（机械电子工程专业论文）雾化喷嘴工作参数的模糊控制研究.pdf

浙江理工大学顼上学位论文 摘要 对雾化喷嘴雾化质量( 包括雾化粒径的大小及分布情况) 产生显著影响的有两方面 因素，一方面是雾化喷嘴的结构参数，另一方面是雾化喷嘴的工作参数，这里工作参数 指的是进入喷嘴的空气压力( 进气压力) 和送胶的空气压力( 进胶压力) 。本课题中我们 在雾化喷嘴结构参数不变的情况下，研究工作参数与雾化性能的关系并对工作参数进行 控制。 雾化喷嘴进胶压力系统难以用精确的数学模型来表示，并且具有一定的非线性和时 变性的特点，运用常规p i d 控制或者模糊控制方法难以对其进行有效的控制。因此，为 了提高控制系统的动态性能和稳态性能，结合常规p i d 控制与模糊控制的特点，本课题 中采用了模糊p i d 复合控制方法，在偏离工作点较远的区域以模糊控制为主，工作点附 近主要运用p i d 控制，对雾化喷嘴压力系统进行控制。本文主要完成了以下的工作： 1 对雾化喷嘴气动系统进行了设计与安装，使其能够为雾化喷嘴雾化作用、m a l v e m 激光粒度仪镜片的清洗以及雾化喷嘴工作后的喷嘴清洗提供动力。 2 通过对进胶压力系统输入阶跃信号，根据测得的响应以及一般工业上所用的一阶 单位延时传递函数模型，建立进胶压力系统的数学模型； 3 首先，对几种经典的p i d 控制器参数整定方法与s m i t h 预估器方法进行了仿真比 较，认为在经典的p i d 控铋器参数整定方法理论基础上，再根据实际情况确定p i d 控制 器参数是比较合理的，并且可以比s m i t h 预估器取得更好的效果。然后设计了基于 m a m d a n i 型模糊推理系统和基于t a k a g i s u g e n o 型模糊推理系统的两类模糊控制器。最 后，在p i d 控制器设计和模糊控制器设计的基础上，设计了两类模糊p i d 复合控制器， 使得当误差在比较小的范围内采用常规p i d 控制，在比较大的范围内采用模糊控制； 4 选用单片机a t 8 9 s 5 2 为控制芯片，模糊控制和p i d 控制相互切换为主要控制思 想，进行控制系统的实现。根据采集到的压力值与设定值误差的大小来确定控制算法， 输出控制电压来调整压力大小，使其满足快速达到并且稳定在设定值的控制要求。 关键词：雾化喷嘴进胶系统；数学模型；模糊控制；p i d 控制；电气比例阎；弟片机 浙江理工大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r et w of a c t o r st h a ti n f l u e n c et h eq u a l i t yo fa t o m i z a t i o no fe f f e r v e s c e n ta t o m i z e r ( i n c l u d et h ed i a m e t e ra n dd i s t r i b u t i o no fe f f e r v e s c e n tp a r t i c l e s ) ，o n ei st h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r o fe f f e r v e s c e n ta t o m i z e r , t h eo t h e ri sw o r k i n gp a r a m e t e ro fe f f e r v e s c e n ta t o m i z e r h e r e w o r k i n gp a r a m e t e ri n c l u d ea i rp r e s s u r ee n t e r i n ge f f v e r s c e n ta t o m i z e r ( s e n d i n ga i rp r e s s u r e ) a n da i rp r e s s u r es e n d i n gg l u e ( s e n d i n gg l u ea i rp r e s s u r e ) 。i nt h i st a s k ，w es t u d yt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nw o r k i n gp a r a m e t e ra n dt h eq u a l i t yo fa t o m i z a t i o nw h e nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e ro f e f f e r v e s c e n ta t o m i z e ri sn o tc h a n g e d n ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es e n d i n gg l u ea i rp r e s s u r es y s t e mo f e f f e r v e s c e n ta t o m i z e ri sd i