基于模糊PID控制的电—气比例阀控制系统的研究

论文摘要

气动系统以其结构简单、无污染、性价比高、维修方便以及抗干扰能力强等优点,被广泛应用于化工、纺织、微电子、生物工程等工业自动化领域中。但是由于气动系统固有的非线性、刚度小、阻尼比小以及固有频率低等缺点,使得气动系统定位技术进展缓慢,其控制精度和工作性能难以达到理想的效果,进而限制了气动系统在工业领域中的推广及应用。本文主要以提高气动系统的控制精度为目标,设计了基于参数自整定模糊PID控制的高精度电—气比例阀。本文综述了气动系统的特点及发展状况,阐述了智能控制技术在该领域中的研究与应用,结合气动系统的非线性特征,设计出模糊PID控制器,使电—气比例阀获得良好的控制精度。首先,对电—气比例阀进行了数学建模研究,通过分析电—气比例阀的力平衡特性以及压力—流量特性,建立了系统的线性数学模型和非线性动态模型,并通过实验验证了所建模型的正确性和优化方法的有效性,为系统进一步的研究提供了理论依据。其次,在建立压力被控对象模型的基础上,针对气压控制的难点,提出了基于参数自整定的模糊PID气压控制策略,并进行了模糊PID控制器的设计以及气压控制的仿真分析,仿真结果表明该模糊自适应PID控制器既具有PID控制器响应迅速的优点,又具有模糊控制器适应性强的特点,使被控对象具有良好的动、稳态特性,有较好的工程应用前景。最后,本文从硬件电路和软件部分两个方面对比例阀的设计进行了详细说明。为便于数据的处理与存储,在控制系统中设计了串行通信模块,通过串行通讯接口将单片机采集的数据送至PC机。此外,为测试比例阀的性能搭建了实验平台,通过静态特性曲线、阶跃响应曲线、定压控制等实验验证了基于模糊PID控制的电—气比例阀具有良好的控制性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 电—气比例阀的研究概况
• 1.3 控制策略
• 1.4 课题的研究意义与研究内容
• 1.4.1 课题的研究意义
• 1.4.2 论文主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 电—气比例阀的工作原理和数学建模
• 2.1 电—气比例阀的基本性能
• 2.2 电—气比例阀的组成及其工作原理
• 2.2.1 电—气比例阀的组成
• 2.2.2 电—气比例阀的工作原理
• 2.3 系统建模
• 2.3.1 电—气比例阀阀芯的力平衡方程
• 2.3.2 阀口流动的压力—质量流量方程
• 2.3.3 压力微分方程
• 2.4 电—气比例阀的非线性动态模型
• 2.5 验证数学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 模糊PID控制器原理与设计
• 3.1 PID控制基本理论
• 3.2 模糊控制的基本理论
• 3.2.1 模糊控制简介
• 3.2.2 模糊控制的组成
• 3.2.3 模糊控制器的设计
• 3.3 模糊PID控制器原理及设计
• 3.3.1 模糊PID控制器原理
• 3.3.2 模糊PID控制器的设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统仿真设计
• 4.1 系统仿真模型的建立
• 4.1.1 PID控制仿真模型
• 4.1.2 模糊PID控制仿真模型
• 4.1.3 带干扰的PID控制与模糊PID控制仿真模型
• 4.2 模糊逻辑控制器设计
• 4.2.1 确定模糊逻辑控制器的输入与输出
• 4.2.2 确定相关参数的模糊子集、模糊论域和隶属度函数
• 4.2.3 输入模糊规则
• 4.3 仿真结果分析
• 4.3.1 参数自整定模糊PID控制欲PID控制性能比较
• 4.3.2 带干扰仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 控制系统软硬件设计
• 5.1 硬件电路的整体设计
• 5.1.1 电源电路
• 5.1.2 传感器信号放大电路
• 5.1.3 传感器的标定
• 5.1.4 开关阀驱动电路
• 5.1.5 LED数码管显示电路
• 5.1.6 键盘接口电路
• 5.1.7 RS232/RS485接口电路
• 5.2 系统软件设计
• 5.2.1 软件总体结构
• 5.2.2 A/D采样子程序流程图
• 5.2.3 键盘处理子程序流程图
• 5.2.4 上位PC机子程序流程图
• 5.2.5 单片机子程序流程图
• 5.2.6 模糊PID子程序流程图
• 5.2.7 PWM输出控制模块
• 5.3 本章小结
• 第6章 电—气比例阀性能测试
• 6.1 测试系统
• 6.2 实验结果
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表