毕业论文--中压气源系统压力模糊控制技术研究.doc

中压气源系统压力模糊控制技术研究 李泊 摘 要：管道压力是影响管道安全运行的关键因素。本课题的目的就是要通过对管道伺服阀的控制来为中压气源系统建立一个安全监测系统。通过实时测，能够得到各子系统中每个管道中气体的压力，从而监视管道压力是否在正常值范围内。 本文提出了一种基于模糊控制理论的气动阀门压力控制方案。首先，设计组建了管道压力控制系统；其次，建立了被控对象的数学模型；然后，根据被控对象的数学模型，采用了一个模糊PID控制器来实现系统的压力控制；最后，利用SIMULINK对整个压力控制系统进行仿真。 关键词：气动阀门；压力控制；数学模型；模糊PID控制；SIMULINK仿真 一、论文选题的背景及安排 1．论文选题的背景 本课题来源于科研项目中压气源的安全监测和计量系统。中压气源系统由中压储气罐组群和中压压缩机组组成，基本结构如图1-所示，在压缩机出口汇流总管处装有流量计。 中压储气罐组群共有35×1503+14×93m3 体积容量1组12×88m3 体积容量组，工作压力为2.5MPa。 中压压缩机组共有流量为260 N3/min，工作压力为2.3MPa 的压缩机2台流量为125 N3/min，工作压力为2.1MPa的压缩机2台。 图11 中压气源系统结构 2．本课题要完成的主要任务如下： （1）学习模糊控制的基础知识。 （2）研究模糊控制在气体管道压力控制系统中的应用，对管道压力控制系统实物设计与组建调节阀、阀门定位器、压力传感器和控制器确立控制系统的硬件部分。气体管道系统数学建模。分别通过对气动调节阀、阀门定位器、管道压力与流量之间关系的分析，对整个管道气体压力控制系统的被控对象进行数学建模，以便于进行控制器的设计和SIMULINK数值仿真。管道压力控制器设计。先进行压力控制系统的整体设计，给出基本的控制方案，然后对模糊PID控制器进行设计。管道压力控制系统仿真分析。在SIMULINK环境下搭建被控对象的数学模型，并通过仿真验证模型的正确性；然后再进行整个控制系统的仿真，得出满足控制要求的控制参数。——输入电流信号； ——力矩的偏差值； ——放大器输出气压信号； ——执行机构的推力； ——阀杆的位移； ——电流力矩转换系数； ——输入电磁力矩； ——反馈力矩； ——位移力矩反馈系数； ——摩擦力、不平衡力和阀座压紧力等； ——控制阀合力转换为行程的放大系数。 其中气动薄膜执行机构膜头部分传递函数为： 通过对图2-2进行仿真，得到下图2-3所示，（a）如果输入电流为4mA，阀门开度为0；（b）如果输入电流为12mA，阀门开度为50%；（c）如果输入电流为20mA，阀门开度为100%。 （a） （b） （c） 图2-3 输入电流对阀门开度的影响 2．阀门阻力特性模型 ——阀门开度； ——阀门阻力系数的倒数。 3．管道压力—流量特性模型[2] 图2-4 气体管道系统示意图 由图2-4可知压力—流量特性的表达式为： ——被控对象的容量系数； ——流量—差压公式中的系数； ——阻力系数； ——阀前压力； ——阀后压力； ——储气罐的压力。 4．被控对象完整数学模型 图2-5 被控对象的仿真框图 （1）气动薄膜调节阀及定位器数学模型 图2-6 气动薄膜调节阀及定位器的仿真框图 （2）阀门阻力特性数学模型 自定义函数Fcn和一个饱和环节Saturation即构成了调节阀的阻力系数模型，其中Fcn是利用以知数据进行曲线拟合而得到的一个函数关系，形成如下： 饱和环节Saturation则为了保证输入到下一个环节的信号不为零，选择下限为0.015815，上限选定为100000000。 （3）管道压力—流量特性数学模型 图2-7 管道压力—流量特性的仿真框图 子系统Subsystem1是管道压力—流量特性的数学模型，具体结构如下图所示： 图2-8 管道压力—流量特性的具体仿真框图 管道设定为： =0.2； =10； ； 。 三、模糊控制器的设计 1．模糊控制的原理 模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理[3]为基础的一种智能控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。 2．模糊控制器的组成 （1）模糊化 对于模糊控制器的多个输入，每个输入量的模糊化过程都是一样的。针