f f i c u l tt ob ed e s c r i b e d ，a n dt h es y s t e mh a st h ep r o p e r t yo fn o n l i n e a r a n dt i m e - v a r y i n g , i sd i f f i c u l tt ob ec o n t r o l l e db yu s i n gc o n v e n t i o n a lp i do rf u z z yc o n t r 0 1 i n t h i sp a p e r , a l la p p r o a c ho ff u z z y - p i dh y b r i dc o n t r o li sp r e s e n t e db yu t i l i z i n gt h ea d v a n t a g e so f b o t hc o n v e n t i o n a lf u z z ya n dp i dc o n t r o l l e ri no r d e rt oi m p r o v et h ed y n a m i ca n ds t e a d ys t a t e p e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e m i nt h i sp a p e r , s o m ew o r kh a v e b e e nc o m p l e t e d 1 w ed e s i g n e da n di n s t a l l e dt h ea i rp r e s s u r es y s t e mo fe f f e r v e s c e n ta t o m i z e ri no r d e rt o s u p p l ya i rp r e s s u r ef o rt h ea t o m i z a t i o no f e f f e r v e s c e n ta t o m i z e r , t h ew a s h i n go fm a l v e r nl a s e r p a r t i c l em a c h i n e sm i n o ra n dt h ee f f e r v e s c e n ta t o m i z e r sw a s h i n g 2 w eb u i i d e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es e n d i n g 酉u ea i rp r e s s u r es y s t e mb a s e do n t h et e s t e dr e s p o n s ew h i c hw a st h er e s u l to fs t e p f u n c t i o ns i g n a lt h a tw a si n p u ti n t ot h es e n d i n g 舀u ea i rp r e s s u r es y s t e m 3 f i r s t l y s e v e r a lc l a s s i cs e t t i n gm e t h o do fp i dc o n t r o l l e r sp a r a m e t e rc o m p a r i n gw i t h s m i t hc o n t r o l l e r , w er e c o g n i z e dt h a ti ti sr e a s o n a b l et od e c i d ep i dc o n t r o l l e r sp a r a m e t e ri n p r a c t i c a ls i t u a t i o na f t e rd e c i d i n gp i dc o n t r o l l e r sp a r a m e t e rb yc l a s s i cs e t t i n gt h e o r y , a n di t s r e s u l tw i l lb eb e t t e rt h a ns m i t hc o n t r o l l e r s e c o n d l y , w ed e s i g n e dt w ok i n d so ff u z z yc o n t r o l l e r r e s p e c t i v e l yb a s e do nm a m d a n if u z z yi n f e r e n c es y s t e ma n dt a k a g i s u g e n of u z z yi n f e r e n c e s y s t e m f i n a l l y ，w ed e s i g n e dt w ok i n d so ff u z z y p i dh y b r i dc o n t r o l l e r s w h e nt h