飞机地面空调车温度控制器设计与实现（可编辑）

飞机地面空调车温度控制器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现（可编辑） 飞机地面空调车温度控制器设计与实现 沈阳航空航天大学 硕士学位论文 飞机地面空调车温度控制器设计与实现 姓名:温文博 申请学位级别:硕士 专业:计算机应用技术 指导教师:杨华 201101沈阳航空航天大学硕士学位论文 摘要 飞机地面空调车温度控制器工作在复杂的外界环境中,外界环境的不确定性和时变 性以及工作模型难以确定等因素对温度调节都有影响。应用常规的控制方法响应时 间慢,抗干扰性和稳定性难以满足控制要求。在常规控制理论的基础上,本文重点 研究了模糊控制理论,引入变论域思想,将三者结合起来,形成变论域模糊控制算 法。此算法兼有三者的优点,变论域思想可以提高模糊推理的精度,模糊控制可以弥补 系统工作数学模型不精确的缺点并对参数进行在线调节。经过这样的改进,算法的 适应性和稳定性得到了很大提高,应用在不断变化的对象中控制效果较为理想。应用 软件工具,对常规控制算法、积分分离控制算法、模糊控制算法 和本文提出的变论域模糊控制算法分别进行了实验仿真,仿真结果表明本文提出的 这种方法控制效果均优于其他三种控制方法,在系统的动态性能、稳态精度和鲁棒性上 均有明显的改善。 本文还研究、完成了飞机地面空调车温度控制器的硬件设计。根据飞机地面空调车 温度控制器的要求,采用高性能、低功耗处理器作为温度控制系 统的微处理器。输入信号经过调理电路后作为微控制器的输入,微控制器根据输 入信号进行算法计算,算法的输出值经过信号转换作为空调车输出控制量。温度 控制器能够根据人工设定的温度迅速调节出风温使之达到设定温度,并可以实 时显示出口供风温度的变化情况。 关键词:飞机地面空调车;变论域;模糊控制;动态性能;鲁棒性 , ,. .,.. 【 . 如 。. ,, . , , 诧, . . . ; ; ; : ; 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第章绪论 飞机空调车是在飞机发动机停机状态下,在地面通电检查和维修飞机电器电子设备 时,给飞机设备舱提供干燥而洁净的给定温度和湿度的冷风、热风和通风,用来控制飞 机电器电子设备工作环境条件的设备】】。飞机地面空调车是用于机载电子设备在地面检 测、维修时的关键保障设备之一。飞机地面空调车提供一定的温度、湿度和风量的通风 气体,以便及时进行机载电子设备地面检测、调试和维修,从而保障机载电子设备的正 常工作和降低电子设备的故障率,保持其可靠性和战备完好性,提高部队的 整体战斗力。 ./型飞机地面空调车是沈阳航达机载设备公司立项的重点课题及国家技 改项目课题,为满足我国空军航空兵部队对新时期武器装备维修保障的需求而研制生 产。本课题即是设计基于./型飞机地面空调车的温度控制器。 .课题研究背景及意义 ..研究背景 在军事上,航空兵是突防、破坏和摧毁敌方战略和军事目标的主要空中攻击力量, 制空权的取得、航空兵战斗力的发挥程度往往能够决定战斗的胜负。机载电子设备是飞 机战斗力的重要组成部分,机载电子设备优良的性能是衡量其战斗力的主要指标,较高 的战备完好性也是衡量其战斗力的重要指标。保证机载电子设备的战备完好性、维修和 保障是部队的一项重要任务,而先进、可靠的维修保障设备是完成这一重要任务的先决 条件。 随着军事高科技术的飞速发展,战争的形式和战场环境发生了历史性重大变化,电 子装备成为争夺及掌握战场主动权的主战装备。新型战机的机载设备正飞速向电子化、 信息化多功能方向发展,其复杂程度也越来越高。在维修保障时提供适合的环境条件是 保证先进电子设备战备完好性的重要措施,飞机地面环境控制系统就是用于在机载电子 设备进行地面检测、维修时的关键保障设备之一。 机机载电子设备是飞机系统的重要组成部分,在现在科技化、信息化战斗中起着 非常重要的作用,当机载电子设备进行地面检测调试、维修时,必须用地面环境控制系沈阳航空航天大学硕士学位论文 第章绪论 飞机空调车是在飞机发动机停机状态下,在地面通电检查和维修飞机电器电子设备 时,给飞机设备舱提供干燥而洁净的给定温度和湿度的冷风、热风和通风,用来控制飞 机电器电子设备工作环境条件的设备】】。飞机地面空调车是用于机载电子设备在地面检 测、维修时的关键保障设备之一。飞机地面空调车提供一定的温度、湿度和风量的通风 气体,以便及时进行机载电子设备地面检测、调试和维修,从而保障机载电子设备的正 常工作和降低电子设备的故障率,保持其可靠性和战备完好性,提高部队的整体战斗力。 ./型飞机地面空调车是沈阳航达机载设备公司立项的重点课题及国家技 改项目课题,为满足我国空军航空兵部队对新时期武器装备维修保障的需求而研制生 产。本课题即是设计基于./型飞机地面空调车的温度控制器。 .课题研究背景及意义 ..研究背景 在军事上,航空兵是突防、破坏和摧毁敌方战略和军事目标的主要空中攻击力量, 制空权的取得、航空兵战斗力的发挥程度往往能够决定战斗的胜负。机载电子设备是飞 机战斗力的重要组成部分,机载电子设备优良的性能是衡量其战斗力的主要指标,较高 的战备完好性也是衡量其战斗力的重要指标。保证机载电子设备的战备完好性、维修和 保障是部队的一项重要任务,而先进、可靠的维修保障设备是完成这一重要任务的先决 条件。 