基于模糊PID的風閥控制器的研究與仿真
目前許多領域中，電動風閥具有重要的應用場合，在工程中得到了廣泛的關注。為了檢測調節閥在不同工作環境下的機械及電氣特性等性能，需要有一套完整的閥門測試與控制系統。為達到系統性能指標要求，需進行諸如振動、沖擊、熱平衡等試驗。通過檢測閥門位置及管道中的介質流速，利用步進電機驅動閥門碟片轉動進行位置控制。由于步進電機轉動角度和碟片的轉動角度之間不成比例，電機轉動輸入與閥門對應角度輸出呈非線性關系，采用常規的控制方法難以獲得令人滿意的控制效果。
模糊邏輯控制器(fuzzylogiccontroller，FLC)是從Zedeh提出的模糊集概念發展起來的，適用于無法得到準確數學模型、多輸入、具有不確定因素、非線性系統的控制。因此，把模糊控制和常規PID控制有機地結合在一起，通過在步進電機轉軸上安裝位置傳感器，采用模糊PID控制方案對步進電機進行雙閉環控制，以精確地控制閥門的開度。針對這種情況，本文論述了一種由PID參數設計推導得到Fuzzy-PID參數的方法，結合電動風閥的綜合控制要求，進行了系統設計和仿真研究，取得了較好的效果。
1、風閥控制
1.1、控制目的
雙閉環控制系統由位置控制器、速度控制器、步進電動機、減速機、位置傳感器、閥門和碟片組成。步進電動機為四相混合式步進電動機，控制器根據位置傳感器反饋回來的位置信號進行脈沖控制，保證步進電動機帶動碟片按照給定的速度和位置準確無誤的轉動到位。因此，步進電機的控制至關重要。
1.2、控制原理
風閥控制系統中，步進電機整步步距角為1.8度機械角度，每轉200步。一個控制脈沖對應于步進電動機旋轉一步。減速機減速比為73：1，即步進電動機轉動73步，經過減速機作用后閥門碟片轉動1步。轉動的速度取決于脈沖頻率。利用模糊控制理論，設計有速度控制器和位置控制器的雙閉環控制方式。電動風閥控制系統如圖2所示。
圖1 電動風閥控制系統框圖
2、控制策略
2.1、模糊PID控制原理
模糊PID控制器是一種在通過演變常規PID調節器的基礎上，以偏差E和偏差變化率DE作為其輸入，U作為其輸出。根據模糊PID控制器專家控制規則，P，I，D加以輔助微調，來滿足不同E和DE，使被控對象有良好的動、靜態性能。
2.2、模糊控制規則
模糊控制器為二維模糊控制器，輸入為位置誤差E及位置誤差變化率DE，輸出為KP、KI、KD的變化量△KP、△KI、△KD。閥門碟片的位置為0度至62度，所以位置誤差E的基本論域選擇為[-60，60]，位置誤差變化率DE的基本論域為[-120，120]。E、DE采用相同的語言值劃分{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，量化論域為[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，量化因子
3、控制系統的仿真分析
3.1、系統的模型建立
由于步進電動機作控制電機，電動機將按控制指令運動到定位位置θ0，而步進電動機實際位置θ1由于多種原因，與定位位置θ0有微小差距，如果用拉氏變換來表示目標值θ0(s)和控制量θ1(s)，則傳遞函數為：
上式中J為電動機轉子轉動慣量，L1為自感，Zr為轉子齒數，iα為A相電流，D為粘滯摩擦系數。為進一步驗證本系統的有效性，采用的步進電動機各項參數如表1所示。
表1 步進電動機參數表
把上表數據代入式(1)，取iα=1.1A，得到傳遞函數為(2)式：
3.2、MATLAB的系統仿真
分別進入輸入、輸出變量的隸屬函數編輯器。確定語言變量論域，選擇七個語言變量值，給每個語言變量值選擇合適的隸屬函數。圖2為頻率為500Hz，位置為90度時，仿真得到的位置曲線。
圖2 位置仿真曲線
4、模糊PID控制軟件
速度模糊PID控制的軟件設計，由位置編碼器反饋計算得到速度值，與給定速度比較，計算得到速度誤差值E和速度誤差變化率DE，然后對E和DE進行模糊化處理，當DE的絕對值小于2時采用PI控制脈沖延時間隔，當DE的絕對值大于等于2時，由模糊控制表得到脈沖時長的增量，計算出所需定時時長，啟動發出下一個脈沖的延時等待程序。位置反饋值由位置傳感器在中斷程序中得到，捕獲到位置反饋值后計算位置誤差和位置誤差變化率并進行模糊化，查表求得PID控制參數KP、KI、KD的增量△KP、△KI、△KD，并計算出KP、KI、KD，完成PID參數的在線校正，進行PID控制，控制器的輸出為速度給定。位置控制器計算完畢后立即啟動速度控制器。
5、結語
從仿真結果可以看出，采用模糊PID控制方式，風閥控制器的設計達到了系統要求，能夠盡快加速到給定速度，超調小。利用該方法進行系統試驗，當將要達到給定位置時，速度能很快減速到零，且閥門碟片定位準確。目前該系統已成功應用于遠程測控，效果良好。