es a m p l i n g v a l u ed e v i a t e sl a r g e l yf r o mt h es e tp o i n t ，w eu s ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r 0 1 w h e nt h es a m p l i n g v a l u ed e v i a t e sl e s sf r o mt h es e tp o i n t ，w eu s ef u z z yc o n t r 0 1 4 s e l e c t i n gm i c r o c o n t r o l l e rp 汀8 9 s 5 2a st h ec o n t r o lc h i p u s i n gf u z z yc o n t r o la n dp i d c o n t r o la st h em a i nc o n t r o li d e a ，t h a tr e a l i z et h ec o n t r o ls y s t e m ，u s i n gt h ee r r o rb e t w e e n n 浙江理工大学硕士学位论文 s a m p l i n gv a l u ea n ds e tp o i n td e c i d e st h ec o n t r o la l g o r i t h m ，u s i n gc o n r o lv o l t a g er e g u l a t e st h e p r e s s u r ei no r d e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m e n tt h a tt h ea i rp r e s s u r er e a c hq u i c k l ya n ds t e a d l ys t a y a tt h es e tp o i n t k e y w o r d s ：t h es e n d i n gg l u ea i rp r e s s u r es y s t e mo fe f f e r v e s c e n ta t o m i z e r ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ； f u z z yc o n t r o l ；f i dc o n t r o l ；e l e c t r o p n e u m a t i c a ip r o p o r t i o n a lv a l v e ；m i c r o - c o n t r o l l e ra t 8 9 s 5 2 h 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明；我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下。独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：卯年_ 7 月 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向旨家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口 。 学位论文作者签名：形歹礁 日期：沙7 年) 月诊日 年解密后使用本版权书。 驻厄圳。 指剥币繇勿钆 日期：硼年弓月彳日 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 纺织工业历来是我国国民经济的传统支柱产业和主要出e l g l j 汇行业，仅出口额一项， 对每年g d p 增长的贡献就在10 9 6 以上。即使在2 0 0 3 年国际形式复杂，非典、原材料价格 上涨的不利形式下，纺织品出e l 依然达到了8 0 4 8 4 亿美元，同比增长2 7 7 ，占全国出 口总额的1 8 3 6 。浙江省作为一个经济大省，纺织品工业的出口在经济发展中起了巨大 的作用。但是存在着技术创新为主要特征的核心竞争力不足，产品科技含量低，功能与 性能不高，品质差，在出口额不断增长的同时，纺织品出1 3 单价却不断的下降，即出1 3 额的增长是是依靠价格下降幅度更大的商品换取的，经济增长的质量不高，为此必须提高 纺织品的科技含量，提高现代纺织品的技术研究和应用 1 0 4 。 复贴技术是采用在不同布料上复贴高功能、高性能p t f e ( 聚四氟乙烯) 微孔薄膜开发新 型功能化纺织品的制造技术，具有产品功能好、无污染，重复使用率高，产品开发周期短， 利于实现快捷化生产等优点，所以是未来开发功能化纺织品、纺织复合材料最为盛行的工 艺技术，采用该工艺生产的纺织品广泛应用于航天航空、医疗器械、化工、建筑、海洋、农 业等领域，具有广阔的前景。与之相配套的复贴机也就成为现代纺织装备的一个重要组成 部分。 