随着军事高科技术的飞速发展,战争的形式和战场环境发生了历史性重大变化,电 子装备成为争夺及掌握战场主动权的主战装备。新型战机的机载设备正飞速向电子化、 信息化多功能方向发展,其复杂程度也越来越高。在维修保障时提供适合的 环境条件是 保证先进电子设备战备完好性的重要措施,飞机地面环境控制系统就是用于在机载电子 设备进行地面检测、维修时的关键保障设备之一。 机机载电子设备是飞机系统的重要组成部分,在现在科技化、信息化战斗中起着 非常重要的作用,当机载电子设备进行地面检测调试、维修时,必须用地面环境控制系沈阳航空航天大学硕士学位论文 统控制电子设备舱内的环境温度,一方面保证机载电子设备正常工作,另一方面延长其 使用寿命。在飞机的日常维护中,用地面环境控制系统米控制电子设备舱内的环境温度、 相对湿度和空气品质,从而降低机载电子设备的故障率,提高其使用寿命,降低维护费 用,提高部队的战斗力。 过去,我国军用机种的机载电子设备落后,对地面环境控制设备的要求不高、不够 重视,因而国产地面环境控制设备发展比较缓慢,性能比较落后。随着进口新型战机的 引进和国产新一代战机的研制成功,机载电子设备对地面保障设备的要求越来越高。由 于国产地面环境控制设备的技术落后,难以满足新机的要求,只好依赖进口, 不仅浪费 了大量的资金,而且进口设备的维修和零备件的供应常常满足不了使用要求,严重影响 了新战机的保障工作。因此,在加快以电子信息技术为核心的高新技术武器装备发展的 同时,必须使相关配套设备的发展水平与之同步,保证为主战武器提供更多、更可靠的 技术保障和战斗支援,保障主战武器能够最大限度的发挥效能。 飞机地面空调车是用于地面飞机维修调试的保障设备。在地面飞机处于停机状态 时,对发动机舱及机载电子设备舱进行维护和检测,给电子舱和发动机舱提供一定温度 和湿度的环境。而飞机地面空调车性能的好坏,除了本身具有的制冷和制热效果的性能 外,空调车的温度控制调节性能也是衡量飞机地面空调车性能好坏的主要指标。 ..研究意义 在飞机发动机停机状态下,飞机地面空调车向机舱内各段输送一定温度的干燥而又 清洁的空气,控制机舱内各段的温度和相对湿度,以利于飞机的停放和保存,延缓机件 受潮湿空气的腐蚀,延长寿命;在机载设备进行通电检查之前,向机载设备舱 提供大流 量的干燥而清洁的热风,除去设备舱内的潮湿空气,降低设备故障率;在机载电子设备 进行通电调试、维修和试验时,向飞机的机载电子设备舱提供符合一定指标要求的冷风, 散发舱内设备工作时产生的热量,保持舱内适当的环境温度,保证设备的正常工作。在 北方严寒地区,冬季检修飞机进气道等部位时,向飞机座舱和发动机舱段提供暖风进行 加温,确保人员工作环境舒适,去除发动机机舱段的结冰以保证发动机在低温时的正常 起动。同理,在炎热的夏季,当外界环境温度较高时,向机舱内提供一定温度的冷风, 可以降低电子舱和座舱内的温度,利于设备热量的散发。根据机载电子装备在不同地域、 不同季节、不同模拟环境的要求,飞机地面空调车应符合能够提供热风、冷风、除湿、 沈阳航空航天火学硕士学位论文 通风等多功能的要求【。 沈阳航达机载设备公司研制生产的./型飞机地面空调车的温度控制系统 目前存在系统响应速度慢、稳定性差和震荡性强烈等缺点,在实际应用中尤其是战场中, 时间就是战机,维修战备的时效性非常重要。本课题即是根据./型飞机地面 空调车设计出一款响应速度快、稳态精度高和鲁棒性好的温度控制器。./型 空调车是我国国产空气循环制冷式飞机地面空调车的最新机型,能够满足我国大部分现 役机型,如歼、歼以及最新机型歼的维修保障要求。设计出一款针对此型 飞机地面空调车性能更好的温度控制器用于新型飞机维修、保障,具有较高的经济性和 适应性,不仅能带来较好的经济效益和社会效益,对提高部队战斗力和加强我国国防建 设也具有非常重要的意义。 .研究现状及趋势 .. 飞机空调车国内外研究现状和发展趋势 随着科技的发展,机载电子设备越来越多和人们对飞机的座舱环境要求的提高,飞 机地面空调车的应用越来越普遍。 在五十年代,国外已经研制出了飞机地面空调车。制冷系统是地面空调车的主要部 分。飞机地面空调车按制冷方式分为空气循环制冷式和蒸发循环制冷式两种。前者采 用空气压缩和膨胀技术实现制冷和加热,与近年来一些新型飞机的机上环境 控制系统的 原理相似;后者采用制冷剂蒸气压缩技术实现制冷、电阻丝通电实现加热,与民用空调 设备原理相似。蒸发循环制冷方式是早期空调车的主要制冷方式,如苏联、美国、英国 等发达国家早期的空调车多采用以氟利昂为制冷剂的蒸发制冷方式。但是氟利昂 对大气臭氧层会产生破坏作用,受到蒙特利尔国际公约的限制,因而,此种制冷方 式的空调车逐渐减少,而采用空气压缩制冷式的空调车越来越多。但是,空气压缩制冷 方式的空调车的制风量一般较小,难以满足某些对制风量要求大的飞机的要求。大通风 流量空调车采用空气压缩制冷压缩.膨胀困难较多,而随着现代机型的种类和形体 的发展,机上电子设备越来越多和人们对座舱环境的要求也日益提高,人们研制出了 .以替代氟利昂。目前,蒸发循环制冷式仍是大流量空调车的主要选择。 我国从俄罗斯引进和购买的飞机空调车均采用蒸发循环制冷方式。这些设备零部件 沈阳航空航天火学硕士学位论文 通风等多功能的要求【。 沈阳航达机载设备公司研制生产的./型飞机地面空调车的温度控制系统 目前存在系统响应速度慢、稳定性差和震荡性强烈等缺点,在实际应用中尤其是战场中, 时间就是战机,维修战备的时效性非常重要。