CN106873361A - 一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法 - Google Patents

一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法 Download PDF

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汤庚
王宝新
景月
申春艳
张翔
王惠
张景峰
韩冬
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/0265—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion
    • G05B13/0275—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric the criterion being a learning criterion using fuzzy logic only

Abstract

本发明公开了一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备，同时采用脉宽调制控制技术(PWM)，在燃油脱水脱氧设备操作过程中，对多传感器输出信号进行检测，实现对进气流量、进油流量的有效调节，保证气与油混合比例为固定值，使气与油混合比例处于受控状态。技术方案包括：对传感器信号进行检测，设计双闭环PID控制器，并通过脉宽调制控制技术对驱动信号进行控制。本发明能够对燃油脱水脱氧设备中各个功率器件进行控制，控制器具有较好的跟踪效果、控制器参数可以在线整定，提高了控制系统的鲁棒性及控制精度。

Description

一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法，在导弹加注燃油过程中，在线脱除燃油中的水和氧。
背景技术
巡航导弹的续航能力是评价其战斗性能的重要指标，续航所需的动力来源多为采用燃气轮发动机，通过燃油与气流掺混后排出的燃气共同产生出推力。其所用燃油大都选用航空煤油。
巡航导弹所使用的航空煤油都是要提前加注好，并且在加油后，需要保证储备弹要储存10年以上。而现有化工生产厂制备的燃油，在生产制备、包装、转运等环节中混入一定量的氧气和水汽，氧气和水汽长期在燃油中会使燃油发生乳化、酸化等一系列的化学反应，致使长期储存后的燃油不能满足发动机的燃烧特性，影响导弹的战斗性能。使得导弹的储存期大大缩短，极大的影响了部队的战备，而且大大增加了不必要的装备采购费用。
所以，采用燃油脱水脱氧设备脱除航空煤油中的水和氧气，经脱水脱氧处理后的航空煤油直接加注到导弹油箱中密封保存，可提高航空煤油的长期储存性能，延长导弹的储存期，降低燃油保障难度。
常用的燃油脱水脱氧方法是将燃油与干燥氮气在静态管道混合器中强制混合，使得氮气溶解于燃油中并置换其中的溶解水和溶解氧。氮气与燃油在静态管道混合器中混合的比例决定氮气置换溶解水与溶解氧的效果，而设备的管道变径、管路内部流阻的分散性造成进气流量、进油流量难以调节，气与油混合比例很难固定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了提高燃油脱水脱氧设备工作过程中的自适应能力，有效降低燃油中的水含量。在燃油脱水脱氧设备操作过程中，对多传感器输出信号进行检测，并采用双闭环PID控制方法对设备进行控制，实现对进气流量、进油流量的有效调节，保证气与油混合比例为固定值，补偿机械分散性带来的控制误差。
本发明的技术方案如下：
步骤1、对装置上电，并进行上电自检；
