今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
1 前言
平流泵作為分析儀器的動力源，廣泛應用于石油、石化、制藥、精細化工、農藥、食品、飼料、煤炭、染料等工業領域。目前國內相應的產品由于控制精度低（誤差>±5%），因而也就制約了其推廣應用，而國外的同類產品價格很高。因此，研制開發高精度的平流泵就更加具有現實經濟意義。
筆者采用先進的現代電子技術與計算數字控制技術相結合，開發研制了一種結構簡單，操作維護容易，檢測控制精度高，實用而具有極佳價格性能比的精密平流泵。為突破國內生產的平流泵只能工作在恒流狀態，且誤差精度達10%這一缺陷，筆者所設計的平流泵有兩種工作方式：恒流工作方式和恒壓工作方式。它的研制和開發投入使用，必將具有良好經濟效益、現實意義和廣闊的前景。
2 恒壓控制器的設計
在恒流工作方式下，如果泵頭出口不加壓，則流量只與步進電機的轉速有關；此時系統工作在開環控制狀態下，步進電機的轉速越快，出口壓力越大，通過前饋控制[1]，對壓力參數校正補償，可以實現對出口流量的精確控制，從而使壓力和流量的測控精度滿足設計要求。系統穩定以后，輸出的流量穩定在用戶設定的流量值。
在恒壓控制方式下，系統工作在閉環控制狀態，這時對壓力的偏差進行控制，只要壓力出現偏差，系統就會自動產生糾正偏差的作用[2]。系統穩定后，流體的壓力穩定在設定值，流量也穩定下來。本文將詳細地介紹恒壓控制器的設計，系統閉環控制框圖如圖1所示。
根據系統要求，由實驗員通過友好的操作界面設定壓力值，當實際壓力值偏離控制值時，出口壓力的偏差信號作為
圖1 平流泵壓力閉環控制框圖
3 模糊控制器的設計
為實現模糊控制，語言變量的概念可作為描述手動控制策略的基礎[3]，并在此基礎上設計模糊控制器。在模糊控制中，模糊控制器的作用在于通過單片機，根據由精確量轉化來的模糊輸入信息，按照總結手動控制策略取得的語言控制規則進行模糊推理，給出模糊輸出判決，并再將其轉化為精確量，作為反饋送到被控對象（或過程）的控制作用。
3.1 模糊控制系統的組成
模糊控制系統組成如圖2所示，模糊控制器主要由89C51單片機完成。
圖2 模糊控制系統組成
3.2 系統模型的建立
根據系統控制變量和控制的過程要求，建立系統模型為單輸入單輸出模型，如圖3所示。
圖3 系統模型
(1) 觀測量
用含有模糊性的檔次將柱塞泵出口的壓力偏差的語言值分為七級：
1：正大（PB）；2：正中（PM）；3：正小（PS）；4：零（0）；5：負小（NS）；6：負中（NM）；7：負大（NB）。
壓力偏差的范圍設定在[-64，64]之間連續變化，將壓力偏差量化為七級，量化因子為0.5，即U=（-32，-8，-2，0，2，8，32），其中元素是觀測值的變化等級，則觀測值的語言值的隸屬度可規定如表1所示。
表1 觀測量的語言值的隸屬度
(2) 控制量
系統模型中，頻率信號的偏差量為輸出控制量，用含有模糊性的檔次將頻率信號偏差的語言值分為七級：
1：正大（PB）；2：正中（PM）；3：正小（PS）；4：零（0）；5：負小（NS）； 6：負中（PM）； 7：負大（NB）。
設控制量在[-8，8]范圍內連續變化，將控制量量化為七級，量化因子為0.5，即控制量的論域V=（-4，-2，-1，0，1，2，4），其中元素是控制值的變化等級，則根據實際應用情況控制值的隸屬度可規定如表2所示。
表2 控制量的語言值的隸屬度
3.3 控制規則和模糊控制器的建立
(1) 模糊控制器的建立
圖4 模糊控制器的結構
按一定規則建立模糊控制器，要完成一次控制動作，首先應將觀測值輸入模糊控制器。觀測值在控制器內經過模糊化，進入變換器得到模糊響應，在經過模糊判決后，輸出確切響應，然后作用到被控對象上。
(2) 語言控制規則的建立
按照經驗，給出如下規則：
若e為負大，則v為正大；
若e為負中，則v為正中；
若e為負小，則v為正小；
若e為零，則v為正零；
若e為正小，則v為負小；
若e為正中，則v為負中；
若e為正大，則v為負大；
控制規則如表3所示。
表3 控制規則
上述控制規則是一個多級條件語句，它可以表示為從U到V的模糊關系：
3.4 模糊判決方法
由模糊推理規則，得出輸出的模糊響應
即為模糊變換器，有了，對任一觀測結果e £（U）可得模糊響應：
v=e
按最大隸屬原則判別法，將輸出的模糊響應轉換成確切響應。
其實，七個級別的非模糊觀測值，引起的模糊響應正是由于的各行。按最大隸屬度判決法只須在各行中分別尋找峰域的中心值，就是確切觀測值引起的確切響應。
實際控制時，控制量的模糊量轉換為精確量，去控制步進電機轉速的PWM信號的頻率的精確值根據事先確定的范圍可以很容易計算出來，通過這個精確量去控制步進電機的轉速，使得柱塞泵出口的壓力朝著減小誤差的方向變化。
在MATLAB環境下鍵入FUZZY命令進入模糊邏輯工具箱[4]。
模糊控制器采用Mamdani型，輸入為誤差E，輸出控制量為U，通過交互式圖形界面的模糊推理系統編輯器（如圖5所示）和隸屬函數編輯器（如圖6所示）設計輸入、輸出變量的論域范圍，各個語言變量的隸屬函數形狀等參數。
圖5 模糊推理系統編輯器
圖6 觀測量隸屬函數
圖7 控制量隸屬函數
本系統中的兩個變量的隸屬函數如圖6和圖7所示，由圖可以看出通過該模糊集合編輯器可以直觀方便地進行各項參數的設計和修改。
通過模糊規則庫編輯器確定“IF………THEN”形式的模糊控制規則。本系統有7條控制規則，每條規則的加權值都缺省為1，如圖8所示。
圖8 模糊規則編輯器
利用規則查看器和表面查看器顯示所設計模糊控制器的輸入、輸出量對應關系，由此進行修改和優化。最后將設計好的模糊控制器保存在一個后綴名為.fis的數據文件中，以便仿真運行時調用。
3.5 系統仿真
在SIMULINK環境下，結合系統提供的其他功能模塊設計完成模糊控制系統（如圖9所示）。進行仿真前用readfis命令將myexample.fis文件加載到模糊控制模塊中[5]，設定好仿真時間、步長等各項參數，即可開始仿真。
圖9 SIMULINK環境下的模糊控制系統結構圖
用平流泵去驅替巖芯，當巖芯滲透率較大時，T較小，系統容易穩定，當巖芯滲透率較小時，泵頭出口相當于一個積分環節，T較大，系統經過較長時間達到穩定。仿真結果如圖10所示。
T=3s 比例系數P=1/2
T=8s 比例系數P=1/4
圖10 仿真結果
4 結語
通過在油田兩年多的使用證明該系統安全、方便、可靠，壓力控制精度為±2%，其良好的性能深受廠家的信賴和歡迎，同時也為人們在其他控制系統的設計中提供了寶貴的經驗。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號