本课题即是根据./型飞机地面 空调车设计出一款响应速度快、稳态精度高和鲁棒性好的温度控制器。./型 空调车是我国国产空气循环制冷式飞机地面空调车的最新机型,能够满足我国大部分现 役机型,如歼、歼以及最新机型歼的维修保障要求。设计出一款针对此型 飞机地面空调车性能更好的温度控制器用于新型飞机维修、保障,具有较高的经济性和 适应性,不仅能带来较好的经济效益和社会效益,对提高部队战斗力和加强我国国防建 设也具有非常重要的意义。 .研究现状及趋势 .. 飞机空调车国内外研究现状和发展趋势 随着科技的发展,机载电子设备越来越多和人们对飞机的座舱环境要求的提高,飞 机地面空调车的应用越来越普遍。 在五十年代,国外已经研制出了飞机地面空调车。制冷系统是地面空调车的主要部 分。飞机地面空调车按制冷方式分为空气循环制冷式和蒸发循环制冷式两种。前者采 用空气压缩和膨胀技术实现制冷和加热,与近年来一些新型飞机的机上环境控制系统的 原理相似;后者采用制冷剂蒸气压缩技术实现制冷、电阻丝通电实现加热,与民用空调 设备原理相似。蒸发循环制冷方式是早期空调车的主要制冷方式,如苏联、美国、英国 等发达国家早期的空调车多采用以氟利昂为制冷剂的蒸发制冷方式。但是氟利昂 对大气臭氧层会产生破坏作用,受到蒙特利尔国际公约的限制,因而,此种制冷方 式的空调车逐渐减少,而采用空气压缩制冷式的空调车越来越多。但是,空气压缩制冷 方式的空调车的制风量一般较小,难以满足某些对制风量要求大的飞机的要求。大通风 流量空调车采用空气压缩制冷压缩.膨胀困难较多,而随着现代机型的种类和形体 的发展,机上电子设备越来越多和人们对座舱环境的要求也日益提高,人们研制出了 .以替代氟利昂。目前,蒸发循环制冷式仍是大流量空调车的主要选择。 我国从俄罗斯引进和购买的飞机空调车均采用蒸发循环制冷方式。这些设备 零部件 沈阳航空航天大学硕士学位论文 如机上阀门、电机及传感器等具有较强的互换性,战场抢修十分方便,设备可靠性较好, 但成本高、体积大,升温和降温速度慢,并且供气压力低。国内零部件短缺,维修困难, 难以满足新机的保障要求。美国的飞机地面空调车发展比较全面,两种制冷式并存,其 主战车型是拖拽式空气循环制冷式地面空调车。这种拖拽式空调车需要采用电源车上的 燃气涡轮发动机排气做引气,其空调系统依赖电源设备工作时提供的压缩空气,不能独 立工作,其有效工作势必受到电源设备工作的影响。表.显示了国外几种典型飞机地 面空调车的情况。 表. 国外几种典型飞机地面空调车 由于我国的经济和军事技术发展较晚,国产歼型飞机于七十年代研制成功,飞机 上装有大功率电子设备,在发动机舱以及电子舱进行维修保障和电子设备调试时,需要 给飞机发动机舱和电子舱降温,这就促使了我国国产飞机空调车的产生。我国在 年由沈阳航达机载设备公司原厂生产出第一台军用飞机地面空调车。 我国于年研制出的第一台飞机地面空调车是蒸发循环制冷式,以氟利昂 作制冷剂的空调车,供某型号飞机使用;后来我国加紧对飞机地面空调车的研制,至今 已研制出多种型号的飞机空调车。我国飞机地面空调车既有蒸发循环制冷式,又有空气 压缩制冷式,形成了几个系列,如、/及系列等。我国国产的飞机地 面空调车技术性能也相当高,成本低廉、使用方便、无污染且维修方便,与从国外进口 的空调车不相上下。目前国产空调车已经装备部队多种机型,如歼、歼、强鱼 雷机、轰炸机、空中加油机以及最新研制歼等机型。这些飞机空调车主要用于在地 面进行电子舱和发动机舱等的通风和维修检查。表.给出了我国国产飞机地面空调车 沈刚航空航天大学硕士学位论文 的现状。 表.国产飞机地面空调车现状 从表.可知,我国国产飞机空调车主要集中在中量的车型系列中,在大流量 大于/以及超大流量的车型方面还比较薄弱。从总体上看,大流量的飞机空 调车多为蒸发制冷式,小流量的飞机空调车多为空气压缩制冷式;但蒸发制冷式空调车 的体积庞大,运输不易,并且制风量的风压较小,适合较为大型的飞机维修保障使用, 空气压缩制冷式的空调车适合中小型飞机的维修保障使用。我国最新研制的 ./型飞机地面空调车,由沈阳航达机载设备公司研制,是我国常见机型飞机 配套的航空地面保障设备,也是国内空气制冷式飞机空调车的最先进车型。 我国国产的民航用飞机空调车很少,主要通过进口来满足需求,但国外的空调车与 国内同样性能的车型相比费用非常昂贵,是国产车型的几倍以上。型飞机 空调车是我国独立研制的大流量飞机空调车,于年月由中航第一飞机设计研究院 历时年时问研制成功,已经通过了国家民航总局的产品鉴定,并取得了民航生产许可 证。开创了国内研制民航用飞机空调车的先例,并已成功用于广州新白云国际机场的地 面保障。随着民航对飞机空调车需求的增加,我国国产民航飞机空调车加快了研制步伐, 沈阳航空航天大学硕士学位论文 既能节省国家,又可带来巨大的经济、社会效益。目前,我国大型军用飞机以及民 航飞机的研制技术的发展和需求的增加,大风量飞机空调车的应用前景非常广阔。 ..温度控制技术的研究现状 在石油、化工、制药、热工和材料等行业中,对温度控制技术的研究成果较多,设 计出了大批温度控制器,比较常用的有调节器以及一些智能控制的调节器和白 适应控制器等。 温度对象是滞后的惯性环节,并具有变参数、非线性等特性。目前国内外主要采用 的是常规控制,其控制简单实用、成本低、技术成熟、易于实现、参数调整方便、 并且具有一定的鲁棒性,在空气调节中应用广泛。