)中使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)二線制電流信號(hào)4-20mA，它是輸入信號(hào)。該標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)抗干擾能力比較強(qiáng)并且在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)比較安全，能夠遠(yuǎn)距離控制與傳輸，在工業(yè)控制上應(yīng)用已經(jīng)和廣泛REF_Ref15092\r\h[5]。由于單片機(jī)、ARM等出現(xiàn)與發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化，人類生活的方方面面大多已經(jīng)被嵌入式系統(tǒng)所影響。由微控制器為核也工業(yè)控制設(shè)備，尤其是現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表，其具有靈活性高、穩(wěn)定性高便于使用這些特點(diǎn)。新型壓電式智能閥口定位器具有良好的人機(jī)交互面板，并且使用簡便，自身帶有自整定功能，全自動(dòng)化的操作，工作效率高，節(jié)約成本。此外，在控制系統(tǒng)中嵌入先進(jìn)的控制算法，使調(diào)試、安裝、自整定效率大大提高，更好的解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)所存在的一些問題REF_Ref15118\r\h[6]。1.2.2國外研究現(xiàn)狀目前國外大廠商已經(jīng)發(fā)行具有遠(yuǎn)程協(xié)議的智能閥門定位器。這些定位器具有信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等功能。壓電式閥門定位器的控制特性有很大提高，能夠達(dá)到各種需求，這是現(xiàn)代定位器發(fā)展的新趨勢(shì)。在十幾年前，國外的實(shí)力雄厚的自動(dòng)化生產(chǎn)廠商已經(jīng)對(duì)新型智能閥門定位著手研究。英國羅托克公司首先研制出了IQ系列智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（INTELLIGENTELECTRICVALUEACTUATORS）。緊接著，具有二線制的智能閥門定位器被西門子公司，山武公司和費(fèi)希爾等公司等接踵而至的研究出來，核也控制元件是MCU。一些智能閥門定位器也帶有HART、FF、等接口，通過這些接口可利用PC機(jī)對(duì)定位器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。這些公司所研發(fā)的新型智能閥門定位器擁有世界最頂尖的技術(shù)水平，就目前看，德國西口子的SIPART系列、日本山武的SVP系列等產(chǎn)品其功能強(qiáng)大，工作穩(wěn)定可靠，被各大領(lǐng)域廣為使用REF_Ref17603\r\h[7]。國外公司生產(chǎn)的智能閥門定位器體積小、功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、工作效率高，使用了在全球范圍內(nèi)十分先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和控制算法，科技水平在世界處于領(lǐng)先地位REF_Ref17632\r\h[8]。隨著遠(yuǎn)程通訊技術(shù)的發(fā)展，將對(duì)工業(yè)控制帶來很大變革，根據(jù)ARC咨詢機(jī)構(gòu)在2007報(bào)告的市場(chǎng)占有率排名比較靠前的一些公司，這些公司占了大概85%的市場(chǎng)份額。國外產(chǎn)品在閥門開度的控制中，需要通過控制氣缸的進(jìn)出氣量來控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照預(yù)置信號(hào)和反饋信號(hào)在單片機(jī)中通過相應(yīng)的算法驅(qū)動(dòng)閥門動(dòng)作，控制信號(hào)則是由單片機(jī)發(fā)出的。最初控制對(duì)象是使用電控制，后來添加了伺服放大器和設(shè)定值的自設(shè)置。如今，較為主流閥門定位器具有很好的智能化，可通進(jìn)預(yù)設(shè)值自己實(shí)現(xiàn)整定，對(duì)流量和壓力等進(jìn)行控制。做的比較好的公司如：VALTEK的Starpac型智能閥門定位器能夠接受給定4-20mA的電流信號(hào)經(jīng)過協(xié)議口發(fā)出脈沖信號(hào)根據(jù)本身內(nèi)置算法進(jìn)行控制REF_Ref17773\r\h[9]。雖然國際大公司生產(chǎn)的智能閥門定位器十分先進(jìn)，然而國外的東西價(jià)格一般都比較昂貴，并且性能、質(zhì)量等都各不相同，所用技術(shù)也有差異，還有使用中有下面一些問題REF_Ref18406\r\h[10]：(1)組態(tài)模式是英文界面或者沒有可視界面，由于安裝調(diào)試人員大部分外語水平不高，導(dǎo)致操作不方便造成調(diào)試效率低下；(2)功能復(fù)雜，自整定時(shí)間很長，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效率低；(3)裝配的位置比較苛刻不同作用的配置器安裝的位置也不一樣，所以安裝的障礙跟麻煩隨之增加；(4)商品配件被國外公司操縱控制，一小部分配件損壞智能返回廠家修理，維修時(shí)間長且維修步驟繁瑣。1.2.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀與國外相比，國內(nèi)對(duì)于智能化儀器儀表的研究開始的較晚。90年代初，我國開始重視對(duì)智能技術(shù)的深入探索和考慮商討，于此相配的是也投入了大量的資源和資金去彌補(bǔ)國內(nèi)的不足REF_Ref20039\r\h[11]。近些年，隨著互聯(lián)巧的發(fā)展工業(yè)控制系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化、網(wǎng)絡(luò)化這些技術(shù)也已使用到智能閥口控制系統(tǒng)當(dāng)中REF_Ref20085\r\h[12]。使得智能型閥門定位器在近幾年有了快速的發(fā)展。