目前国际上的复贴机有两种，一是刮涂式复贴机，二是喷涂式复贴机，生产企业主要 是瑞士s a n t e x 公司和荷兰m a c h t e x 公司，国内还没有生产类似设备的企业。比较而言，刮 涂式复贴机的生产效率高，但产品质量和性能不如喷涂式复贴机。但即使就喷涂式复贴机 来说，与复贴工艺的要求还有一端的距离，不能充分发挥其工艺优势。其不足之处在于涂 胶的均匀性不够，雾化粒径大小不能满足实际的要求，从而导致粘贴力不均，不同位置的 织物剥离强度差异较大，织物经、纬向的物理性能指标控制不易。产生上述问题的原因在 于胶水雾化不均匀。因此，有必要对高粘度液体的喷嘴雾化特性和控制进行深入的研究， 为提高喷涂式复贴机的产品性能提供理论的指导，对其他类似的产品生产提供有力的技术 支持，生产具有高性能控制的多功能复贴机，增强纺织品工业在国际市场中的竞争力 5 1 。 1 2 本课题研究的可行性 1 2 1 雾化喷嘴工作参数的研究 由于喷涂式复贴机是纺织机械中的新成员，国外对其关键技术研究的深燮和广度远不 浙江理工大学硕士学位论文 如其他纺织机械，对基于喷嘴雾化技术的喷射涂胶系统的设计理论研究的报道和对雾化粒 径大小的有效控制研究难得一见。技术领先的荷兰m a c h t e x 公司对其大型喷涂式多功能复 贴机的核心技术一喷射涂胶控制技术严格保密。德国b a r t h 等人于2 0 0 3 年在欧洲登记一项 喷射装置专利，该装置能在织物表面按条状进行喷涂液体。瑞士f l e i s s n e rg 也于同年申请 同一类型专利，该装置的详细结构和工作原理无法查得。国内虽有南方机械发展有限公司 仿造荷兰m a c h t e x 公司，但对其核心技术喷射涂胶机理和控制没有进行自主研发。虽然对 喷嘴雾化技术的喷射涂胶系统的设计理论研究的报道还很少，但其他应用领域对有关雾化 喷嘴的理论研究已有不少的报道。曾卓雄、姜培正等人在喷嘴雾化粒径的实验研究中 利用p d p a 对3 种新型的喷嘴进行了测试，并根据结果分析了喷头、混合管的影响及这三 种喷嘴的性能。刘联胜、傅茂林等人在气泡雾化喷嘴喷雾平均直径在下游场中的分布 一文中利用激光衍射粒度仪对气泡雾化喷嘴下游流场进行了实验研究，主要分析了雾化颗 粒直径随径向和轴向距离变化的趋势，得出了喷嘴出口处气液两相流型和颗粒自身重量的 影响，液雾颗粒沿径向呈现非轴对称分布；而液雾颗粒直径随着轴向距离的增加呈先减少、 后增大的趋势。在气泡雾化喷嘴雾化特性实验一文中，利用m a l v e m2 6 0 0 3 6 0 0 型激光 散射粒度仪对三种不同结构的气泡雾化喷嘴的雾化特性进行了实验研究，并进行了理论分 析，得到：影响雾化喷嘴雾化特性的主要因素有空气注入压力、空气注入截面积、气液质 量流量比、出口截面积和流体流量。提高空气注入压力和气液质量流量比，增大空气注入 截面积可以改善雾化效果，出1 3 截面积和液体流量的增大则降低雾化质量。在气泡雾化 喷嘴颗粒平均直径经验公式的拟合一文中，对有关气泡雾化喷嘴实验数据的系统归纳， 分析了影响气泡雾化喷嘴雾化特性的主要因素，对颗粒平均直径经验公式进行了拟合。梁 晓燕、卢平等人在气泡雾化喷嘴及其喷嘴特性一文中介绍了国内外对气泡雾化喷嘴的 理论研究以及实验研究。胡春波、黄艇等人在喷嘴雾化特性模糊评判模型一文中利用 模糊综合评判法构造喷嘴雾化模糊关系矩阵，建立了描述喷嘴雾化特性的模糊数学模型。 魏琪、岑旗刚等人在喷嘴雾化特性的p d p a 实验研究进展一文中介绍了p d p a 基本原 理和研究状况，综述了应用p d p a 测量喷嘴雾化特性的实验研究进展。岳连捷、俞刚等人 在气泡雾化喷嘴液雾特性文中，研究了静止空气中气泡雾化喷嘴的液雾特性，并对 其做了分析。陈斌在喷嘴雾化的特性实验研究一文中以空气和水为工作介质，对单相 和两相雾化喷嘴的雾化特性进行了比较实验，得出了两相流量和压力之间的变化规律；刘 联性、吴皆湘等人在气泡雾化i 喷嘴在不同液体物性下的喷物特性研究中利用p s l j 激 光j 射粒度仪溯毓分析，气泡雾化喷嘴在不同动力黏度、不同表i j i i 张力的液体时的特性， ， 浙江理工大学硕士学位论文 发现液体的粘性对于气泡雾化喷嘴的雾化效果影响程度不大，随着动力粘度的增加，平均 直径稍有增大，当动力粘度很高时由于泡状流更容易形成，所以平均直径有所减少，而液 体表面的变化对雾化质量有显著的影响。上述所介绍的虽然有些对雾化喷涂机理做了一定 的研究，但很少运用到生产中去1 6 - 2 1 1 。 1 2 2 模糊控制的发展与应用 1 2 2 1 现代控制理论的发展与出现的问题 自从1 9 3 2 年h n y q u i s t 发表了有关反馈放大器的稳定性理论以来，控制理论学科的发 展已走过了7 0 多年的历程，其中前3 0 年是经典控制理论的成熟和发展阶段，后4 0 年是 现代控制理论的形成和发展阶段。经典控制理论主要以传递函数来描述系统的数学模型， 以根轨迹法和频率法分析和设计系统。经典控制理论的主要贡献在于p i d 控制器广泛应用 于常系数单输入一单输出线性控制系统中。由于计算机技术的发展，以及面对日益复杂的多 输入多输出系统，促使控制理论由经典控制理论向现代控制理论发展。