控制器的参数一旦确定,不易改 变,如果被控对象的运行环境发生变化或受到外界因素的影响,参数模型发生变化时, 的参数仍旧保持不变,则系统的控制效果就会变差,甚至有震荡发生。由于空调系 统的大滞后、变参数、非线性和温湿度之间的强耦合关系,常规的控制难以满足人 们对控制的要求,因此,研究一些更加智能的控制方法成为必要。 模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型,它是通过计算机完成人们用自然语 言所描述的控制活动。其控制算法把各种环境参数综合起来考虑分析,然后进行模糊判 断控制。根据实验结果和经验总结出模糊控制规则,经模糊推理进行模糊判断得到模糊 控制表,使综合参数的相互影响达到最佳拟合状态。神经网络采用学习和训练的方法把 复杂的系统通过有限的参数进行表达。但神经网络方法需要大量的历史资料,否则在进 行外推和演绎时可靠性会明显降低。遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进 化过程而形成的一种白适应全局优化概率搜索算法。用调控模糊控制规则,既可 避免优化过程的早熟现象,又能提高优化控制规则的速度。 智能控制方法对对象的精确数学模型要求不高,而且寻优能力强,在计算机控制中, 通过实时获得的数据信息进行处理,并修改优化控制参数,使得控制效果远比普通的 控制算法优异【。 年,同本“三菱重工”开发出了以温度恒定为目标的模糊变频空调控制器。香 港的...等人于年开发出了空调机组的热舒适性模糊逻辑控制器。 等人在年设计出了带有自适应性能的控制器,此控制器可以应用于被控模 型不太精确的场所。则证明,对于热交换过程这种非线性过程,若采用模糊控制, 沈阳航空航天大学硕士学位论文 可以克服控制出现的超调,得到较好的控制效果力。 国内研究人员对智能控制在温度调节系统中的研究成果也有很多。在中央空调温度 控制系统中,吴爱国等人研究了参数自寻优模糊控制器,该类控制器综合了输入比例 因子和输出比例因子对系统的影响,采用在输入比例因子后加入加权因子的方法,优化 了控制效果。 综上所述,智能控制是控制技术主要的发展趋势,随着计算机技术和智能控制理论 的发展,智能控制必将在空调系统中得到广泛的应用。 .本文研究主要内容 本文以./型飞机地面空调车为研究背景,针对该型飞机空调车的温度控 制存在响应时间慢、稳定性能差和震荡性强烈等缺点,设计了一款更为理想的温度控制 器。./型飞机地面空调车温度控制器原来采用的是常规的控制算法,本 文针对此算法的缺点研究了几种改进型控制算法:积分分离算法以及模糊控制, 并且引入变论域思想,使用变论域来提高模糊推理的精度,并将它们进行结合,形成一 种适合本课题应用的变论域模糊控制方法。并在仿真环境下对以上几种方 法分别进行了仿真和比较,实验结果表明,本文结合几种方法产生的变论域模糊控 制方法响应时间短、稳态误差小和鲁棒性强,比原方法的控制效果有显著的改善。 完成了温度控制器的硬件电路设计。在软件平台下完成飞机地面空调车 温度控制器的硬件电路的设计。采用公司最新推出的高性能、低功耗 单片机枣片作为温度控制器的主控芯片。空调车出口风温传感器信号经过信号调理电路 后作为温度控制器的输入,根据测得出口风温和设定温度进行算法处理,得到算法的输 出控制量,经过变换后由执行机构步进电机进行调节冷风阀门和热门阀门的开度大小, 完成出口风温的调节控制。 本文的内容安排如下: 第一章绪论 第二章介绍几种控制方法的基础理论知识及模糊控制的基础理论,并介绍它 们的结合方法;介绍模糊控制器的设计方法和过程。 第三章主要介绍变论域和伸缩因子的概念以及对控制的影响,量化、比例因子和 沈阳航空航天大学硕士学位论文 变论域的关系;阐述变论域和模糊控制的结合以及变论域模糊控制器的设计和算法的设 计与仿真。 第四章针对课题的实际应用,介绍本课题的硬件设计和硬件工作原理,完成温度 控制器的硬件电路设计。 本文结论,对本文的工作内容进行总结,对下一步工作提出需求和展望。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第章控制算法基础理论 飞机地面空调车的要求是能在不同地域、不同季节、不同时问和环境条件下产生一 定温度的冷风、热风以及一些其他温度的通风的要求。空调车的发动机转速、环境温度、 产生的冷、热风温度和工作时间等因素对空调车出口风温都有影响,其温度控制是一个 时变、非线性、工作环境不确定的一阶惯性纯滞后系统,其控制模型如式.所示。 . ?篙 其中,、丁、分别为被控对象模型的开环增益、惯性时间常数和纯滞后时础常 数。 . 控制原理 ..引言 控制是自动控制领域较早的经典控制策略之一。按照偏差的比例、积分 和微分进行控制,具有实现简单、可靠性高和鲁棒性好的特点,控制效果良好,在 工业控制中得到了广泛的应用。在世纪年代以前,除了最简单的开关控制外,它 是唯一的有效控制方式。随着科学技术的发展特别是计算机的诞生和发展,涌现出很多 新的控制方式,尽管如此,控制由于它的自身的优点至今在工业生产过程中仍得到 广泛应用。 控制有以下几个优点: 简单易行,效果良好,应用广泛。 较强的适应性,在冶金、热工、造纸等各种社会生产生活中应用广泛。 稳定时无静差,鲁棒性强,被控对象的特性变化对控制品质影响不大。 ..经典控制原理 图.给出了经典的控制原理。 