但是，與國外生產(chǎn)的定位器相比較，國產(chǎn)的定位器體積較大、質(zhì)量中、性能差、智能化程度不高，有些結(jié)構(gòu)也不合理然而國產(chǎn)的智能閥門定位器穩(wěn)定性差、控制效率慢、精度也不精確，接著沒有完善的報(bào)警模塊和處理裝置。人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)不夠，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定困難維修難度大等諸多問題。而且，國內(nèi)主要的還是用電動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，技術(shù)主要是模仿為主，在創(chuàng)新和改進(jìn)方面的研究是欠缺的。對(duì)定位器的研究也逐漸增多，部分實(shí)力較強(qiáng)的生產(chǎn)廠家在代理國際閥門定位器的同時(shí)，開始形成了自己科研團(tuán)隊(duì)。這些大的廠商著力進(jìn)行智能閥門定位器的研究及開發(fā)。這一過程雖然取得了很大成就，彌補(bǔ)了國內(nèi)空缺，但與國外技術(shù)相比，還存在相當(dāng)大的差距，需繼續(xù)努力超趕。國內(nèi)對(duì)于智能閥門定位器研究較早的如：天津大學(xué)和浙江大學(xué)研究的帶有HART協(xié)議的壓電式智能閥門定位器取得了一定成果：南京易捷ET-SP2系列、重慶川儀的HVP型、深圳萬訊的MVP型智能閥門定位器等。然而由于國內(nèi)壓電陶瓷技術(shù)剛剛起步，成本較高且性能不夠穩(wěn)定，要進(jìn)行這方面的大規(guī)模生產(chǎn)還是比較困難的REF_Ref20222\r\h[13]。改革開放以來，隨著我國現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展，對(duì)許多液體、氣體等管道系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確度、控制速度以及智能化程度的要求越來越高，而這些管道系統(tǒng)都需要使用閥門定位器來對(duì)流量進(jìn)行控制；目前我國的工業(yè)控制和自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展逐漸趨向智能化，智能化已然成為現(xiàn)代工業(yè)控制發(fā)展的新趨勢(shì)。常用的閥門定位器在環(huán)境適應(yīng)性、控制精確度以及用后維護(hù)方面已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代智能化控制的要求，智能閥門定位器的出現(xiàn)有效的解決了這些問題。智能閥門定位器在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用越來越廣泛，并且易于調(diào)試，使它在工業(yè)控制領(lǐng)域迅速發(fā)展REF_Ref20277\r\h[14]。為了滿足我國目前龐大的市場(chǎng)需求，控制精度更高、功能更加全面同時(shí)制造成本較低的閥門定位器成為科學(xué)家們的主要研究方向，這對(duì)我國的產(chǎn)品的自主研發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展具有積極的促進(jìn)作用。1.3閥門定位系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)1.3.1閥門定位器發(fā)展趨勢(shì)目前智能閥門定位器在全面工業(yè)化的西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成長為一個(gè)巨大的行業(yè)。日本山武等世界頂尖閥門公司在技術(shù)上處于領(lǐng)導(dǎo)者的地位，目前常用的閥門定位器類型有：協(xié)議型、全數(shù)字化總線型、雙作用型、基本型閥門定位器、位置反饋型等產(chǎn)品。智能閥門器的不斷更迭經(jīng)歷了非常多的變更，起初是機(jī)械定位器慢慢發(fā)展為電子定位器，到最后就是人們所看到的智能定位器、全數(shù)字化總線型定位器。閥門定位器一直在向智能化發(fā)展。我國在工業(yè)控制領(lǐng)域的自主研發(fā)起步比較晚，還沒有成熟的技術(shù)體系，還是以引入國外成品設(shè)備為主要生產(chǎn)方式。我國目前在工業(yè)控制方向主要是參照西方的技術(shù)，先模仿再改進(jìn)，最后吸收成為自己的技術(shù)。我國大部分閥門生產(chǎn)廠家的閥門定位器高度依賴外國進(jìn)口，國內(nèi)的閥門生產(chǎn)廠家雖然也不少，但是規(guī)模都偏小，不成氣候，無法形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。目前國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)﹂y門定位器的需求量偏小，并且國內(nèi)幾乎很少有高端的智能閥門定位器，大多產(chǎn)品都是低端機(jī)械式閥門定位器。智能閥門定位器的核心技術(shù)沒有突破性的進(jìn)展，即使有一些企業(yè)購買了西方公司的生產(chǎn)專利進(jìn)行仿制研究，想要生產(chǎn)出高性能的閥門定位器也是十分困難的。目前國內(nèi)僅僅只要衡北光電技術(shù)公司突破了技術(shù)難題，成功仿制了媲美國外公司的閥門定位器，但還不能夠大規(guī)模批量生產(chǎn)。1.3.2氣動(dòng)定位建模發(fā)展趨勢(shì)早在二十世紀(jì)五十年代起，西方科研人員就開始進(jìn)行對(duì)氣動(dòng)定位系統(tǒng)的建模研究。Sherear通過大量的物理原理和公式主要涉及氣缸關(guān)鍵部分的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，用一個(gè)特別的微分方程建立了氣缸運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，描述了氣缸的運(yùn)動(dòng)原理。H.R.Martin和D.MccloyREF_Ref99\r\h[15]選在上世紀(jì)八十年代也研究出了與Sherear大致相同的模型。