现代控制理论以 p o n t r y a g i n 的极大值原理、b e l m a n 的动态规划、k a l m a n 的线性滤波和估计理论为基石，形 成了最优控制、系统辩识和最优估计、自适应控制、鲁棒控制、变结构控制、模型预测控 制等为代表的现代控制理论的分析和综合方法。系统分析的对象已转向多输入多输出线性 系统。解决系统问题的方法主要是状态空间法、以抽象代数为工具的代数方法、几何方法 和多变量频域方法等。 随着研究对象和系统越来越复杂，借助于数学模型描述和分析的传统控制理论难以解 决复杂系统的问题，尤其是在具有如下一类特点的现代控制工程中： 不确定性的模型传统控制是基于模型的控制，这里的模型包括控制对象和 干扰模型。传统控制通常认为模型是已知或经过系统辩识可以得到的。对于 不确定性的模型，传统控制难以满足要求 高度非线性在传统的控制理论中，线性系统理论比较成熟，对于具有高度 非线性的控制对象，虽然也有一些非线性控制方法可以使用，但总的来说， 目前非线性控制理论还很不成熟，有些方法过于复杂，无法广泛应用。 复杂的任务要求在传统的控制系统中，控制的任务要求输出量为定值或者 要求输出量跟随期望的运动轨迹( 跟踪系统) ，因此控制任务比较单一。但对 于复杂的控制任务，传统的控制理论都无能为力。 1 2 2 2 模糊控制的出现与应用 浙江理工大学硕士学位论文 现代控制系统普遍表现为系统的数学模型难以通过传统的数学工具来描述。因此，采 用数学工具或计算机仿真技术的传统控制理论已经无法解决此类系统的控制问题。然而， 我们在生产实践中看到，许多复杂的生产过程难以实现的目标控制，可以通过熟练的操作 工、技术人员或专家的操作来获得满意的控制效果，这就需要智能控制来解决实际问题， 而模糊控制作为一种新型的智能控制方式越来越受到人们的重视。模糊控制系统是以模糊 数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑运算与模糊规则推理为理论基础；采用计算机 控制技术构成一种具有反馈通道呈闭环结构形式的数字控制系统，因此在现代控制工程中 起着越来越重要的作用。 如果说，传统的控制是从被控对象的数学结构上去考虑进行分析、控制的，那么模糊 规则控制则是从人类智能活动的角度和基础上去考虑实施控制的。1 9 6 5 年美国加州大学自 动控制系专家l a z a d e h 在信息与控制杂志上发表了“模糊集”( f u z z ys e t s ) 和“模 糊集与系统”( f u z z ys e t s s y s t e m ) 产生了模糊集理论，奠定了模糊集理论和应用研究的 基础。1 9 6 8 年，l a z a d e h 首次公开发表其“模糊算法”。1 9 7 3 年发表了语言与模糊逻辑 相结合的系统建立方法。1 9 7 4 年，m a m d a n i 博士首次尝试利用模糊逻辑，成功地开发了世 界上第一台模糊控制的蒸汽引擎。可以这样认为，1 9 6 5 1 9 7 4 是模糊控制发展的第一阶段； 1 9 7 4 1 9 7 9 年为第二阶段，这是产生简单模糊控制器的阶段；1 9 7 9 至今是发展高性能模 糊控制的第三阶段。1 9 7 9 年，t j p r o k y 和e h m a m d a n i 共同提出了自学习概念，使系统 性能大为改善。1 9 8 3 年日本富士电机开创了模糊控制在日本的第一项应用一水净化处理。 之后，富士电机致力于模糊逻辑元件的开发和研究，并在1 9 8 7 年仙台地铁应用了模糊逻 辑控制技术。在我国，8 0 年代以来模糊控制也有了很大的发展，出现了许多性能良好的模 糊控制系统1 2 2 - 3 0 1 。 1 2 3 课题研究的可行性 对雾化质量( 包括雾化粒径的大小及分布情况) 有显著影响的有两方面因素，一方面 是雾化喷嘴的结构参数，另方面是雾化喷嘴的工作参数，这里工作参数指的是进入喷嘴 的空气压力( 进气压力) 和送胶的空气压力( 进胶压力) 。在工业生产中，虽然雾化喷嘴 结构对雾化质量与很大的影响，但不宜在生产过程中改变雾化喷嘴的结构，也是不现实和 经济的。但是改变雾化喷嘴的工作参数( 进胶压力和进气压力) 在工业中比较容易实现， 也较经济。因此，本课题中我们在雾化喷嘴结构参数不变的情况下，通过改变进气压力和 进胶压力的大小柬调整喷涂效果。通过莳人经验和史验数掘可以得到：在定的进气压力 4 浙江理工大学硕士学位论文 巴和进胶压力圪( i = 1 ，2 ，n ) 下，能取得很好的喷涂效果。所以问题转化为通过控 制进气压力和进胶压力使它们分别陕速稳定在只和b ，并且压力的波动小，使得雾化效 果达到最佳并且稳定。但是进气压力由于所在的管路一直到雾化喷嘴的出口是连通的，所 以用一般的压力传感器难以测得实际进入喷嘴的压力，因此难以用反馈控制系列的方法对 其进行控制。鉴于该管路经过的环节少，对压力变化的影响非常小，因此在这里我们通过 控制电气比例阀的输入电压来控制进气压力并且通常情况下不改变其初始压力。而进胶压 力方面管路就不同，它需要经过胶桶、较多的管接头、控制阀、单向阀、较长的管路等， 难以建立比较精确的数学模型并且存在着一定的非线性和时变性，所以传统的p i d 控制器 一般难以有良好的控制效果。