步骤2、在人机交互界面输入预设的进气流量值与油气比值；
步骤3、气体流量检测电路对进气流量进行检测，并将进气流量信号发送至DSP处理器中，DSP处理器对进气流量信号进行判断；
步骤4、液体流量检测电路对进油流量进行检测，并将液体流量信号发送至DSP处理器中，DSP处理器对进油流量信号进行判断；
步骤5、进气流量与预设的进气流量值进行比较，若实际的进气流量值未达到进气流量的预设值，则计算两者的比较差值；
步骤6、采用自适应PID控制算法对步骤5中的比较差值进行计算，获得PWM信号占空比，DSP处理器将产生的PWM信号送至驱动单元；
步骤7、驱动单元发送PWM信号控制整流桥中IGBT的导通，从而控制电动球阀的开距，调整进气流量；
步骤8、采用PI控制算法对步骤7中得到的进气流量进行结算，获得进油流量的输入值；
步骤9、实际检测的进油流量与进油流量输入值进行比较，计算两者的比较差值；
步骤10、采用自适应PID控制算法对步骤9中的比较差值进行计算，获得PWM信号占空比，DSP处理器将产生的PWM信号送至驱动单元；
步骤11、驱动单元发送PWM信号控制三相逆变电路中IGBT的导通，从而控制进油泵电机的转速，调整进油流量。
本发明的优点如下：
本发明基于自适应控制方法，设计双闭环PID控制器，同时采用脉宽调制控制技术(PWM)，在燃油脱水脱氧设备操作过程中，对多传感器输出信号进行检测，实现对进气流量、进油流量的有效调节，保证气与油混合比例为固定值，使燃油脱水脱氧设备的进气流量与进油流量处于受控状态，，提高了控制系统的鲁棒性及控制精度，实现气与油混合比例误差在±0.5以内，最终保证燃油脱水脱氧设备的油气比值稳定保持为一定值。
附图说明
图1本发明的自适应控制工作流程图。
图2本发明一种实施例的进气流量曲线。
图3本发明一种实施例的进油流量曲线。
图4本发明一种实施例的气与油混合比例曲线。
具体实施方式
本发明参照附图，结合具体实施例，进行详细描述如下。
实施例
采用一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备的控制方法，方法流程图如图1所示，预设气体流量值未1200L/h，输入油气比例值为10，实施包括以下步骤：
步骤1、对装置上电，并进行上电自检；
步骤2、在人机交互界面输入预设的进气流量值与油气比值；
步骤3、气体流量检测电路对进气流量进行检测，并将进气流量信号发送至DSP处理器中，DSP处理器对进气流量信号进行判断；
步骤4、液体流量检测电路对进油流量进行检测，并将液体流量信号发送至DSP处理器中，DSP处理器对进油流量信号进行判断；
步骤5、进气流量与预设的进气流量值进行比较，若实际的进气流量值未达到进气流量的预设值，则计算两者的比较差值；
步骤6、采用PID控制算法对步骤5中的比较差值进行计算，获得PWM信号占空比，DSP处理器将产生的PWM信号送至驱动单元；
步骤7、驱动单元发送PWM信号控制整流桥中IGBT的导通，从而控制电动球阀的开距，调整进气流量；
步骤8、采用PI控制算法对步骤7中得到的进气流量进行结算，获得进油流量的输入值；
步骤9、实际检测的进油流量与进油流量输入值进行比较，计算两者的比较差值；
步骤10、采用自适应模糊PID控制算法对步骤9中的比较差值进行计算，获得PWM信号占空比，DSP处理器将产生的PWM信号送至PWM驱动器；
步骤11、PWM驱动器发送PWM信号控制三相逆变电路中IGBT的导通，从而控制进油泵电机的转速，调整进油流量。
进一步地，所述步骤6中PID控制器设计步骤如下：
采用增量式PID控制算法，以获得最佳的动态效果，PID控制器输出参数为PWM控制信号的占空比，PID控制器输入参数为气体检测电路的进气流量值，其计算公式如下：
