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 Q

p R △= (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: dpc

dm C = （3.2）

式中: m 为气体质量; p C 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:

T mR pV ,= （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

Tdn R Vdp '= （3.4） 则式( 2) 可以表示为 T

R V dpc dm C '== （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

du

dQ K v = （3.6） 式中: u 为控制电压; Q 为介质流量。

动态特性为

1

+=

s T K G V V v （3.7） 综上锅炉传递函数 ()()()()1

12112221++++==S R A T T S T T s Q s P s G ρ△△ 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 0.12-13800kPa 0.075% 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3.15 PID 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D

u(t)

y(t)

被控对象 f(t) + e(t)