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(diào)節(jié)閥在不同工作環(huán)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(tǒng)。為達到系統(tǒng)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(zhì)流速，利用步進電機驅(qū)動閥門碟片轉(zhuǎn)動進行位置控制。由于步進電機轉(zhuǎn)動角度和碟片的轉(zhuǎn)動角度之間不成比例，電機轉(zhuǎn)動輸入與閥門對應角度輸出呈非線性關系，采用常規(guī)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，F(xiàn)LC)是從Zedeh提出的模糊集概念發(fā)展起來的，適用于無法得到準確數(shù)學模型、多輸入、具有不確定因素、非線性系統(tǒng)的控制。因此，把模糊控制和常規(guī)PID控制有機地結(jié)合在一起，通過在步進電機轉(zhuǎn)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(huán)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(shù)設計推導得到Fuzzy-PID參數(shù)的方法，結(jié)合電動風閥的綜合控制要求，進行了系統(tǒng)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(huán)控制系統(tǒng)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(jù)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(zhuǎn)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(tǒng)中，步進電機整步步距角為1.8度機械角度，每轉(zhuǎn)200步。一個控制脈沖對應于步進電動機旋轉(zhuǎn)一步。減速機減速比為73：1，即步進電動機轉(zhuǎn)動73步，經(jīng)過減速機作用后閥門碟片轉(zhuǎn)動1步。轉(zhuǎn)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(huán)控制方式。電動風閥控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 電動風閥控制系統(tǒng)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(guī)PID調(diào)節(jié)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(jù)模糊PID控制器專家控制規(guī)則，P，I，D加以輔助微調(diào)，來滿足不同E和DE，使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。

2.2、模糊控制規(guī)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 輸入位置誤差E和位置誤差變化率DE的隸屬函數(shù)選擇梯形和三角形函數(shù)。模糊自整定中，應找出PID三個參數(shù)與誤差及誤差變化率之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測誤差及誤差變化率，對三個參數(shù)進行在線修正，以滿足不同誤差及誤差變化率時對控制器參數(shù)的不同要求。根據(jù)實際情況，當采用PID控制時，參數(shù)KP、KI、KD的初始值均為0，據(jù)此規(guī)定輸出量△KP、△KI、△KD的量化論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝，語言值劃分為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，輸出變量△KP、△KI、△KD的隸屬函數(shù)選擇三角形函數(shù)，模糊條件語句格式為ifE=A&DE=B，thenΔKP=X&ΔKI=Y&ΔKD=Z。根據(jù)參數(shù)自整定規(guī)律，可建立模糊控制規(guī)則。

3、控制系統(tǒng)的仿真分析

3.1、系統(tǒng)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(shù)為：

了 (1) 其中

　　上式中J為電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，L1為自感，Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，iα為A相電流，D為粘滯摩擦系數(shù)。為進一步驗證本系統(tǒng)的有效性，采用的步進電動機各項參數(shù)如表1所示。

　　表1 步進電動機參數(shù)表

　　把上表數(shù)據(jù)代入式(1)，取iα=1.1A，得到傳遞函數(shù)為(2)式：

3.2、MATLAB的系統(tǒng)仿真

　　分別進入輸入、輸出變量的隸屬函數(shù)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(shù)。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(fā)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(shù)KP、KI、KD的增量△KP、△KI、△KD，并計算出KP、KI、KD，完成PID參數(shù)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(jié)語

　　從仿真結(jié)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(tǒng)要求，能夠盡快加速到給定速度，超調(diào)小。利用該方法進行系統(tǒng)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(tǒng)已成功應用于遠程測控，效果良好。