正因?yàn)橛辛怂麄儗?duì)數(shù)學(xué)模型的研究，推動(dòng)了氣動(dòng)定位系統(tǒng)建模的快速發(fā)展，但是他們的建模研究并沒有進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，模型的參數(shù)也沒有詳細(xì)的給出分析經(jīng)過。后來隨著人們研究的越來越深入，又有許多種氣動(dòng)定位系統(tǒng)的建模方法被研發(fā)出來。1.4論文主要研究內(nèi)容以及所做的工作關(guān)于基于模糊PID控制的智能閥門系統(tǒng)的研究，首先了解了模糊PID控制的原理和模糊控制規(guī)則以及PID控制理論，其次又學(xué)習(xí)了智能閥門系統(tǒng)的工作原理，并且了解了不同閥門的類型以及其詳細(xì)的資料說明。通過在校學(xué)習(xí)的電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、MATLAB應(yīng)用仿真、文獻(xiàn)檢索與論文寫作、DSP原理與應(yīng)用、電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷等相關(guān)學(xué)科，通過這些學(xué)科讓我對(duì)智能閥門系統(tǒng)的研究和仿真模型的搭建有了一定的基礎(chǔ)。通過知網(wǎng)、百度文庫、百度學(xué)術(shù)以及CSDN等學(xué)術(shù)網(wǎng)站，查找了大量關(guān)于模糊PID控制的智能閥門系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn)并進(jìn)行翻譯、整理和總結(jié)，了解了關(guān)于智能閥門系統(tǒng)的發(fā)展背景、工作原理以及在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，使我對(duì)理解模糊PID控制和智能閥門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很大幫助，明確了我這次設(shè)計(jì)的目標(biāo)與相關(guān)方案。論文主要研究內(nèi)容主要包括：闡述閥門定位系統(tǒng)的工作原理；閥門定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其模塊化；建立智能閥門定位系統(tǒng)的仿真模型；模糊PID控制策略的研究與仿真驗(yàn)證；傳統(tǒng)PID與模糊PID的對(duì)比分析。論文的主要章節(jié)及其重點(diǎn)內(nèi)容如下：首先介紹閥門定位系統(tǒng)的研究背景與意義，分析了閥門定位器在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀；通過文獻(xiàn)說明了閥門定位系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。其次通過對(duì)比分析了閥門定位系統(tǒng)中控制策略的應(yīng)用情況，初步介紹了閥門定位系統(tǒng)的建模方法和控制算法。然后，簡單的介紹了氣動(dòng)閥門定位系統(tǒng)的組成部分，分步驟介紹了閥門定位系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)建立氣動(dòng)閥門定位系統(tǒng)各個(gè)部分的數(shù)學(xué)模型。最后，介紹了傳統(tǒng)PID與模糊PID的控制原理，深入研究了模糊PID控制策略的設(shè)計(jì)思想與實(shí)現(xiàn)步驟，設(shè)計(jì)了適合閥門定位系統(tǒng)的模糊PID控制器，通過MATLAB仿真來對(duì)比分析傳統(tǒng)PID與模糊PID的控制效果。第2章建模方法與算法分析2.1建模工具閥門定位系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)具有非線性特征，所以閥門定位系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，描述閥門定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并將其轉(zhuǎn)換為仿真模塊的軟件平臺(tái)就起到十分重要的作用。Matlab是一種高精度的高級(jí)計(jì)算機(jī)語言，Simulink是Matlab中的一個(gè)重要仿真模塊，主要功能是提供了一個(gè)交互式環(huán)境，主要應(yīng)用于可視化數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)的分析計(jì)算以及算法研究，在該交互平臺(tái)下，用戶可以用數(shù)學(xué)符號(hào)的形式表示問題和解決問題，并且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算分析、仿真系統(tǒng)的搭建以及應(yīng)用程序開發(fā)等功能REF_Ref3456\r\h[24,25]。Simulink可依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行建模、仿真，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研究分析。Simulink不僅能對(duì)線性和非線性系統(tǒng)建模研究，同時(shí)也可以對(duì)離散、連續(xù)或者混合系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模分析。Simulink擁有強(qiáng)大的建模功能，使搭模型的搭建變得十分簡單明了，這些特點(diǎn)讓它在仿真實(shí)用系統(tǒng)領(lǐng)域十分受歡迎。2.2建模方法根據(jù)閥門定位系統(tǒng)的物理變化規(guī)律，為了得到過程特性方程，對(duì)一些不太重要的因素進(jìn)行忽略，特性方程的表現(xiàn)形式基本為代數(shù)方程或微分方程。本文以建立一個(gè)擴(kuò)展靈活、重用性強(qiáng)的氣動(dòng)閥門定位系統(tǒng)仿真，并且優(yōu)化控制效果為目的，在MATLAB中的Simulink仿真平臺(tái)下，在氣動(dòng)閥門定位系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)中把層次化和模塊化相互結(jié)合，意在為系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用建立一個(gè)優(yōu)質(zhì)的仿真模型。