经典控制的原理为:控制器的实际输出值与设定值构成偏差,将偏差的比 例、积分和微分进行线性组合构成控制量,来控制调节被控对象,称之为 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第章控制算法基础理论 飞机地面空调车的要求是能在不同地域、不同季节、不同时问和环境条件下 产生一 定温度的冷风、热风以及一些其他温度的通风的要求。空调车的发动机转速、环境温度、 产生的冷、热风温度和工作时间等因素对空调车出口风温都有影响,其温度控制是一个 时变、非线性、工作环境不确定的一阶惯性纯滞后系统,其控制模型如式.所示。 . ?篙 其中,、丁、分别为被控对象模型的开环增益、惯性时间常数和纯滞后时础常 数。 . 控制原理 ..引言 控制是自动控制领域较早的经典控制策略之一。按照偏差的比例、积分 和微分进行控制,具有实现简单、可靠性高和鲁棒性好的特点,控制效果良好,在 工业控制中得到了广泛的应用。在世纪年代以前,除了最简单的开关控制外,它 是唯一的有效控制方式。随着科学技术的发展特别是计算机的诞生和发展,涌现出很多 新的控制方式,尽管如此,控制由于它的自身的优点至今在工业生产过程中 仍得到 广泛应用。 控制有以下几个优点: 简单易行,效果良好,应用广泛。 较强的适应性,在冶金、热工、造纸等各种社会生产生活中应用广泛。 稳定时无静差,鲁棒性强,被控对象的特性变化对控制品质影响不大。 ..经典控制原理 图.给出了经典的控制原理。 经典控制的原理为:控制器的实际输出值与设定值构成偏差,将偏差的比 例、积分和微分进行线性组合构成控制量,来控制调节被控对象,称之为 沈阳航空航天大学硕士学位论文 控制器【。其控制规律如式.所示。 图. 控制原理图 . 砸卅?胁巩半 式.中:一; 其中、、分别为比例系数、积分时间和微分时间。控制器各校正环节的 作用如下: 例环节 比例环节是控制的主要环节,它主要作用是成比例地反映系统的偏差信号, 使 控制器始终向减少偏差的方向产生作用。如果比例系数增大,则使系统的反应速度 加快、控制时间减少;如果过大会使系统产生较大的超调,甚至引起系统不稳定; 若取得过小,超调量虽然有所减小,系统的调节时间和调节精度都将减弱。 积分环节 积分环节主要用来消除系统精差,增强抗干扰能力。但它也使系统的超调量加大, 响应速度变慢,产生滞后现象和振荡。积分时间常数和积分系数成反比例关系,积分 系数增大,会使系统静差减小,但会使超调量加大,容易造成振荡;积分系数减小,会 使超调量减小,系统稳定性增加,但过小又不能有效消除静差。 微分环节 微分环节主要作用是反映偏差信号的变化速率变化趋势,给系统提供一个有效 的早期修正量,改善系统的滞后现象和增强系统的动态特性,但它会使抗干扰能力减弱。 ..数字控制原理 随着计算机技术的发展,计算机的计算能力和处理能力大大增强。在控制过程中, 计算机可以灵活地调节和改变的参数值,改善控制策略,这在模拟控制中是 不 沈阳航空航天大学硕学位论文 能实现的。因此,数字控制算法得到了广泛应用和发展。常用的数字控制算 法有两种:位置式控制算法和增量式控制算法。 位置式控制算法 将式.和式.中的连续数值进行离散化处理,即用一系列的采样点来代 替连续时间,对积分和微分进行近似变换:丁?/丁?, . ?????:??其中:是采样周期,?,,,??。 将式.和.代入式.得到位置式的控制算式: ?’ “尼?,蜀尼一一 式中:一一米样序号;,,?; 一第次采样的控制器输出; 一第次采样的输入偏差; .一第.次采样的输入偏差; 一一积分系数,丁/互; 巧一一微分系数,,乃/; “尼为控制器的输出,它直接控制执行机构如阀门等,它的每一个值都对应 着执行 机构的某一个位置如阀门的开度。所以每一次产生的“尼都与过去的状态有 关,需要对 尼进行累加,运算量大;而且当控制过程中出现干扰和故障,使得“尼发生巨大变化 时,执行机构的位置也将发生很大变化,使控制出现较大的故障。 增量式控制算法 增量式控制的输出只是控制量的增量。执行机构每次执行的量也只是控 制的增量而不用每次都是执行到每一次的确切位置。由递推原理可得:沈阳航空航天大学硕士学位论文 . ?一一一 用式.减去.,可得增量式控制算法: . 尼一一】尼畅尼一一尼一 乙?尼一一 其中:一一。 由上可以看出,增量式控制只用前后三次采样测量值的偏差,即可计算出控制 量的增量,使执行机构对被控对象进行调节控制。 增量式控制算法,外界干扰对控制影响小,产生误动作或故障时也不会对控制有较 大的影响。控制输出增量只和最近次的采样值有关,计算简单,控制效果好。 但缺点是积分截断效应大,控制中会产生静态误差,如果溢出,则对控制产生较大的影 响。因此,一般来说位置式控制算法用在以晶闸管作为执行器或者要求高控制精度的系 统中,增量式控制算法一般用在以步进电机或者电动阀门等为执行器的系统中。 .积分分离控制原理 积分分离控制的思路:将积分作用灵活地应用在控制过程中,根据系统的控制偏差 的大小来决定积分作用是否引入。控制偏差大,则去掉积分作用;偏差小,则引入积分 作用。具体实现步骤如下: 根据实际情况,设定阈值占; 当时,去掉积分作用,使系统响应较快,超调量减小; 当?时,引入积分作用,保证控制精度。 积分分离控制算法可表示为: . “尼?一/ 式中,为采样时间;‖为积分作用的比例系数,当?时,‖;当 沈刚航空航天大学硕士学位论文 时,‖。图.给出了算法流程图。 图.积分分离算法流程图 .模糊控制原理 ..