Fuzzy-PID在传统空气压缩机改造中的应用

1、第10卷第5期2005年10月#新#余#高#专#学#报J O U R N A L O F X I N Y U C O L L E G E V o l . 10, N O. 5O c t . 2005F u z z I D 在传统空气压缩机改造中的应用y -P冯#硕#胡应占,河南工业职业技术学院电气工程系, 河南南阳473009#($摘#要:传统的空气压缩机多数采用加、卸载供气控制方式, 不仅供气压力不稳定, 而且使空气压缩机的负荷状态频繁地变换, 造成经济损失。以参数模糊自整定P I D 控制器为基础, 以单片机为控制核心构成闭环变频调速系统, 是对传统空气压缩机的改进。关键词:空气压缩机;

2、F u z z -P I D ; P WM 变频调速y$引言空气压缩机是一种把空气压入储气罐中, 使之保持一定压力的机械设备。它作为一种重要的能源产生形式, 为各种气动元件和气动设备提供气源, 广泛应用机械、治金、电子电力、医药、包装、化工、食品、采矿、纺织、交通等众多工业领域。空气压缩机传统的工作方式是进气阀开、关控制方式, 这种频繁地加减负荷过程, 使供气压力波动较大。考虑到压缩机在满负荷下长时间运行的可能性, 通常按最大需求来选择电动机的容量, 而实际中轻载运行的时间一般所占的比例较高, 造成能源浪费。另外, 为保证用户正常工作的压力值, 设置减压阀减压更是人为浪费。为此, 我们在传统空

3、气压缩机改造中利用机电一体化技术, 通过内置变频器, 采用F 将管网压力始终维持在能满u z z -P I D 控制技术, y 足供气压力的工作压力上, 保证了产品质量, 收到较好的经济效益。1空气压缩机智能控制装置的硬件及工作原理空气压缩机智能控制系统原理框图如图1所示, 从结构上主要分为控制部分和执行驱动部分。控制部分主要由单片机、/P WM 波发生器、I P M 逆变器、A D 、D A 转换模块、整流模块、故障检测和报警电路等组成。执行驱动部分主要包括三相交流电动机和空压机。系统的工作原理为:霍尔电流、电压传感器及压力变送器将检测到的逆变模块的三相输出电流、电压及储气罐的压力信号, 经

4、采样保持、/A D 转换后送入单片机。单片机通过8255控制P WM 波发生器, 产生的P WM 波经实T I L 300线性光耦进行电气隔离后作用于逆变模块I P M ,收稿日期2005-04-19作者简介:胡应占(, 男, 河南舞钢人, 讲师, 河南理工大学在职硕士研究生。1972-现电机的变频调速, 实现储气罐的压力控制。逆变模块工作时所需要的直流电压信号由整流电路对380V 电源进行全桥整流得到。控制系统主要功能元件的选型与设计:( 单片机系统1选用A T 通过并行I /89C 52单片机,O 接口芯片8255提供三相P WM 波发生器S A 4828所需要的控制信号, 处理I 处P

5、M 发出的故障信号和报警信号, 理通过模拟输入口接收的压力、电流、电压、温度等检测信号。通过8利用279构成键盘显示电路实现人机对话功能, 压力等设定信号, 利用O 4 4键盘接收系统对转矩、D-电机温度、通讯和参数D M 12864A 可分别对储气罐压力、等信号等进行显示、设置或调试, 显示直观、清晰。时钟电路利用日历时钟芯片D 用来提供采样S 12887, 与控制周期所需要的时间以及日历, 而且其内部的非易失性R 可用来存入需长期保存数据。AM ,为了实现计算机联网和远程控制, 选用MA X 232作为系统的串行通讯接口, 实现单片机与其它微机间的通讯。利用 P 监控集成电路MA X 81

6、3L 实现单片机系统程序运行监视。MA “看门狗(X 813L 具有上电复位、W a t c h - ”定时输出、掉电电压监测复位、手动复位四大功能, 价d o g 格低, 可靠性高。( 储气罐压力检测2采用C Y B 11系列通用型压力变送器, 它由半导体扩散硅压力传感器及专用放大线路组成, 具有体积小、精度高、电路调试方便、可靠性高、抗干扰能力强等特点。( 电压、电流及检测3检测电压、电流主要是为了 计34#新#余#高#专#学#报#(第120050卷图1#空气压缩机智能控制系统框图算电机的力矩, 以及变频器输出回路短路、断相保护和逆变模块故障诊断。由于变频器输出的电流和电压的频率范围为0&

7、5, 采用常规的电流、电压互感器无法满足要求。0H z 为了快速反映出电流的大小, 采用霍尔型电流互感器检测对于I I P M 输出的三相电流, P M 输出电压的检测采用分压电路。如图2所示。( 采样通道4理。( 三相P WM 波发生器5选用S A 4828作为三相P WM 发生器。S A 4828是M i t e l 公司生产的三相P WM 波形产生器, 具有独立的标准微处理器接口, 芯片内部包含了波形、频率、幅值等控制信息, 它可提供高质量、全数字的三相脉宽调制波形, 而且编程简单方便, 修改灵活。( 智能功率模块I 6P M经计算, 选用三菱智能I G B TP M 50R S A 0