建?？傮w方案如圖2.1，首先對(duì)氣動(dòng)閥門定位系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，研究并分析系統(tǒng)各個(gè)模塊的工作原理，針對(duì)氣動(dòng)閥門定位系統(tǒng)的模型做一些基本的假設(shè)，再進(jìn)一步分析模型特征，加入邊界條件，由于系統(tǒng)的各個(gè)組成部分使用了模塊化方法，使它們都具有了獨(dú)立的功能，建立了能用于仿真的數(shù)學(xué)模型。在建立數(shù)學(xué)模型及對(duì)其模塊化時(shí)要對(duì)模型目的進(jìn)行分析，剔除不利因素或加入有利因素。其次運(yùn)用Matlab函數(shù)庫、Simulink模塊庫以及s函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)各組件的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模塊化，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行封裝，確定模型參數(shù)。把組成系統(tǒng)的各個(gè)模塊運(yùn)用起來共同構(gòu)成閥門定位系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。圖2.1系統(tǒng)建?？傮w方案2.3算法分析在氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥中，研究的重點(diǎn)是提高系統(tǒng)的輸出精度、使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快并且讓系統(tǒng)變得更加穩(wěn)定可靠。閥門定位器作為氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵部件，他可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精密、準(zhǔn)確、穩(wěn)定且迅速的控制，氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的調(diào)節(jié)也要依靠閥門定位器實(shí)現(xiàn)。由于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性、隨時(shí)變化的工作環(huán)境，要求閥門定位系統(tǒng)控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定且具有抗干擾能力。在閥門定位算法領(lǐng)域，主要有這幾種控制算法：常規(guī)PID控制、給予狀態(tài)觀測(cè)的補(bǔ)償控制、預(yù)測(cè)控制與滑模控制。文獻(xiàn)REF_Ref3570\r\h[26]中介紹了一種PID參數(shù)整定方案，作者通過提出了一種調(diào)節(jié)PID參數(shù)的計(jì)算方式，該算法能夠有效的減小系統(tǒng)超調(diào)，但不能夠?qū)崿F(xiàn)在線調(diào)整，不足以滿足調(diào)節(jié)閥復(fù)雜的工作特性；文獻(xiàn)REF_Ref3613\r\h[27]中介紹了一種PID單參數(shù)模糊自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)，使模糊控制原理應(yīng)用到了普通PID控制器中，可以使其對(duì)較難調(diào)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)整定。因?yàn)閭鹘y(tǒng)PID控制成本低、結(jié)構(gòu)簡易且使用和配置十分方便，但是有一個(gè)很大的局限性，傳統(tǒng)PID通常只能夠應(yīng)用在簡單地線性系統(tǒng)中，它也沒有實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)的功能REF_Ref3766\r\h[28]，該控制策略下閥門定位系統(tǒng)抗干擾性、實(shí)時(shí)性較差；模糊控制是因?yàn)槠淙蒎e(cuò)能力較強(qiáng)且對(duì)于控制過程中的數(shù)學(xué)模型并不要求其精確，使控制系統(tǒng)中的非線性問題得到十分有效的解決REF_Ref3835\r\h[29]。2.4本章小結(jié)本章首先介紹了本研究需要用到的建模工具——MATLAB，通過對(duì)MATLAB中SIMULINK軟件包強(qiáng)大的功能和特點(diǎn)的介紹，說明了使用MATLAB來進(jìn)行仿真分析的原因；其次根據(jù)閥門定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來討論了建模方法；最后通過對(duì)閥門定位系統(tǒng)存在的問題研究，確定使用模糊PID算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門定位系統(tǒng)的控制。第3章智能閥門定位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型研究氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門定位器是閥門定位系統(tǒng)的兩大主要組成部分。常見的閥門定位器一般由控制器、電氣轉(zhuǎn)換模塊以及位置反饋裝置構(gòu)成；圖3.1清晰的展示了閥門定位系統(tǒng)的工作流程：首先信號(hào)檢測(cè)模塊經(jīng)過數(shù)字化處理把閥門設(shè)定的信號(hào)轉(zhuǎn)變成了可以被中央處理單元所識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)比閥位信號(hào)和設(shè)置好的信號(hào)經(jīng)中央處理單元的比較結(jié)果是否吻合，最后得出的氣壓信號(hào)經(jīng)由電氣轉(zhuǎn)換單元實(shí)行進(jìn)氣與排氣工作，產(chǎn)生相應(yīng)的氣體壓力，調(diào)節(jié)氣動(dòng)執(zhí)行器工作。