模糊数学基础 模糊控制是近代兴起的智能控制的一个分支,它是通过模糊规则和模糊推理来建立 模糊集合的一种控制理论‘】。模糊集合和模糊控制的概念是由美国加州大学教授等 ..在其 、 及 论著中首先提出的。模糊控制是把人的自然语言的控制策略进行计算机算法语言化,以 模糊数学和模糊语言以及模糊逻辑推理为基础的系统控制。 年,给出了模糊子集的定义:设给定的论域,到闭区问,的任 一映射心 儿:,】 沈刚航空航天大学硕士学位论文 时,‖。图.给出了算法流程图。 图.积分分离算法流程图 .模糊控制原理 ..模糊数学基础 模糊控制是近代兴起的智能控制的一个分支,它是通过模糊规则和模糊推理来建立 模糊集合的一种控制理论‘】。模糊集合和模糊控制的概念是由美国加州大学教授等 ..在其 、 及 论著中首先提出的。模糊控制是把人的自然语言的控制策略进行计算机算法 语言化,以 模糊数学和模糊语言以及模糊逻辑推理为基础的系统控制。 年,给出了模糊子集的定义:设给定的论域,到闭区问,的任 一映射心 儿:,】 沈阳航空航天大学硕士学位论文 . ‖以“ 其中,任一映射儿均为的一个模糊子集;儿和心分别为模糊子集的隶属函数 和 隶属度‘。从定义可以知道,模糊集合概念有四个重要组成部分:论域、模糊 子集、隶 属函数和隶属度。隶属函数心取值范围为,,来定义论域上的模糊子集,其 大小反映了模糊子集的隶属程度,模糊子集可以完全由隶属函数来描述。 两个非空集合与之间的直积: . ד,?,,? 二元模糊关系,用隶属度描述为: . ‰:专,】 隶属函数心“,描述了序偶“,的模糊关系的量级,也表示了甜,,的隶属程 度,当论域为个集合:,,?,的直积×%×,时,其模糊关系被称为元模糊 关系。通常一般指的是二元模糊关系。当论域、都为有限集时,模糊关系可 用 模糊矩阵,表示,用以下×,阶矩阵来表示: ? ? ?与 。 与 ? ? ? 。 ? : . ? ? ? 。 ? : ? ? ??‰ %场;%...‰ 式中,元素‰誓,,。矩阵被称为模糊矩阵,模糊矩阵元素 的值在,区间内。 隶属函数 是一条曲线,它定义论域上的每一点映射多, 内的隶属度,是对模糊概念的定量描述。从本质上说确定隶属函数的过程应 是客观的, 又带有一定的主观性。通常根据经验或统计确定,也可由专家或权威给出。 确定隶属函 数主要有主观经验法、分析推理法和调差统计法等方法。 ..模糊控制基本原理 沈阳航空航天大学硕士学位论文 图.给出了模糊控制系统基本结构。图中的和都是确定量,分别为系统 设定值和输出值。从图.中可以看出,它用模糊控制器来代替传统的数学控制器。 图.模糊控制系统结构图 从上图可以看出,模糊控制器主要有三个功能模块。 模糊化 将输入的确定量转化成模糊语言变量,叫做模糊化。 模糊推里 以输入变量和规则库为依据模糊变换出新的模糊命题的过程叫做模糊推理。模糊推 理包括模糊条件、模糊判断和模糊推理。 清晰化 将模糊推理得到的模糊输出值转化成可以直接控制被控对象的确定量的过程叫清 晰化,也叫解模糊。解模糊的方法一般有有:系数加权平均法、重心法和最大隶属度法 竺 寸。 最常用的解模糊方法是重心法,它取推理的隶属函数曲线与坐标轴所围成的面积的 重心为代表点,即: 七四 “端 .模糊控制器设计 ..模糊控制器输入输出变量 模糊控制器的输入变量可以有三个,即误差、误差的变化及误差变化的速率,其中, 误差是最主要的控制量,输出变量都会选择误差。模糊控制器的维数是以输入变量的个 沈阳航空航天大学硕士学位论文 图.给出了模糊控制系统基本结构。图中的和都是确定量,分别为系统 设定值和输出值。从图.中可以看出,它用模糊控制器来代替传统的数学控制器。 图.模糊控制系统结构图 从上图可以看出,模糊控制器主要有三个功能模块。 模糊化 将输入的确定量转化成模糊语言变量,叫做模糊化。 模糊推里 以输入变量和规则库为依据模糊变换出新的模糊命题的过程叫做模糊推理。模糊推 理包括模糊条件、模糊判断和模糊推理。 清晰化 将模糊推理得到的模糊输出值转化成可以直接控制被控对象的确定量的过程叫清 晰化,也叫解模糊。解模糊的方法一般有有:系数加权平均法、重心法和最大隶属度法 竺 寸。 最常用的解模糊方法是重心法,它取推理的隶属函数曲线与坐标轴所围成的面积的 重心为代表点,即: 七四 “端 .模糊控制器设计 ..模糊控制器输入输出变量 模糊控制器的输入变量可以有三个,即误差、误差的变化及误差变化的速率,其中, 误差是最主要的控制量,输出变量都会选择误差。模糊控制器的维数是以输入变量的个 沈刚航空航天大学硕士学位论文 数来划分的。当只有以误差作为输入变量时,则为一维模糊控制器;当将误差和误差变 化作为输入量时,则为二维模糊控制器;当以误差、误差变化和误差变化率作为输入量 时则为三维模糊控制器。图.给出了三种模糊控制器的结构。 输入 输出 输入???输出输入 输出 正 图.三种模糊控制器结构 一般来讲,模糊控制器的维数越高,控制效果越精细,但是它也将变得非常复杂, 难于实现,目前大多数情况下,人们都使用二维模糊控制器。 ..模糊控制规则设计 建立模糊控制规则需要三部分内容:变量词集、模糊子集和控制规则。 选择描述输入和输出变量词集 描述模糊控制器的变量状态,一般选用“大,中,小”三个词汇来表示。将大,中, 小和正负组合并考虑零状态,一共可有七个词汇,即负大,负中,负小,零,正小, 正中,正大,对应英文缩写为,,,,,,。 一般来说,词汇选择较多,控制也将较为精确,但将会使控制变得非常复杂;词汇 选择过少,又会使控制太过粗糙,难以满足控制效果。