因此，本文设计了一种模糊p i d 复合控制器( 具体原因在第 二章中介绍，控制器的设计在第四章中介绍) ，根据测得压力的误差大小，在模糊控制和 p i d 控制方法之间相互切换，使进胶压力稳定在设定的只；上。 1 3 课题研究的目的和意义 本课题根据前人经验和实验数据，设计压力控制器分别对进气压力和进胶压力进行控 制，使其稳定在预期值进气压力只。和进胶压力最( i = l 2 ，n ) 上。特别的，当进胶压 力设定值变化时，通过模糊p i d 复合控制器的作用，能够使进胶压力能够快速的达到设定 值，并且稳定在其上。在进气压力不变的情况下，要使雾化效果发生变化，只需要改变进 胶压力，使进气压力与进胶压力的比值发生变化。进胶压力通过模糊p i d 复合控制器的控 制，快速稳定在设定值上，这样就减少了等待时间和投胶量，对于批量生产来说，就会产 生很大的经济效益，并且避免了因为人为操作不当产生的误差而影响生产质量；对于雾化 喷嘴实验的控制提供了很好精确度保证；而且对其他气动控制方面提供了比较好的借鉴， 推广了模糊控制技术的进一步发展。 1 4 本文的主要研究内容 本文在对雾化喷嘴喷雾机理以及影响因素分析的基础上，研究和设计了模糊p 1 d 复合 控制器，使得进胶压力能够在控制器的作用下快速的达到设定值，从而在进气压力不改变 的情况下，改变雾化喷嘴的雾化效果，使雾化粒径大小达到所要求的范围。本文的主要内 容如下： 第一章简单介绍了本课题的背景、研究的可行性和研究的目的、意义以及内容 的安排。 e 浙江理工大学硕士学位论文 第二章介绍了雾化喷嘴系统的设计以及进胶系统传递函数的确定。通过对进胶 系统输入阶跃信号，根据测得的响应以及一般工业上所用的一阶单位延时传递 函数模型，求得进胶压力系统的数学模型。 第三章初步介绍了模糊p i d 复合控制器设计所需要用到的模糊控制理论。 第四章详细介绍了p i d 控制器、s m i t h 预估器、模糊控制器的构成和设计，以及 模糊p i d 复合控制器的设计。 第五章介绍了基于a t 8 9 s 5 2 单片机的模糊p i d 复合控制器的实现，分别从硬件 和软件上做了说明。 第六章总结了所做的研究工作并提出了需要改进的地方。 浙江理工大学硕士学位论文 第二章雾化喷嘴实验系统的的介绍以及进胶系统传递函数的确定 2 1 气动系统的设计 气动系统的设计主要是为了给雾化喷嘴雾化作用、m a n e m 激光粒度仪镜片的清洗以 及雾化喷嘴工作后的喷嘴清洗提供动力。如图2 1 所示为雾化喷嘴实验系统的总体结构简 图，气源气体由空气压缩机经过分水过滤器、减压阀后通过一个四通管接头，分为三路分 别提供给雾化喷嘴部分、m a l v e m 激光粒度仪部分、清洗部分使用。这里减压阀的调压范 围为0 0 5 0 8 5 m p a ，空气压缩机输出的压力最高可以达到1 5 m p a ，分水过滤器的过滤精度 为2 5 m 1 1 3 1 。 清洗懦 图2 1 雾化喷嘴实验系统结构简图 2 1 1 雾化喷嘴部分气动系统的设计 雾化喷嘴气动系统部分有有三个管路组成，与雾化喷嘴的进胶口、进气口和控制形状 口向对应，都有各自的作用。 2 1 1 1 进胶口管路 气体经过四通管接头后，再依次经过二位二通阀、减压阀、电气比例阀、精密过滤器、 二位二通阀，输入到装有压力传感器的胶桶中，把胶体打入雾化喷嘴内腔。这早所用的器 件具体枷格如下： 浙江理工大学硕士学位论文 二位二通阀 这是由a i r t a c 公司生产的电磁换向阀，它的功耗为4 5 v a ，交流电压范围为： 1 8 7 v 一”2 矿，可调的压力范围是：0 0 7 m p a 。通过电磁阀的开关来控制管路的连通与 断开。 减压阀 这是由a i r t a c 公司生产的压力控制阀，它的功耗为5 5 v a ，交流电压范围为： 1 8 7 1 一2 4 2 1 , ，可调的压力范围是：0 0 8 5 m p a 。通过减压阀的调节作用，可以在一定 范围内改变管路中的压力。 电气比例阀 所使用的电气比例阀是有日本s m c 公司生产的压力控制阀，型号为：i t v - 2 0 5 0 2 1 2 l 型薄型电气比例阀。它工作时通过阀自身内部的反馈机制不断的调节设定值与实际值的 误差，从而比较精确的达到所设定的输入值。它的可设定压力范围为： o 0 0 5 m p a o 9 m p a ，电源电压为：d c 2 4 v 1 0 ，输入信号的范围为：0 5 i ，输入 阻抗约为6 5 k q ，直线度在- - 1 以内，迟滞在o 5 以内，灵敏度在0 2 以内，温度特 性在o 1 2 以内，输入压力的精度为：3 ，工作温度为：0 5 0 。c 。 索菲特压缩空气精密过滤器 这是由飞君液压气动有限公司生产的精密过滤器，可以承受的最高压力为1 m p a ， 可以达到的精度为l l u n 。 压力传感器 该产品是由蚌埠金诺传感测控工程有限公司生产的j n b 2 型压力传感器，它的输出 灵敏度数为1 2 m y v ，其出产检测结果( 在温度为2 5 。c ，桥压为i o v d c ，输入阻抗r i n 为1 足，输出阻抗r 。为1 k 为) 如下表2 1 所示。 