圖3.1閥門定位系統(tǒng)方框圖閥門定位系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型屬于非線性分布參數(shù)模型，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)繁多的特征。在對(duì)閥門定位系統(tǒng)建模的過程中，對(duì)于涉及到系統(tǒng)本質(zhì)的、反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系的東西要體現(xiàn)出來，忽略對(duì)系統(tǒng)真實(shí)程度影響不大的因素（沒有客觀影響的、非本質(zhì)的），模型在具有比較高的精度的情況下，應(yīng)盡量簡潔，具有可操作性。模型需要有真實(shí)完整性，能完整的、系統(tǒng)的、形象的、真實(shí)的反映閥門定位系統(tǒng)的運(yùn)行過程；數(shù)學(xué)模型理想情況應(yīng)充分考慮到實(shí)用性和精確性兩方面。模型實(shí)用性是指在處理實(shí)際問題時(shí)能利用模型來解決，模型越簡單越容易處理問題;精確性是對(duì)多重因素進(jìn)行詳細(xì)的考慮，最大程度反應(yīng)系統(tǒng)特性。建模過程要對(duì)精確性和實(shí)用性進(jìn)行綜合考慮，通常采用折中處理的方法。3.1閥門定位器智能閥門定位器是一個(gè)能夠按照一定比例具有放大作用的調(diào)節(jié)器，在它的內(nèi)部將1-5v的電壓信號(hào)或者4-20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶帕?，通過控制閥的一段輸出氣壓信號(hào)進(jìn)行撥動(dòng)。定位電器的轉(zhuǎn)換主要由內(nèi)矩馬達(dá)還有噴嘴擋板以及氣動(dòng)繼動(dòng)氣這三個(gè)部件組成，其中力矩馬達(dá)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為力矩，噴嘴擋板輸出背壓，氣動(dòng)繼動(dòng)器的作用是加快氣流的反應(yīng)時(shí)間，該環(huán)節(jié)的實(shí)質(zhì)是起到氣動(dòng)放大的作用。當(dāng)然在實(shí)際當(dāng)中閥門定位器應(yīng)包含位置反饋模塊和中央處理單元（控制策略），這兩部分將單列出來進(jìn)行詳細(xì)的分析介紹。3.1.1力矩馬達(dá)力矩馬達(dá)得以實(shí)現(xiàn)是因?yàn)殡娦盘?hào)到機(jī)械信號(hào)的調(diào)動(dòng)，力矩馬達(dá)的本質(zhì)是將兩種信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的裝置REF_Ref5244\r\hREF_Ref5244\r\h[30]。這個(gè)裝置是基于電磁理論來運(yùn)行的，不變的磁場(chǎng)通過恒久的磁鐵產(chǎn)生，通過操控線圈和電控制信號(hào)繼而形成控制磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)相互作用時(shí)，控制信號(hào)的極行會(huì)在磁場(chǎng)中生成用于反應(yīng)的力，并且與控制信號(hào)有一定的比例。力矩馬達(dá)工作流程展現(xiàn)兩個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，是電和機(jī)械的過程。然后算出兩個(gè)線圈之間的電流差，將這個(gè)視為力矩馬達(dá)的輸入信號(hào)，忽視電的動(dòng)態(tài)過程，運(yùn)用銜鐵擋板組件的運(yùn)動(dòng)方程來體現(xiàn)力矩馬達(dá)的動(dòng)態(tài)方程。力矩馬達(dá)輸出的電磁力矩為：（3-1）式中：為力矩馬達(dá)的中位電磁力矩系數(shù)，為電磁彈簧剛度；為銜鐵的偏轉(zhuǎn)角。在電磁力矩的作用下，銜鐵擋板組件的運(yùn)動(dòng)方程為：（3-2）式中：和分別為銜鐵擋板組件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和粘性阻尼系數(shù)；為彈簧管剛度，為噴嘴對(duì)擋扳的液流力產(chǎn)生的負(fù)載力矩，即（3-3）式中：為噴嘴孔的面積，為兩個(gè)噴嘴腔的負(fù)載壓差，為系統(tǒng)供油壓力；為噴嘴中心到支承彈簧回轉(zhuǎn)中心的距離；為擋板和噴嘴間的流量系數(shù)；為擋板和噴嘴間的零位間隙。將式(3-1)、式(3-2)、式(3-3）合并，經(jīng)拉氏變換得銜鐵擋板組件的運(yùn)動(dòng)方程為（3-4）式中：、、分別為力矩馬達(dá)的總剛度、固有頻率和的機(jī)械阻尼比，且（3-5）（3-6）（3-7）力矩馬達(dá)的動(dòng)態(tài)特性可通過式（3-2）和式（3-4）描繪。3.1.2噴嘴擋板噴嘴、擋板、節(jié)流口三個(gè)大部分組成了一個(gè)單噴嘴擋板。前兩個(gè)部分的中部可以認(rèn)為是一個(gè)可以調(diào)節(jié)的節(jié)流孔，若想調(diào)節(jié)擋板的位置可以通過調(diào)整輸入信號(hào)的大小來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閾醢宓木嚯x和角度很微小，噴嘴和擋板兩者的位移可以很相似的按照平行移動(dòng)方法解決。下圖為單噴嘴擋板的工作原理圖。圖3.2單噴嘴擋板工作原理圖單噴嘴擋板的負(fù)載流量可根據(jù)流量連續(xù)方程得到：（3-8）將固定節(jié)流孔和可變節(jié)流孔的流量方程代入上式可得：（3-9）式中：，為輸出到繼動(dòng)器中的氣體流量，為在平衡位置時(shí)擋板和節(jié)流口間初始距離，是擋板和平衡位置間的距離，為控制腔中的氣體壓強(qiáng)，為固定節(jié)流口面積，為氣源壓力。單噴嘴擋板壓力特性是指切斷負(fù)載時(shí)控制壓力隨擋板位移變化特性，由公式(3-9）得（3-10）其特性曲線見圖3.3，為了得到壓力靈敏度的最大限度，使（3-11）式中：為噴嘴的實(shí)際節(jié)流孔長度，。圖3.3單噴嘴擋板壓力負(fù)載特性由式（3-10）和式（3-11）可得壓力靈敏度為（3-12）零位,，，為使壓力靈敏度最高﹐使，因，則，由式（3-10）知，代入公式(3-9)可得壓力-流量特性方程為:（3-13）3.1.3氣動(dòng)繼動(dòng)器可以把氣動(dòng)繼動(dòng)器看作有雙閥芯的閥，繼動(dòng)器起到氣動(dòng)放大的作用。