一般选择七个词汇即可达到满意 的控制效果,也可根据实际需要选择三个或五个语言变量。 定义模糊变量的模糊子集 确定模糊子集的隶属度函数即是定义模糊子集。隶属函数可以是连续函数的 形式又 可以是离散量化等级形式。连续隶属函数描述较准确,离散量化等级简洁直 观。工程上 常用高斯型、三角型隶属函数作为子集的隶属函数。其描述如式.所示。 ‖爿/ 高斯型 沈阳航空航天大学硕士学位论文 ?? 若以 ’。 ? / 三兰 若 ?? . 三角形 建立模糊控制器控制规则 当选取如上七个状态词汇来描述输入输出变量时,其控制规则通常如下: ; 一维模糊控制器,有条控制规则: , 二维模糊控制器,有条控制规则: , ;可以将所有控制规则组成一个控制规则表,表.是一个二维模糊控制器的控制规 则表。 表.二维模糊控制器规则表 ??懈册晰腿 聘腿雎蹦册 腿腿腿附黔册册 ?附蹦册? 附黔黔册??? 如表.所示,对于误差和误差变化的每一个输入值,都会输出一个模糊推理值。 当误差和误差变化均为负大时,这时的误差大并且还有增大的趋势,输出控制量应取正 大以控制并抑制误差的继续变大;当误差为负而误差变化为正时,应取较小的控制量以 尽快消除误差且又不超调。当误差为负中时,控制量变化选择负大以尽快消除误差。当 误差为负小、误差变化为负时,选取控制量变化为正中以抑制误差往负方向变化。误差 为正时与上述误差为负时的情况类似。 ..模糊化和解模糊化 精确量的模糊化 在模糊控制系统运行中,控制器的输入值,输出值是有确定数值的清晰量,而在模 沈阳航空航天大学硕士学位论文 糊推理过程是使用模糊语言变量,在清晰量和模糊量之间有一定的对应关 系。先把模糊 量进行离散化,如把区问.,之间连续量的变化进行模糊划分,分成如表.所示的七 个档次,在.附近为负大,用表示;在.附近为负中,用表示。 去模糊化的方法 由模糊控制规则推理得到的控制变量也是一个模糊量,需要将其转化为精确量才能 作用于被控对象。把模糊量转化为精确量的过程叫去模糊化,也叫清晰化。 表.模糊子集隶属度表 . . . . . . . . ... . . . . . . 常用的去模糊化方法有最大隶属度法和重心法。最大隶属度法就是取模糊集最大隶 属度所对应的基础变量值作为清晰值的方法,若最大隶属度所对应的基础变量值的个数 不止一个时,则取其平均值作为控制输出的清晰值,亦称为最大平均法。重心法就是将 变量轴和隶属函数曲线围成的区间面积的重心作为代表点,也是最常用的清晰化方法。 重心法的计算公式为: ?%以 . 口 “木上?一 ?鸬 其中为单点数集。对于上例中的四个单点数集,可得清晰值术为: 、 .”, “;。::兰兰?旦:兰兰?:兰兰?:竺兰三?:兰鱼?:兰:. . ...... ..确定模糊控制器参数 论域和基本论域 变量的基本论域是精确量,是模糊控制器的输入输出变量的实际范围。设误 差的基 本论域为.。,,误差变化的基本论域为.。,】,输出变量的基本论域为一,。 ,,个一 沈阳航空航天大学硕士学位论文 设误差变量、误差变化和输出控制量的模糊子集的论域分别为 ,,...,,...,一,、一,一,...,,...,一,和一,...,,...,,。 量化因子及比例因子 将计算机采样得到的精确量转化成模糊量时,模糊量的论域和输入变量的基 本论域 并不一致,因此要乘以相应的系数,我们称之为量化因子,如式.所示。经模糊 推理得到的输出控制量也需经过清晰化才能直接作用于被控对象,需乘以一个系数将其 转换到输出量的基本论域,称式.为比例因子: . 。/,蜒聊/ . 。/ 确定量化因子和比例因子要综合考虑模数和数模转换的精度范围以及计算机的处 理能力。量化因子和。的选择对控制系统的动态性能影响很大,超调量和过渡时间 与成正比,和基本论域成反比;蜒增大,相当于基本论域缩小,误差变量的控制作 用将增大,过渡过程变长。同理,,较大也会使超调量会减小,但会使响应速度变慢, 可见,。对超调的遏制作用十分明显。 ..模糊控制程序设计 选取合理的采样时问是计算机控制时必须要注意的问题,在采样周期内必须完成对 控制量的运算输出。在进行采样时间的选取时,主要综合考虑以下几方面的因素:执 行机构的响应时间;算法流程需要的时间;系统的抗干扰性能;计算机计算精度。 在实际的模糊控制系统设计中,将前后两次采样的输出控制量进行比较得到误差, 而采样时问的确定是根据系统的响应时间和控制器的处理速度以及执行机构的控制来 决定的。因此,选择采样时间要综合考虑各方面因素。可以通过对不同采样时间分别进 行实验,从确定适合本系统的最佳采样时间,或者采用变采样时间的方法来满足系统 动态特性的需要,来改善控制系统的性能。 模糊控制程序的功能就是通过采样获取输入变量误差和误差变化,并对之进行模糊 化和去模糊化处理,根据系统确定的模糊规则进行模糊推理并输出控制量,使执行机构 对被控对象进行调节控制,图.给出了单变量二维模糊控制器查表算法流程图。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 控制入口、 \ / ? 取当前采样值 上 ?《.. 上 和?模糊化 上 查表,模糊推理 上 解模糊运算 上 控制输出 上 被控过程对象 ? 返回 、 \ / 图.模糊控制算法流程图 .本章小结 本章详细介绍了传统控制器的工作原理和特点,分析了其算法和存在的优缺 点 和改进方法;对积分分离控制算法原理进行了介绍;对模糊控制理论和模糊 控制的 原理进行了详细的介绍和分析,详细叙述了模糊控制器的设计方法和步骤。