8、60可以满足系统要求。且该功率模块集功率开关和驱动电路、制动电路于一体, 并内置过电流、短路、欠电压和过热保护报警输出, 是一种高性能的功率开关器件。2参数模糊自整定P I D 控制器的结构常规的电机调速控制器一般为P I D 控制器。P I D 控制图2#电压检测I P M 输出电流、器具有结构简单、稳定性好、稳定精度高等优点。但常规参数鲁棒性P I D 控制器的设计过分依赖于控制对象模型, 较差, 抗负载扰动能力也不太强, 且不具有在线整定参数K K D 的功能。模糊控制器具有不依赖对象的数学模K P 、I 、型、便于利用人的经验知识以及鲁棒性强等优点, 它能很好克服交流调速系统中模型参数

9、变化及非线性等不确定因素给系统性能带来的不利影响。为了满足在不同偏差. e . 和偏差变化率. 利用模糊控制e c I D 参数自整定的要求, . 对P 规则在线对P 便构成了参数模糊自整定I D 参数进行修改, P I D 控制器。为此我们采用参数模糊自整定P I D 控制策略利用采样保持器L F 398将数据通过12位A /D 转换器A D C 1210转换后进入单片机系统进行处(第10050卷 #2胡应占, 冯硕:F u z z -P I D 在传统空气压缩机改造中的应用y #35实现压缩机电动机的转速调节。参数模糊自整定P I D 控制器的基本结构如图3所示。它由直接控制器和间接控制器

10、组成。直接控制器采用常规的P 间接控制器为模糊推理。在运行过程中, I D 控制器, 通过P I D 控制器不停判断储气罐压力与给定压力差值, , 改变P WM 波发生器的开关速度, P I D 运算输出控制量u 调节电机运行速度, 带动空压机, 使储气罐内压力达到或接近给定值; 模糊推理通过对当前压力与给定压力的偏差. e . 和偏差变化率. 对P e c I D 控制器的性能作出. 的综合判断, 评价, 并根据控制效果在线修改P 使P I D 参数, I D 控制器以满足不同. 从而使e e c . 和. . 时对控制器参数的不同要求, 被控对象有良好的动、静态性能。根据P 模糊控制器各语

11、言变量论域I D 参数整定思想, 确定为:. =e x =0, 1, 2, 3, 4e c 0, 1, 2, 3, 4. . :. :y K K D :Z Z Z 0. 05, 0. 5, 1, 2, 3K P , I , P =I =D =其中, 在输入语言变量E 和E 取语言值为C 的论域中, “零”(, “小”( , “中”(, “大”(四种, 各语言值的定Z S M B 义分别由图4、图5给出的E 和E C 的隶属函数曲线来描述。的控制效果达到最佳。图3#参数模糊自整定P I D 控制器系统原理图P I D 控制器采用增量计算, 位置输出的算法, 其表达式为:%U (k =U(k -U

12、 (k -1 U (k =U(k -1 +%U (k=KP e (k -k (k -1 +T (k +T de (k -2e (k -iT +e (k -2=KP %e (k +KI e (k +KD %e (k -%e (k -1 式中u (k -第k 个采样时刻控制器输出量; e (k -第k 个采样时刻控制器输入量; K P -比例系数; T i -积分时间; T d -微分时间;T-采样周期。首先利用M a t l a b 仿真离线确定K P 、K I 和K D 的初值, 然后通过实验对K P 、K I 和K D 加以调整,并存入单片机系统2P R OM 。实际运行时, 为了减小运算工

13、作量, 提高系统的实时性, 采用查表法实现对K P 、K I 和K D 的修正。方法为:首先将. e . 和. e c . 模糊化, 然后查控制决策表, 得出对应的P 、K I 和K D 值。参数模糊自整定P I D 控制器设计3. 1控制器输入、输出语言变量及其隶属函数的确定P I D 参数自整定思想是首先找出P I D 三个参数与误差e . 和误差变化率. e c . 之间的模糊关系, 在运行中不断检测e . 和. e c . ,再根据模糊控制原理来对P I D 参数在线修改, 同样, 在输出语言变量K P , K I , K D 的论域中取“大”(B , “较大”(P B , “中”(M

14、 , “小”(S , “零”(Z 五种语言值, 隶属函数是单点模糊量形式, 各语言值的隶属函数如图所示。图4#偏差e 隶属函数曲线图5#e c 隶属函数曲线图6#K P 、K I 、K D 隶属函数曲线3. 2P I D 参数K P 、K I 、K D 的调整规则61EK 3. .36#新#余#高#专#学#报#(第120050卷根据P 得到参数K P , I D 参数整定原则以及运行经验, 表2, 表3。K K D 的调整规则见表1, I ,函数的定义, 应用强度转移法推理得P I D 参数控制表见表表5、表6。4、表1比例系数K P 整定规则表. e c . e . Z #S #M #B Z