氣動(dòng)繼動(dòng)器的三個(gè)工作狀態(tài)是排氣狀態(tài)、進(jìn)氣狀態(tài)和排進(jìn)氣停止?fàn)顟B(tài)，薄膜所受合外力決定氣動(dòng)繼動(dòng)器處于哪個(gè)工作狀態(tài)。(1)氣體質(zhì)量流量模型國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/6358詳細(xì)說明了以兩個(gè)特征參數(shù)控制的氣動(dòng)元件的特征流量：臨界壓力比b值和聲速流導(dǎo)C值REF_Ref5702\r\h[32]。但是此標(biāo)準(zhǔn)所確定的測(cè)試方法對(duì)測(cè)試儀表的測(cè)量精度要求極為苛刻，同時(shí)對(duì)測(cè)量范圍也有很高的要求，很難確保兩個(gè)特征參數(shù)能夠準(zhǔn)確測(cè)定，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/6358比較大的欠缺是在有大通徑的原件測(cè)試時(shí)的耗氣量非常多，所以這篇文章用的兩個(gè)特征參數(shù)是臨界壓力比

b

和有效截面積S。氣體質(zhì)量流量方程為：（3-14）式中，為閥口外壓力；為閥等效開口面積；為氣源壓力，為氣源溫度；為臨界壓力比。(2）力平衡模型氣源壓力進(jìn)入氣動(dòng)繼動(dòng)器，輸出口的壓力與控制壓力滿足公式:（3-15）式中，為控制氣源壓力，為輸入氣源壓力，為輸出壓力，為上膜片有效面積，為中膜片面積，為下膜片面積，為閥芯有效面積，為進(jìn)氣閥芯所受的合外力，為排氣時(shí)閥芯所受的合外力。3.2氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)現(xiàn)在非常常見的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是活塞式和薄膜式，正作用與反作用是氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩種工作方式：正作用和反作用。本文以具有正作用的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為建模研究對(duì)象。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過程不僅是包含閥桿運(yùn)動(dòng)過程，而且還涉及到薄膜氣室內(nèi)復(fù)雜的體積和氣體質(zhì)量變化的過程。氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.4。氣動(dòng)執(zhí)行器為彈簧薄膜閥，主要由薄膜、閥桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、閥體部件、平衡彈簧、閥座構(gòu)成REF_Ref5809\r\h[33]。氣動(dòng)執(zhí)行器具有慣性、純滯后和非線性等特性。不同類型的氣動(dòng)執(zhí)行器可通過時(shí)間尺度變換和比例變換視為模型相同的被控對(duì)象。圖3.4氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1-薄膜；2-平衡彈簧；3-閥桿；4-閥芯；5-閥體；6-閥座3.2.1氣室熱力學(xué)模型氣室的工作介質(zhì)是氣體，在薄膜氣室充放氣工程中，壓力、體積和溫度在能量轉(zhuǎn)化的過程中不斷的進(jìn)行復(fù)雜的變化。充排氣過程在氣室內(nèi)可視為等溫過程，通過熱力學(xué)第一定律和理想氣體狀態(tài)方程可得壓強(qiáng)、質(zhì)量和容積之間的變化關(guān)系REF_Ref5862\r\h[34]。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，氣室內(nèi)的質(zhì)量變化率等于流入(流出)的質(zhì)量流量：（3-16）薄膜氣室當(dāng)中異步發(fā)生排氣，因此在，中有一個(gè)為零，即（3-17）理想狀態(tài)方程為，代入式（2.16）可得：（3-18）薄膜氣室壓力隨物質(zhì)流量的變換關(guān)系為：（3-19）式中，為氣室壓力，為氣室體積，為氣體常數(shù)，為氣體溫度，為質(zhì)量流量，為輸入流量，為輸出流量，為氣體密度。3.2.2閥桿動(dòng)力學(xué)模型假定氣動(dòng)執(zhí)行器處于理想環(huán)境當(dāng)中，并且在該環(huán)境下，構(gòu)成氣動(dòng)執(zhí)行器的材料具有極好的適應(yīng)性，無外力作用下不發(fā)生形變，也就是視構(gòu)成氣動(dòng)執(zhí)行器為理想剛體，解除彈簧的壓縮應(yīng)力和非金屬材料的拉伸后，能夠有較好的自恢復(fù)性REF_Ref5920\r\h[35]。在氣動(dòng)力激勵(lì)條件下彈簧阻尼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以被看作是氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的物理模型。它的受力分析圖如下。圖3.5閥桿受力分析圖薄膜作用力—；反作用力—；彈簧預(yù)緊力—；閥芯反作用力—；套管壓力—；動(dòng)摩擦力—；靜摩擦力—；重力—；達(dá)朗貝爾力—；閥桿組件質(zhì)量—；閥位—。把執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥桿、閥塞和其他的整輔性助機(jī)構(gòu)當(dāng)成一個(gè)模塊，假如這個(gè)整體的質(zhì)量為m千克，該整體的驅(qū)動(dòng)為彈簧阻尼機(jī)構(gòu)（質(zhì)量忽略不計(jì))，則可規(guī)定彈簧的彈性系數(shù)為，執(zhí)行機(jī)構(gòu)阻尼系數(shù)為，閥桿所受動(dòng)靜摩擦力分別為、，閥芯對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反作用力，隨著供氣壓力進(jìn)入氣室后推動(dòng)壓力持續(xù)加大，當(dāng)推動(dòng)壓力克服了執(zhí)行器不平衡力后，壓力推動(dòng)閥桿、彈簧和薄膜膜片做向下運(yùn)動(dòng)。