压力控制系统

压力控制系统摘要所谓压力控制系统就是利用管道或容器中的介质压力作为被控制量，从而保证输出一个恒定的气压的反馈控制系统。目前生产中应用的压力控制系统，主要以传统的PID控制算法为主。但对于复杂的大型系统，其数学模型往往难以获得，传统的PID控制方式显得无能为力。为适应复杂控制系统的控制要求，人们研究了很多智能控制方法，模糊PID控制便是其中之一。本文主要研究了模糊PID控制及其改进方法在压力系统中的应用。通过使用PID控制技术与模糊控制理论控制该压力系统，并利用MATLAB仿真软件对系统进行了仿真研究。仿真研究的结果表明，参数自整定模糊PID控制可以在线调整PID参数，使控制系统的响应速度快，超调量减少，过渡过程时间大大缩短，振荡次数减少，具有较强的鲁棒性和良好的稳定性。一．课题背景随着过程控制的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。而气压控制作为过程控制的重要一类，现今也是快速成为越来越重要的一种控制媒介，其理由为在气压缸之程序控制，气压控制提供了最逻辑的控制手段，应用在现今自动化的生产机器。气压是一个日常生活中常常接触到的物理量，初中时我们就接触了大气压的应用。在日常生活中，我们接触到的有气压计、抽水机、抽气机、打气筒、高压锅等等，在医学领域，最常见的有气压止血带、高气压消毒、血压计等等。在工业上，如气体压缩机、离心压缩机、富气压缩机等等，而这些在石油化工行业中起到了举足轻重的作用。1.2压力控制系统的发展状况随着自动控制技术的发展，精密气压产生与控制技术的应用越来越广泛。而传统的阀门控制器控制精度不够，运行速度缓慢，且价格昂贵，已不能满足这方面的要求。出现了多变量PID神经元网络控制系统，电气比例阀气压控制系统，基于硅微控阀门的气压控制系统，模糊PID控制压力控制系统等一系列高科技的压力控制系统。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。二．建立数学模型2.1.1数学模型的定义在各式各样的被控过程中，有的被控过程容易控制，而有些则很难控制，有些进行的慢，有些进行的快，要精确地描述被控过程的动态特性，离不开数学模型。所谓数学模型就是描述被控过程在输入（控制输入与扰动输入）作用下，其状态和输出（被控参数）变化的数学表达式。2.1.2数学模型分类（1）机理法机理法建模是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出相关的平衡方程。（2）测试法测试法建模通过对被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后求得其数学模型。3.1.3数学模型的建立及传递函数的确定(1)电阻气阻与电子线路中的电阻相似,它具有电阻的串连特性,它可以改变气体的流量,而在它的两端产生压力降。在流体成层流状态时,气阻的大小与两端的压降成正比流过的流量成反比,可表为QpR△(3.1)式中:R为气阻;�p为气阻两端的压降;Q为气体质量流量。在这里,电磁阀和针孔阀的特性均表现为气阻,通常电磁阀、针孔阀均只有两个状态,即开状态和关状态,开状态下气阻大小由式(1)决定,当关闭时气阻为无穷大。（2）电容在电子线路中,电容的大小由使用它两端升高单位电压所需要增加的电量来表示。气容在气路中的作用与电容在电路中的作用相似,其值由升高单位气压所需增加的气体量表示,即:dpcdmC（3.2）式中:m为气体质量;pC为气室中的压力;C为气容量。对容积不变的固定气缸的气容,在常温常压下,把所研究的工作介质看成理想气体,根据气体状态方程式:TmRpV,（3.3）式中:p为气室中的绝对压力;V为气体体积;m为气体质量;R为气体常数;若将气容的充气放气过程视为等温过程,则得到TdnRVdp（3.4）则式(2)可以表示为TRVdpcdmC（3.5）由上式可见,当温度T不变时,气容量C与气室的容积V成正比,由于固定气室的容积恒定,因此固定气室的气容量为一恒值。（3）流量控制阀流量控制阀为一种执行机构,它接受控制信号,并将其转换为相应的推杆直线位移,以推动调节机构动作。静态特性为dudQKv（3.6）式中:u为控制电压;Q为介质流量。动态特性为1sTKGVVv（3.7）综上锅炉传递函数112112221SRATTSTTsQsPsG△△A代表气缸横切面积三．传感器、变送器的选择3051C型差压变送器051C型差压变送器是罗斯蒙特公司生产的，主要由测压元件传感器、测量电路和过程连接件等组成。它能将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流电压信号(4~20mADC)，以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。该产品具有无可比拟的操作性能、灵活的CoPlanarTM平台，而且可以升级，为压力测量技术创建了一个新的标准，其性能指标保证了在不同工况下的精度和稳定性。产品规格3051CD差压变送器0.12-13800kPa0.075%电容式输出：标准4-20mA、HART协议数字信号或FF协议数字信号四．执行器的选择产品名称：针形调节阀产品型号：T42H产品口径：DN20-100产品压力：0.6~10.0Mpa产品材质：铸钢、不锈钢、合金钢等产品简介：制造标准：中国GB、机械部JB、化工标准HG、美标API、ANSI、德标DIN、日本JIS、JPI、英标BS生产。阀体材质：铜、铸铁、铸钢、碳钢、WCB、WC6、WC9、20#、25#、锻钢、A105、F11、F22、不锈钢、304、304L、316、316L、铬钼钢、低温钢、钛合金钢等。工作压力1.0Mpa-50.0Mpa。工作温度：-196℃-650℃。连接方式：内螺纹、外螺纹、法兰、焊接、对焊、承插焊、卡套、卡箍。驱动方式：手动、气动、液动、电动。上海好施阀门有限公司拥有全球最顶尖的生产设备和技术工程师，有能力按照各国标准以及各种行业标准生产制造优质阀门。五．控制器选择比例积分微分(PID)调节由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。PID控制器是一种线性控制器。它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。其为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数PID调节中，有三个调节参数，就是比例度P、积分时间、微分时间。适当选取这三个参数值，就可以获得良好的调节质量图3.15PID控制系统原理图由分析可知，PID三作用调节质量最好，PI调节第二，PD调节有余差。纯比例调节虽然动偏差比PI调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般不单独使用。比例P比例I比例Du(t)y(t)被控对象f(t)+e(t)