本章理论是 进行智能控制器设计和仿真实验的理论基础和依据。 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第章变论域模糊控制算法设计与仿真 模糊自适应控制 在工业生产过程中,被控对象的应用环境经常比较复杂,干扰因素和不确定性因素 非常多,存在时变性和非线性等特点,被控对象的数学模型也很难建立,分析与控制这 类对象用现代控制理论较为困难。传统的一些控制方法如控制等虽具有算法简单、 可靠性高、稳态误差小等优点,但由于环境的复杂性和时变性使得参数的整定比较 困难,从而导致控制效果不够理想。近年来发展起来的新型控制器模糊控制器不需要掌 握受控对象的精确数学模型,根据操作经验和专家知识来形成决策规则产生输出控制 量,可以完成传统方法难以解决的智能化控制目标,手段灵活、简便。为了达到更好的 控制效果,可以将模糊控制和控制进行结合,使其既具有模糊控制灵活和适应性强 的优点,又具有控制精度高的特点。这种.型控制器适应能力强,在复杂 的工业环境下响应快,抗干扰能力强;在稳定时,误差小并且鲁棒性好,对复杂控制系 统和高精度伺服系统都具有良好的控制效果。 ..模糊自适应控制基本原理 模糊自整定控制器就是对求得的误差和误差变化应用模糊数学的方法进行模 糊处理,并根据规则条件进行模糊推理以及模糊输出,经过解模糊过程来实现对参 数的在线调整,以达到最佳调节。图.给出了基本的工作原理。 图.模糊自适应控制工作原理 模糊控制器是将对误差和误差变化率的模糊推理与算法进行结合, 沈阳航空航天大学硕士学位论文 第章变论域模糊控制算法设计与仿真 模糊自适应控制 在工业生产过程中,被控对象的应用环境经常比较复杂,干扰因素和不确定性因素 非常多,存在时变性和非线性等特点,被控对象的数学模型也很难建立,分析与控制这 类对象用现代控制理论较为困难。传统的一些控制方法如控制等虽具有算法简单、 可靠性高、稳态误差小等优点,但由于环境的复杂性和时变性使得参数的整 定比较 困难,从而导致控制效果不够理想。近年来发展起来的新型控制器模糊控制器不需要掌 握受控对象的精确数学模型,根据操作经验和专家知识来形成决策规则产生输出控制 量,可以完成传统方法难以解决的智能化控制目标,手段灵活、简便。为了达到更好的 控制效果,可以将模糊控制和控制进行结合,使其既具有模糊控制灵活和适应性强 的优点,又具有控制精度高的特点。这种.型控制器适应能力强,在复杂 的工业环境下响应快,抗干扰能力强;在稳定时,误差小并且鲁棒性好,对复杂控制系 统和高精度伺服系统都具有良好的控制效果。 ..模糊自适应控制基本原理 模糊自整定控制器就是对求得的误差和误差变化应用模糊数学的方法进行模 糊处理,并根据规则条件进行模糊推理以及模糊输出,经过解模糊过程来实现对参 数的在线调整,以达到最佳调节。图.给出了基本的工作原理。 图.模糊自适应控制工作原理 模糊控制器是将对误差和误差变化率的模糊推理与算法进行结合, 沈阳航空航天大学硕士学位论文 将判断语句条件结果组成知识库,用以模糊查询使用。在某一时刻采样 得到的输出值和期望值进行比较和经过模糊后得到变量和,经过模糊查询和 推理 不断得到参数的调节值,直到输出值与期望值相符合为止。 ..输入输出量模糊化 确定输入输出量 本课题设计的模糊控制器有两个输入量和三个输出量,如图.所示。其中输 入变量为误差和误差变化率,输出量为的三个参数的修正值?尼。、?砖、。 确定语言变量 根据本课题需求,模糊控制器有五个语言变量需要确定。其中,语言变量和 分别代表误差和误差变化率,它们的论域分别为,与一,;语言变量?尼。、 、?%分别代表三个参数晦、、的调整量,根据实际调试试验情况,其论 域分别为一.,.、..,.、,。这里,模糊变量、、、和?%在 论域内的模糊集均取为个,即正大、正中、正小、零、负小、 负中、负大。 选取隶属度函数 在确定了模糊变量与各变量的论域之后,需要确定各模糊语言变量的隶属度 函数。 本课题中的语言变量选择型,选择型,其他语言值的隶属度函数均选 用三角型,图.给出了输入语言变量和的隶属函数曲线。 图.给出了输出变量、?砖、战的隶属函数曲线。 ..模糊控制规则建立 模糊控制是根据系统运行中不断检测的和,及其三个参数之问的模 糊关系,通过模糊规则进行模糊推理,来实现对三个参数的实时在线调整,满足实际控 制的需要,使控制过程具有良好的动、静态性能。 的参数整定需要从控制系统的控制精度、响应速度、稳定性和超调量等方面进 行考虑,三个参数、、对系统控制品质的影响归纳如下: 比例系数沈阳航空航天大学硕士学位论文 刨 理 描 图.输入变量和隶属函数曲线 增大比例系数。对提高响应速度和减小稳态误差有着显著的作用,但也会使超调量 增大,导致系统稳定性下降;减小则会影响调节精度和降低响应速度、延长调节时间。 因此,当误差较大时,为了提高系统响应速度应较大;当误差较小系统接近稳态域时, 为防止超调量的产生,选择适当值。 积分系数 积分调节的主要作用是消除稳态误差。增大比例系数对消除系统稳态误差有着显 著的作用,但可能会产生饱和现象,使超调量较大;减小则会影响系统静差和 调节精 度。因此,的取值可以根据误差的情况实行变积分调节,以满足不同误差情况 下对积 分的要求。 微分用系数 微分系数的选取对系统的动态特性有较大影响。微分环节可以提