(1）薄膜作用力在供氣壓力作用在薄膜上，產(chǎn)生向下的薄膜作用力為：（3-20）式中，為供氣壓力，為薄膜面積。(2）彈簧反作用力由于薄膜反作用力較小，為了建模方便可對(duì)其忽略不計(jì)，假設(shè)閥桿位移與彈簧呈線性，薄膜的彈力可表示為：（3-21）式中，彈性系數(shù)為，閥桿位移為。(3）彈簧預(yù)緊力把比較小的薄膜預(yù)緊力忽略不計(jì)，可以計(jì)算出彈簧的預(yù)緊力（3-22）式中，彈性系數(shù)為，彈簧預(yù)緊壓縮位移為。(4）閥桿動(dòng)靜摩擦力閥桿所受摩擦力大部分是填充材料對(duì)閥桿的阻力。填料所用的材料和閥桿的粗細(xì)是控制摩擦力的重要因素。可得出下式：（3-23）式中，動(dòng)摩擦力為，靜摩擦力為，和分別為粘滯系數(shù)和庫倫摩擦力，為靜摩擦力系數(shù)，是閥桿速度，套管壓力為。(5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程（3-24）結(jié)合式(3-16）~(3-22），按動(dòng)摩擦力計(jì)算，其中，，可變?yōu)椋海?-25）式中，為閥體質(zhì)量，機(jī)構(gòu)阻尼系數(shù)為，彈性系數(shù)為，彈簧預(yù)緊壓縮位移為，為供氣壓力，為薄膜面積，閥芯反作用力為，為重力加速度。3.2.3閥不平衡力通過觀察介質(zhì)流進(jìn)或流出的方向能夠把調(diào)節(jié)閥歸類流開型和流閉型。調(diào)節(jié)閥會(huì)被介質(zhì)流向影響從而調(diào)節(jié)他的前后壓力、不平衡力的大小和方向的變更。在同一時(shí)間，由于改變了介質(zhì)對(duì)閥瓣的繞流方向從而使流體的阻力產(chǎn)生了一定的變化，在閥瓣上作用的不平衡力隨之也收到了影響REF_Ref14257\r\h[36]。調(diào)節(jié)閥的使用年限和他的穩(wěn)定性受介質(zhì)流向的作用，同樣對(duì)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一定的作用，所以調(diào)節(jié)閥介質(zhì)流向該如何選擇是一個(gè)十分慎重的問題。狀態(tài)為流開時(shí)，介質(zhì)從底部流進(jìn)，從側(cè)部流出，在此條件下流體流向可以打開閉合的閥芯閥，并且這個(gè)狀態(tài)會(huì)讓閥桿收到不平衡的作用力。流體從左側(cè)向右側(cè)流出的同時(shí)，會(huì)在閥芯上產(chǎn)生向上的軸作用力，上下兩個(gè)方向的切向力都在閥桿和閥芯上，在這個(gè)情況下的不平衡力為：（3-26）式中，為閥前壓力，為閥后壓力，為閥芯直徑，為閥桿直徑。流關(guān)狀態(tài)時(shí)，側(cè)進(jìn)底出，該狀態(tài)下流體流向使閥芯關(guān)閉，通過該狀態(tài)使閥桿拉伸得到的不平衡力。當(dāng)流體由右向左流出時(shí)，有向下的拉伸力作用在閥芯，上下方向的切向力作用在閥桿和閥芯上，該狀態(tài)下的不平衡力為：（3-27）在分析閥門定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中，僅需要分析閥芯上的壓差作用力（閥芯上的作用力相互抵消）。流開和流閉時(shí)不平衡力為：（3-28）（3-29）式中，為閥前壓力，是閥芯直徑，為作用在閥芯上的壓力，即縮流處的壓力。3.3本章小結(jié)本章節(jié)著重說明了閥門定位系統(tǒng)的工作原理，閥門定位系統(tǒng)的各個(gè)模塊都有自己的作用和功能，這里主要詳細(xì)分析了其中的兩個(gè)部分，閥門定位器和氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過對(duì)這兩個(gè)部分的工作原理和功能進(jìn)行深入研究，建立了他們各自詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型。第四章模糊PID控制器4.1傳統(tǒng)PID控制PID控制是一種傳統(tǒng)的閉環(huán)控制方式，通過調(diào)整比例(P)、積分(I)、微分(D)3個(gè)參數(shù)使系統(tǒng)誤差不斷減小，這種控制方式在液位、溫度等控制方向中十分常見。誤差和受控制量分別為傳統(tǒng)PID控制算法的輸入和輸出，這種控制算法表達(dá)式如下函數(shù)所示：（4-1）表達(dá)式（4-1）中，、、分別為傳統(tǒng)PID控制器的比例、積分和微分三種增益。目前流行的控制系統(tǒng)基本都是由計(jì)算機(jī)來進(jìn)行控制，但普通的PID控制器只能使用儀表等老舊的儀器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行直接的控制，因此對(duì)普通PID控制進(jìn)行離散處理是必不可少的，使較為落后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢员挥?jì)算機(jī)辨認(rèn)的數(shù)字化信號(hào)。把函數(shù)（4-1）離散化處理后得出以下表達(dá)式：（4-2）表達(dá)式（4-2）中，和分別為系統(tǒng)的第次的誤差和輸出。根據(jù)上式可得出：傳統(tǒng)PID控制器在工作狀態(tài)下會(huì)對(duì)誤差值一次一次的進(jìn)行累加，隨著這個(gè)值愈來愈大，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的性能和儲(chǔ)存被積分環(huán)節(jié)大量使用。為了防止這種情況的發(fā)生，我們可以單獨(dú)取上式的增量，由此計(jì)算出增量表達(dá)式如下：（4-3）通過上式可得：增量算法可以很好的解決上述的問題。對(duì)于大部分使用線性控制方式的系統(tǒng)而言，使用PID來進(jìn)行控制會(huì)十分方便、簡單且高效，即使是用來控制參數(shù)不變的非線性系統(tǒng)，也能夠具有良好的控制效果。但是傳統(tǒng)的PID控制有一個(gè)致命的缺陷，那就是不能自動(dòng)整定控制參數(shù)，若人工調(diào)節(jié)了不合適的參數(shù)將大概率造成系統(tǒng)波動(dòng)。4.2模糊PID控制4.2.1模糊控制理論1965年，美國的LotfiA.Zadeh教授創(chuàng)立了模擬集合論，引領(lǐng)眾多研究人員投入到模糊控制數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的研究，短短7年之后，LotfiA.Zadeh教授在《ARationaleforFuzzyControl》中第一次提出了在自動(dòng)控制中可以使用模糊控制算法這一理論。