表2 1 测定载荷与输出压力 l 载荷 0 0 20 40 60 81 0m p a i 输出 02 5 2 95 0 5 07 5 7 91 0 1 0 41 2 6 2 5m v 胶桶 该产品是台湾宝丽华有限公司尘产的，用于装载胶料，并且可以进行手动搅拌。压 力允许的最大范围为8 0 p s l ( 约为0 5 5 1 7 m p a ) 。 2 1 1 2 进气口管路与控制形状口管路 8 浙江理工大学硕士学位论文 气体经过四通管接头后，有一路通过三通管接头分为两路通入雾化喷嘴，其中一路经 过减压阀、电气比例阀、精密过滤器后注入雾化喷嘴，称为进气口管路，另外一路通过一 个二位二通阀和一个减压阀注入雾化喷嘴用于控制雾化喷嘴喷雾形状，称为控制形状口管 路。在这里，所用的二位二通阀、减压阀、电气比例阀、精密过滤器与进胶1 2 1 管路所用的 型号相同”。l 。 2 1 , 2m a i v e r n 激光粒度仪部分气动系统的设计 m a l v e m 激光粒度仪是由英国马尔文仪器有限公司的产品，根据激光衍射发进行的， 测出的是其体积分布所占比率。在进行测试的时候，需要不断的通入压力为6 0 p s i 左右的 清洁气体用于清洁镜片，压力的大小通过减压阀来控制，是否通气通过二位二通阀的开关 进行控制。 2 1 3 清洗部分气动系统的设计 由于胶的粘性比较大，在雾化喷嘴工作结束后需要对喷嘴内部进行清洗以防止胶凝结 堵塞了雾化喷嘴内部的通道。当需要清洗时，把清洗桶与雾化喷嘴向连通，打开二位二通 阀，通过空气动力把清洗桶中的清洗剂打入喷嘴进行清洗。 2 2 进胶系统数学模型的确定 通常建立系统数学模型的基本途径有理论建模和辩识建模，也称分别称为白箱问题和 黑箱问题，前者通过直接运用相应的物理原理来建立表征系统动态过程的数学描述，后者 是通过实验取得数据和按照相应准则处理数据的基础上来导出最接近系统实际情况的简 化数学模型。辩识建模也可分为两种情况，一种为非参数模型辩识方法，另外一种为参数 模型辩识方法。 在本课题中，先采用工业上一般使用的带纯滞后的一阶惯性环节的形式： g = 高矿 ( 2 1 ) 作为描述进胶系统的结构，然后根据实验测得的输入输出数据，求出数学模型的参数， 得到简化的数学模型。实验时，采用幅度为o 5 的阶跃信号输入，测出其在不同时刻的 响应信号，如表2 2 所示和如图2 1 所示。 表2 2 输入幅度为0 5 的阶跃信号所得响应值 l 庠力( m p a )0 0 5 10 1 4 00 1 5 3 0 2 8 1 0 2 5 20 3 0 70 3 5 6 l 时间( s )0 5 42 2 62 9 13 5 54 3 95 6 1e 舵 浙江理工大学硕士学位论文 i 压力( m p a ) o 加20 4 5 90 4 9 00 4 9 5 0 4 9 80 5 0 10 4 9 9 i 时间( s ) 7 8 19 8 71 0 8 61 1 5 11 4 5 9 1 7 8 02 0 j 3 2 言 凸 邑 趔 长 丝 测量时间与压力值曲线图 图2 1 测量时间与压力值曲线图 对于一个一阶惯性环节系统，当输入信号为一个幅度为a 的阶跃信号时，通过l 印缸c e 变 换得到c ( s ) 一而k 了a 。磊t 。等一墨。删e 一去， s c s + ；， 5 s + ；。3s + ； 一三 c ( 0 ；黝( 1 - e7 ) 当t 一时，c ( o o ) = k 45 当t t 时，c ( f ) = 0 6 3 2 k a ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 在此实验过程中，a ；0 5 ，而当f m 时，我们从测得的数据可以认为c ( m ) 为0 5 ，所 以可以得到k = 1 ：当t = r 时，c o ) = 0 6 3 2 k a = 0 6 3 2 0 5 = 0 3 1 6 ，这样当压力为 0 3 1 6 m p a 的时刻值为7 。采用数值分析插值法可以得到： 0 3 1 6 0 3 0 7t 一5 6 1 0 3 5 6 0 3 0 7 丁= 5 7 6 6 4 2 5 6 1 1 0 ( 2 6 ) 浙江理工大学硕士学位论文 并且考虑到当时刻为0 3 5 s 时压力值为0 m p a ，即有0 3 5 s 的滞后，所以认为系数_ r 的值 为o 3 5 。这样进胶系统的数学模型可以简单描述为： c ( s ) ；志e ” (27)1 7 5 7 砸+ 、7 2 。3 控制策略的选择 p i d 控制器是一种常用的控制器，它的设计是基于精确的数学模型基础上的。进胶系 统是一个比较复杂的系统，虽然在2 2 中建立了进胶系统的数学模型，但是那只是采用了 相对比较熟悉的模型，与真实的模型具有一定的差距；并且胶桶、进胶管路都是有一定的 材料做成的，而所用的胶具有一定的腐蚀性，经过一段时间的使用会使胶桶与进胶管路发 生一定的变化；再者考虑到胶桶具有一定的漏气程度和进胶管路输送具有一定的时滞性。 因此可以认为所建立的数学模型是比较粗糙的，只能用做p i d 控制器参数整定时的参考模 型，而真正的参数整定需要在这些的基础上，在实际中进行调节。但p i d 控制器的稳态性 能比较好，能使压力比较稳定地在设定值附近。 