x1(k)＝x1(k-1)+KPV[e(k)-e(k-1)]+SKIVTIe(k) (1)
式中，x1(k)为PID调节器的调节输出；eI(k)为第k次进气流量偏差；KPV为进气流量比例系数；KIV为进气流量积分系数；TI为采样周期，S为积分分离开关，当︱e(k)︱<ξ时，ξ取值为0.5，S＝1，︱e(k)︱≧ξ时，S＝0。
进一步地，所述步骤7中PWM驱动器输入参数x1(k)为电动球阀驱动电路中IGBT驱动信号占空比，输出参数y1(k)为电动球阀开距，根据所选型号电动球阀线圈电流特性及整流电路驱动特性，PWM驱动器的设计步骤如下：
y1(k)＝KA[x1(k-1)+x1(k-1)2+x1(k-1)3]+KB∫x1(k)dk+KCdx1(k)/dk+C (2)
式中，y1(k)为PWM驱动器第k次的调节输出；x1(k)为第k次PWM驱动器的输入值；KA为比例补偿系数；KB为积分补偿系数；KC为微分补偿系数，C为常数补偿。
进一步地，所述步骤8中PI调节器的输入参数y1(k)为电动球阀开距，输出参数u2(k)为进油流量输入值，根据所选型号电动球阀开距与对应流量关系及预先输入的油气比值，PI调节器的设计步骤如下：
u2(k)＝kpy1(k)+ki∫y1(k)dk (3)
式中，y1(k)为PI调节器第k次的输入值；u2(k)为第k次PI调节器第k次的输出值；kp为比例系数；ki为积分系数。
进一步地，所述步骤10中自适应模糊PID控制器的输入参数e1(k)为步骤9中实际检测的进油流量与进油流量输入值的偏差值，输出参数为PWM信号占空比，自适应模糊PID调节器的设计步骤如下：
采用最基本的控制规律，即
x2(t)＝kpe1(t)+ki∫e1(t)dt+kdde1(t)/dt (4)
其中kp、ki、kd为三个控制参数。模糊推理系统以误差e和误差变化率ev作为输入，采用模糊推理方法对PID参数kp、ki、kd进行在线整定，以满足在不同的误差e和误差变化率ev的情况下对控制器参数的不同要求。
(1)取7个语言变量：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大)，设定输入输出变量的模糊子集均为：{NB，NM，MS，ZO，PS，PM，PB)，语言变量的论域均为：{-12，-10，-8，-6，-4，-2，0，2，4，6，8，10，12}；
(2)设定隶属函数为正态型隶属函数；
(3)通过Mamdani型推理算法进行模糊决策，模糊控制规则如表1所示，最后通过中心平均法进行逆模糊化处理。
进一步地，所述步骤11中PWM驱动器输入参数x2(k)为进油泵电机驱动电路中IGBT驱动信号占空比，输出参数y2(k)为进油流量值，根据所选型号进油泵电机线圈电流特性及三相逆变电路的驱动特性，PWM驱动器的设计步骤如下：
y2(k)＝KA[x2(k)3+3x2(k)2-1.8]+KB∫x2(k)dk+KCdx2(k)2/d2k+KDdx2(k)/dk+C(5)
式中，y2(k)为PWM驱动器第k次的调节输出；x2(k)为第k次PWM驱动器的输入值；KA为比例补偿系数；KB为积分补偿系数；KC、KD为微分补偿系数，C为常数补偿。
控制检测结果：
图2、图3与图4为燃油脱水脱氧设备采用所述自适应控制方法对预设进气流量与油气混合比例跟踪控制的实验结果。图2中给出了控制系统对进气流量信号实时检测得到的进气流量曲线，图3给出了控制系统对进油流量信号实时检测得到的进油流量曲线，图4给出了油气混合比例实际值与输入值比较曲线。
从实验结果可知，燃油脱水脱氧设备在所述设计控制方法的控制下，当实际进气流量与进油流量的比值与预设油气混合比例出现偏差时，控制系统能够通过自适应控制器对系统控制参数进行调节，最终保证油其混合比例值范围为10.3至9.5。
表1