15、 Z #S #M #B S S #PB #P B #P B M B #B #B #B BP B P B P B P B 表2积分系数K 1整定规则表. e c . e . Z #S #M #B Z M #M #P B #B S M #M #PB #BM S #S #S #S BZ Z Z Z 表3微分系数K D 整定规则表. e c . e . Z #S #M #B Z M #M #S #S S S #P B #P B #P B M S #S #S #S BZ Z Z Z. 3P I D 参数模糊控制表模糊控制算法是否完善、合理将直接影响系统的控制效果。模糊控制算法的建立通常有合成推理的关系矩

16、阵法、合成推理查表法、强度转移法、后件函数法等。强度转移法具有直观、运算简便且便于修改隶属函数及控制规则等特点。为此我们采用强度转移法建立控制规则表。假设控制规则为:I F Aa n dB T H E N C , 强度转移法的方法为:如果存在精确输入a *, b *, 并且对于A 、B 的隶属度分别为: A (a * , B (b * , 则有强度; :; = A (a * 0 B (b *, 并推理结果为:#=; 0 C (C 对于第i 条控制规则:I F A i a n d B iT H E N C i(i =1, 2, ,k则有:k#=Y , 最后, 用重心法(加权i =1; i 0C

17、i(c 平均法 求出精确控制量C *为:C *=#在实际中, 无需对所有的规则求强度, 而只需对a *, b *量化后所得条件有关的语言变量值的规则求强度即可。根据上述规则表及输入和输出语言变量的模糊集隶属表4比例系数控制表K P 0123400. 350. 50. 81110. 80. 80. 80. 80. 822222231111140. 850. 850. 850. 850. 85表5积分系数控制表K I 0123400. 010. 010. 030. 060. 0610. 010. 010. 030. 060. 0620. 0050. 0050. 0050. 0050. 005300

18、0004表6微分系数控制表K D 0123400. 020. 020. 020. 010. 0110. 040. 040. 040. 060. 0620. 0050. 0050. 0050. 0050. 00530. 0020. 0020. 0020. 0020. 00240. 0010. 0010. 0010. 0010. 001改造结果分析与结论我们进行改造的空气压缩机工作压力0&0b a r , 排气量3. 0m 3/m i n 。电机型号为L S 286T S C-4, 功率22k W , 频率50H z , 额定电压380V , 额定电流为42A , 4极, 额定转速1470r /m

19、 i n 。在工作压力范围内设定不同的压力值测试, 系统静态误差小于%,正常工作时调节时间短, 调节精度高。由于利用F u z z y-P I D 控制实现了电机的软起动, 系统压力上升时间稍长, 但减小了电机起动时大电流的冲击。总之, 我们利用F u z z y -P I D 智能控制技术改造的空气压缩机工作性能良好, 通过简单的人机接口就可以获得所需的压力输出, 调试方便, 节能效果好, 经济效益显著。参考文献:1王莉, 王福忠, 等. 机电一体化智能大流量电动执3412(第10050卷 #2胡应占, 冯硕:F u z z -P I D 在传统空气压缩机改造中的应用y #37行机构的研究工

20、业仪表与自动化装置, , J . 2003, 4L iH X , H BG a d a n d C o n v e n t i o n a l f u z z o n t r o l y c ( , 1320-23.张建民, 王涛, 王忠礼编著. 智能控制原理及应用2北京:冶金工业出版社, M . 2003, 32-64. 3C h e nG. C o n v e n t i o n a l a n d f u z z I D C o n t r o l l e r s y PJ . A no v e r v i e w. I n t . J . o fI n t e l l i e n tC

21、 o n t r o l g , ( :S s t e m s 1996, 1235-246. y(责任编校:钱耐香a n d i t se n h a n c e m e n t J . I E E E T r a n s a c t i o n so n , , :S s t e m s M a n n C b e m e t i c s 1996, 26B (5 791-y y 797.陶永华, 尹怡欣, 葛芦生. 新型P 5I D 控制及其应用北京:机械工业出版社, M . 1999, 95-122.A l i c a t i o no f f u z z I Dc o n t r o

22、 l l e r i n t r a n s f o r m a t i o no f t h e t r a d i t i o n a l a i r c o m r e s s o r p p y -P pHU Y i n -z h a n , H o n -S h u o g g(, N H e n a nP o l t e c h n i c I n s t i t u t e a n a n 73009, C h i n a y y g 4:T A b s t r a c t r a d i t i o n a l a i r c o m r e s s o r sm o s t l u l i rb e a n so f l o a d i n n du n l o a d i n . T h i sc o n t r o l p y s p p y a y m g a g m e t h o dn o t o n l a u s e s a t m o s h e r i c p r e s s u r e t ob eu n s t a b l