又過了兩年，歐洲一名科學(xué)家發(fā)表論文REF_Ref11382\r\h[37]提出了一種新的模糊控制器即通過F-THEN模糊條件語句實(shí)現(xiàn)，之后運(yùn)用這個(gè)方式成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐蒸汽機(jī)系統(tǒng)的控制，這次的應(yīng)用成功的意味著模糊控制理論和技術(shù)可以確立以及應(yīng)用。與以往不同的控制系統(tǒng)不同的是，應(yīng)用被控對(duì)象被模糊控制系統(tǒng)操控的時(shí)候，不需要對(duì)他的過程和對(duì)象進(jìn)行建模。因?yàn)槟：到y(tǒng)主要通過對(duì)輸入量的模糊化、按照設(shè)置的條件進(jìn)行模糊推理、對(duì)于結(jié)果進(jìn)行明朗化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。下圖為常見的模糊控制系統(tǒng)的主要組成部分。圖4.1模糊控制系統(tǒng)組成首先需要對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化，把輸入的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)通過計(jì)算得出與之對(duì)應(yīng)的模糊數(shù)據(jù)，就是模糊化的原理，輸入數(shù)據(jù)大部分為外部的參考輸入和系統(tǒng)的輸出反饋。一般來講，模糊化的首要步驟就是得出誤差以及誤差變化率，我們可以用和分別表示系統(tǒng)的輸入和輸出，由此可得：（4-4）（4-5）模糊化完成后，緊接著需要進(jìn)行模糊推理，這是模糊控制系統(tǒng)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，這可以模仿人工理解模糊規(guī)則從而進(jìn)行自動(dòng)推導(dǎo)和判定。最后一個(gè)環(huán)節(jié)是將模糊推理得到的模糊控制量進(jìn)行明朗化，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詰?yīng)用與實(shí)際受控系統(tǒng)的明確控制參數(shù)。4.2.2模糊PID控制器設(shè)計(jì)模糊PID控制屬于復(fù)合控制，是將模糊思想運(yùn)用到PID控制中，融合了兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)REF_Ref12466\r\h[38]，模糊PID控制器的輸入量為閥位誤差E和閥位誤差的變化率EC，經(jīng)模糊化、模糊規(guī)則下推理和解模糊后輸出PID參數(shù)的修正量、、，而后在線修正PID控制器中的PID參數(shù)、、，根據(jù)不同時(shí)刻E、EC對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，這就是模糊自整定PID控制器REF_Ref12499\r\h[39,40]。采用重心法解模糊化，PID參數(shù)、、的計(jì)算公式為：（4-6）、、是模糊PID控制器的最終輸出參數(shù)，、、是模糊PID控制器參數(shù)的初始值，、、是參數(shù)、、的調(diào)整因子，、、是參數(shù)、、的修正量。(1）輸入輸出變量的模糊子集輸入量閥位誤差E及誤差變化率EC的模糊論域?yàn)閇-6，+6]，輸出量、、的模糊論域?yàn)閇-3，3]。把上述輸入變量和輸出變量分為7個(gè)檔次，分別為負(fù)大NB、負(fù)中NM、負(fù)小NS、零Z、正小PS、正中PM、正大PB；控制器的輸入量E、EC和輸出、、的隸屬度函數(shù)如圖4.3、4.4所示，利用Simulink中的Fuzzy工具箱建立的函數(shù)曲線，通過Matlab命令導(dǎo)出到figure圖片上。圖4.2輸入量的隸屬度函數(shù)圖4.3PID修正量的隸屬度函數(shù)(1）模糊控制規(guī)則模糊PID控制器的總體設(shè)計(jì)方式是：首先確定PID部分的初始參數(shù)、和，其次建立模糊部分的誤差E、EC和、、參數(shù)對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系，然后經(jīng)過模糊推理，實(shí)現(xiàn)模糊控制的自動(dòng)在線修正，以滿足被控制系統(tǒng)的性能要求。閥門定位系統(tǒng)選取控制量的基本規(guī)則：誤差大或者較大時(shí)以減小系統(tǒng)誤差為主；誤差小時(shí)以減小超調(diào)、穩(wěn)定系統(tǒng)為主。據(jù)此，參數(shù)、、的整定遵循以下原則：當(dāng)誤差較大時(shí)，為了加強(qiáng)系統(tǒng)的跟蹤性能，可適當(dāng)?shù)倪x取較大的參數(shù)值，同時(shí)為了避免微分過飽和取較小的；為了限制系統(tǒng)有過大超調(diào)，減小積分作用，甚至可以取零。當(dāng)誤差中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)并具有一定的響應(yīng)速度，取較小值；取值要適中，過高過低都會(huì)影響穩(wěn)定性；值應(yīng)適當(dāng)小一些且保持不變，系統(tǒng)對(duì)值變化很敏感。當(dāng)誤差較小時(shí)，將、值調(diào)到較大值，可以增加系統(tǒng)的控制精度并且減小系統(tǒng)靜差；考慮到系統(tǒng)在設(shè)定值附近可能出現(xiàn)的震蕩與其抗干擾能力，應(yīng)適當(dāng)選取K值，可以在誤差變化率較小時(shí)取值大一些，誤差變化率較大時(shí)取值小一些。根據(jù)上述參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，通過模糊控制規(guī)則結(jié)合此閥門定位系統(tǒng)的操作特征，建立、、的模糊規(guī)則表，如表4.1。表4.1模糊控制規(guī)則表EECNBNMNSZOPSPMPBNBPB/NB/PSPB/NB/NSPM/NM/NBPS/NS/NBPS/NS/NBZO/ZO/NMZO/ZO/PSNMPB/