Claims (6)

1.一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、对装置上电，并进行上电自检；
步骤2、在人机交互界面输入预设的进气流量值与油气比值；
步骤3、气体流量检测电路对进气流量进行检测，并将进气流量信号发送至DSP处理器中，DSP处理器对进气流量信号进行判断；
步骤4、液体流量检测电路对进油流量进行检测，并将液体流量信号发送至DSP处理器中，DSP处理器对进油流量信号进行判断；
步骤5、进气流量与预设的进气流量值进行比较，若实际的进气流量值未达到进气流量的预设值，则计算两者的比较差值；
步骤6、采用自适应PID控制算法对步骤5中的比较差值进行计算，获得PWM信号占空比，DSP处理器将产生的PWM信号送至驱动单元；
步骤7、驱动单元发送PWM信号控制整流桥中IGBT的导通，从而控制电动球阀的开距，调整进气流量；
步骤8、采用PI控制算法对步骤7中得到的进气流量进行结算，获得进油流量的输入值；
步骤9、实际检测的进油流量与进油流量输入值进行比较，计算两者的比较差值；
步骤10、采用自适应PID控制算法对步骤9中的比较差值进行计算，获得PWM信号占空比，DSP处理器将产生的PWM信号送至驱动单元；
步骤11、驱动单元发送PWM信号控制三相逆变电路中IGBT的导通，从而控制进油泵电机的转速，调整进油流量。
2.如权利要求1所述的一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法，其特征在与：所述步骤6中PID控制器设计步骤如下：
采用增量式PID控制算法，以获得最佳的动态效果，PID控制器输出参数为PWM控制信号的占空比，PID控制器输入参数为气体检测电路的进气流量值，其计算公式如下：
x1(k)＝x1(k-1)+KPV[e(k)-e(k-1)]+SKIVTIe(k) (1)
式中，x1(k)为PID调节器的调节输出；eI(k)为第k次进气流量偏差；KPV为进气流量比例系数；KIV为进气流量积分系数；TI为采样周期，S为积分分离开关，当︱e(k)︱<ξ时，ξ取值为0.5，S＝1，︱e(k)︱≧ξ时，S＝0。
3.如权利要求1所述的一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法，其特征在与：所述步骤7中PWM驱动器输入参数x1(k)为电动球阀驱动电路中IGBT驱动信号占空比，输出参数y1(k)为电动球阀开距，根据所选型号电动球阀线圈电流特性及整流电路驱动特性，PWM驱动器的设计步骤如下：
y1(k)＝KA[x1(k-1)+x1(k-1)2+x1(k-1)3]+KB∫x1(k)dk+KCdx1(k)/dk+C (2)
式中，y1(k)为PWM驱动器第k次的调节输出；x1(k)为第k次PWM驱动器的输入值；KA为比例补偿系数；KB为积分补偿系数；KC为微分补偿系数，C为常数补偿。
4.如权利要求1所述的一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法，其特征在与：所述步骤8中PI调节器的输入参数y1(k)为电动球阀开距，输出参数u2(k)为进油流量输入值，根据所选型号电动球阀开距与对应流量关系及预先输入的油气比值，PI调节器的设计步骤如下：
u2(k)＝kpy1(k)+ki∫y1(k)dk (3)
式中，y1(k)为PI调节器第k次的输入值；u2(k)为第k次PI调节器第k次的输出值；kp为比例系数；ki为积分系数。
5.如权利要求1所述的一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法，其特征在与：所述步骤10中自适应模糊PID控制器的输入参数e1(k)为步骤9中实际检测的进油流量与进油流量输入值的偏差值，输出参数为PWM信号占空比，自适应模糊PID调节器的设计步骤如下：
采用最基本的控制规律，即
x2(t)＝kpe1(t)+ki∫e1(t)dt+kdde1(t)/dt (4)
其中kp、ki、kd为三个控制参数。模糊推理系统以误差e和误差变化率ev作为输入，采用模糊推理方法对PID参数kp、ki、kd进行在线整定，以满足在不同的误差e和误差变化率ev的情况下对控制器参数的不同要求。
(1)取7个语言变量：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大)，设定输入输出变量的模糊子集均为：{NB，NM，MS，ZO，PS，PM，PB)，语言变量的论域均为：{-12，-10，-8，-6，-4，-2，0，2，4，6，8，10，12}；
(2)设定隶属函数为正态型隶属函数；
(3)通过Mamdani型推理算法进行模糊决策，最后通过中心平均法进行逆模糊化处理。
6.如权利要求1所述的一种基于自适应控制的燃油脱水脱氧设备控制方法，其特征在与：所述步骤11中PWM驱动器输入参数x2(k)为进油泵电机驱动电路中IGBT驱动信号占空比，输出参数y2(k)为进油流量值，根据所选型号进油泵电机线圈电流特性及三相逆变电路的驱动特性，PWM驱动器的设计步骤如下：y2(k)＝KA[x2(k)3+3x2(k)2-1.8]+KB∫x2(k)dk+KCdx2(k)2/d2k+KDdx2(k)/dk+C (5)
式中，y2(k)为PWM驱动器第k次的调节输出；x2(k)为第k次PWM驱动器的输入值；KA为比例补偿系数；KB为积分补偿系数；KC、KD为微分补偿系数，C为常数补偿。
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