[发明专利]基于模糊神经网络PID控制器的阀位串级控制方法

说明书

本发明涉及一种基于模糊神经网络PID控制器的阀位串级控制方法，属于自动控制领域。该方法建立了包括调节阀阀位控制回路和比例阀阀后压力控制回路的阀位串级控制模型，调节阀阀位控制回路为主环，以调节阀阀位为主环控制对象；比例阀阀后压力控制回路为副环，以比例阀阀后压力为副环控制对象；阀位串级控制模型以调节阀阀位为控制目标，调节阀阀位控制回路采用模糊神经网络PID算法。本发明解决了阀位控制过程复杂多变，难以建立精确数学模型，致使传统PID控制控制效果不佳以及单回路控制难以消除外界扰动的难题，能够对阀位控制过程进行动态实时控制，提升了控制过程的快速性、准确性和鲁棒性，利于调节阀稳定连续地工作。

技术领域

本发明涉及工业自动控制领域，具体为一种基于模糊神经网络PID控制器的阀位串级控制方法。

背景技术

调节阀又称流量阀，是过程控制系统中用动力操作去改变介质流量的装置。它在一定程度上影响着过程控制的调节品质，在工业生产系统中与产品质量密切相关的诸如温度、压力、液位、浓度等环境因素的调整都需要通过调节阀的开度控制进行调整，阀门位置是否满足生产要求直接关系到整个生产系统能否高效安全地运行。

随着社会和经济的发展，工业控制系统对于阀位控制的准确性以及快速性要求越来越高。目前，国内大部分阀位控制系统采用的仍然是传统的PID控制算法，PID控制算法具有原理简单，易于实现的特点，对于被控对象数学模型明确的生产过程控制效果极佳。而由于调节阀的工作环境不同，受流经阀门的介质流量的粘稠度以及阀门内部摩擦力、不平衡力等的影响，阀位控制过程具有很强的非线性、大惯性以及时变性，无法建立精确的数学模型，致使传统PID算法的参数设置极为困难，常常难以达到理想的控制效果，给工业生产过程带来安全问题和巨大的经济损失。

另外，目前国内外关于阀位控制系统的研究和应用主要是针对单回路控制系统，单回路控制系统结构简单，易于操作，但其抗干扰性能较差，而调节阀在工业生产过程中往往会受到很多外界因素的干扰而使阀位控制过程出现动荡，进而引发一系列的安全问题。因此，阀位控制系统中使用单回路控制难以保障工业生产过程平稳安全地进行。

李焱琪在《基于模糊PID控制的智能电气阀门定位器的实现[J]》(电子技术与软件工程,2017(17):94-94)中，提出一种基于模糊PID控制的阀位控制方法，该方法采用模糊算法对PID控制器控制参数进行整定，利用模糊规则使PID控制器对被控对象的时变性、非线性具有一定的适应能力，但模糊算法本身消除系统误差的性能较差，难以达到较高的控制精度，并且系统中的模糊规则通常由领域专家的意见归纳整理出来的，而许多领域的知识是难以描述的。

杨菲，杨德伟在《阀门定位器气动传动系统建模与MATLAB仿真分析[J]》(机械制造,2016,54(01):22-25)中，提出了一种串级控制系统，将调节阀阀后压力和阀门位置分别作为副控对象和主控对象，在一定程度上起到了抗干扰的效果，但是由于检测的压力为调节阀阀后压力，与阀位的关联性较强，抗干扰性能有限，且文中采用PWM控制，对于阀位控制过程这种具有非线性、时变性特点的控制对象的控制效果一般。

综上所述，目前，阀位控制技术存在以下技术问题：

1、由于阀位控制过程具有很强的非线性、大惯性以及时变性，无法建立精确的数学模型，常规PID控制算法的控制参数设置极为困难，难以实现有效控制；

2、采用模糊算法对控制器的参数进行整定，使控制器对被控对象的时变性、非线性具有一定的适应能力，但由于模糊规则通常由领域专家的意见归纳整理出来的，而许多领域的知识是难以描述的，使控制难以达到较高的精度；

3、单回路控制系统的抗干扰性能较差，容易引起阀位控制过程的振荡，难以维系工业生产安全运行，而且目前所提出的阀位串级控制系统存在抗干扰性能有限，控制算法简单，控制效果一般的问题。

发明内容