而模糊控制是一种智能控制，不需要建立精确的数学模型，可以根据实际的经验来确 定模糊规则，进行模糊推理来实现控制，具有较好的动态性能和抗干扰性，但稳态性能比 较差。 根据p i d 控制稳态性能好和模糊控制动态性能强的特点，采用了模糊p i d 复合控制的 方法，使得当实际压力值与设定压力值之间误差范围比较大时采用模糊控制的方法，当误 差范围比较小时采用p i d 控制方法。 2 4 本章小结 本章首先介绍了雾化喷嘴实验系统最主要部分气动系统的设计，包括雾化喷嘴部分 气动系统、m a l v e m 激光粒度仪部分气动系统、清洗部分气动系统；接着通过实验得到 的压力输入输出数据，建立了进胶系统的数学模型；最后根据进胶系统的实际情况，确 定了模糊p i d 复合控制为此系统的控制策略。 浙江理工大学硕士学位论文 第三章模糊控制基础理论 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制技 术，其基本概念由美国加利福尼亚大学著名教授( l a z a d e h ) 首先提出，经过二十多年的 发展，在模糊控制理论和应用方面均取得了重大成功。下面对模糊控制中用到的模糊集合、 模糊关系、隶属度函数、模糊语言、模糊逻辑推理、解模糊方法等做一简单的介绍，在后 面第四章中详细介绍模糊控制器的设计1 ”。 3 1 模糊集合与模糊关系 3 1 1 模糊概念与模糊集合 设论域e = 忙。，e ：，e 。) ，将e 的任一子集用隶属度表示为：彳： ( e ，妒。( e 1 ) ) ，( e ：，妒。( e ：) ) ，( e 。，妒。( e 。) ) ) ，对于清晰集合而言，当妒。一1 时， e i e a ；当妒_ = 0 时，e ，圣爿，i = 1 、2 、，l 。如果将妒。的取值范围不局限于0 与1 ， 而上拓展为取为0 与1 之间的任何数，如： a ： ( e ，0 o ) ，( p ：，0 4 ) ，e ，1 0 ) ，e 。，0 7 ) ，( p ，0 2 5 ) ) ，这样的话，集合一与元素之间的关系 不是单纯属于和不属于的这两种情况，而是p 。不属于爿，e ：少量属于4 ，岛完全属于彳， _ ， 一一 e 4 基本属于彳，而e ，也少量属于爿，但是比e ：稍少。尽管用0 4 、0 7 、0 2 5 等表示了相 应元素对集合的隶属程度，但是在概念上是很模糊的，这些量化值也是一个模糊量。 这样的模糊子集就是一个模糊子集。对于集合论来说，内涵就是集合的定义，外延则是 组成集合的全体元素。一个精确的概念，它的外延是一个清晰的集合。但实际上客观世 界的许多概念都是模糊的，仅用绝对的属于或不属于来表达，已经不能适应概念上的模 糊性了。 设论域e e 。，p ：，e 。) ，e 在比区间【o ，1 】上的任一映射h ， 心：e 一【0 , 1 】，e u 月( e ) ，( 3 1 ) 它确定了的一个模糊子集，简称为模糊集，记作为a 。称为模糊集a 的隶属度函数， 一 一 心( e ) 称为元素p 隶属于爿的程度，或简称为a ( e ) 。( p ) 的值越接近1 ，表示e 从属于爿 _ 一 ， 一 的稃度越大；反之，纵( p ) 的值域为 o ，1 ) 时，隶属度函数心( e ) 已蜕变成为一个清晰集 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 合的特征函数；模糊集合a 也就蜕变成为一个清晰的集合。因此，可以认为：模糊集合 是清晰集合在概念上的拓广；清晰集合是模糊集合的一种特殊形式。而隶属度函数则是 特征函数的拓展，特征函数是隶属度函数的一个特例。 3 1 2 模糊集合的表示 3 1 2 1z a d e h 表示法 ( 1 ) 当e p 。，e ：，e 。 为离散域时，按z a d e h 的表示方法有： a ( e 1 ) a ( 9 2 ) a ( e ) a 篁二r _ 一+ l + + 二，_ 一， e 1e 2 b ( 3 2 ) 以i p 式中芝表示元素q 对于模糊集合a 的隶属度函数以如) 和元素e f 本身的对应关系； e i 。 。 “+ ”表示在论域e 上，组成模糊集合4 的全体元素e ；( f 一1 、2 、3 、咒) 问排序与整体间 的关系。 ( 2 ) 当e 为连续域时，按z a d e h 的表示法为：a = e 爿( e ) e ， ( 3 3 ) 一 j c 一 这里，表示连续论域e 上的元素e 与隶属度心o ) 一一对应关系的总体集合。 3 1 2 2 序偶表示法与隶属度 如果用序偶表示法表示来说明模糊子集，可以将其写成为： a ： ( e l ，妒。( e 1 ) ) ，( e ：，1 ：f ，。( p ：”，。，( 巳，缈。( 巳) ) ) ( 3 4 ) 的形式。 3 1 2 3 矢量表示法 将论域e 中元素乞( i t l , 2 、 ) 所对应的隶属度值心( e 。) ，按顺序写成的矢量形 式来表示模糊子集爿，则可以是：切( q ) 、a ( e 2 ) 、a ( e 。) ) ， ( 3 5 ) 即为矢量表示法。 3 1 2 4 函数描述法 根掘模糊集合的定义，论域e 上的模糊子集a 完全可以由隶属度函数u 。( ) 来表示。 由于隶属度函数, u a ( t ) 本身表