基于PID模糊控制的电流体雾化智能自稳控制方法

本发明属于电流体雾化技术与智能控制算法交叉领域，更具体地，涉及一种基于状态反馈模糊pid控制的电流体雾化工艺模式稳定控制方法。

背景技术：

1、电流体雾化技术利用外加电场作用改变液体界面受力状态，使液体形成稳定射流并进一步破碎形成微纳尺度液滴，电流体雾化技术的工艺模式是决定雾化产物性能的核心因素，不同的工艺模式（锥射流、微滴、脉冲射流等）对应不同的雾化产物粒径、分布均匀性及飞行特性，其中，锥射流模式作为电流体雾化过程中的典型稳定工作模式，其稳定保持有利于获得粒径分布较窄、单分散性较好的微纳液滴，因此工艺模式的稳定保持对于提高雾化产物质量具有重要意义。实际电流体雾化过程是一个由电场作用、流体输运、界面演化以及环境因素共同影响的多参数耦合、强非线性、动态变化的复杂系统。在雾化过程中，雾化电压、介质流速以及环境温湿度等工艺参数的微小波动均可能引起系统状态偏移，使雾化过程偏离预设稳定工作状态，进一步导致喷射模式失稳或发生模式转换。上述状态变化会造成雾化液滴尺寸分布不均、产物一致性降低，严重情况下甚至引发雾化过程异常中断，从而限制了电流体雾化工艺的连续稳定运行能力，并降低整体生产效率，雾化电场电压、雾化介质流速、环境温湿度等工艺参数的微小扰动，均会导致雾化工艺模式偏离预设的标准状态，出现模式失稳甚至模式切换，造成雾化产物粒径分布不均、一致性差，严重时会导致雾化过程中断，影响整个工艺的稳定性与生产效率。

2、目前，电流体雾化工艺模式的控制方法主要以传统pid控制与人工手动调节为主：传统pid控制通常基于固定参数设计，在系统动态特性变化较小的情况下能够实现较好的控制效果，但面对电流体雾化过程中存在的强非线性、多变量耦合以及时变扰动等复杂特性时，其固定参数难以持续满足不同运行状态下的控制需求；人工手动调节依赖操作人员的工程经验，主观性强、调节滞后大，无法实时响应工艺参数的动态扰动，且难以实现多参数的协同调节，控制精度低。

3、模糊控制作为一种非线性智能控制算法，无需建立精确的数学模型，能够根据工程经验制定控制规则，实现对复杂非线性系统的自适应调节，但单独采用模糊控制时，由于控制规则和推理机制存在一定模糊性，容易产生稳态误差较大、控制精度不足等问题。

4、因此，针对电流体雾化过程中工艺模式受多因素扰动易失稳的问题，亟需提出一种能够结合模糊控制自适应调节能力和pid控制精确调节能力的智能控制方法，实现雾化工艺模式状态的实时感知、动态调节以及稳定保持，提高电流体雾化过程的稳定性和产物一致性。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供一种基于状态反馈模糊pid控制的电流体雾化工艺模式稳定控制方法，其核心目的在于建立实际运行状态与目标工艺状态之间的偏差关系，并利用模糊控制规则对pid控制参数进行在线调整，使控制器能够根据雾化状态变化动态优化控制输出，从而降低工艺参数扰动导致的模式偏移，提高电流体雾化过程的稳定性，实现锥射流、微滴、脉冲射流等多种工艺模式的实时、自适应、高精度自稳控制，提升雾化过程的稳定性与雾化产物的一致性。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于pid模糊控制的电流体雾化工艺模式智能自稳控制方法，包括：

3、s1、实时采集雾化工艺参数与雾化雾化射流形态特征数据，确定雾化工艺模式的实际运行状态；

4、s2、对比实际运行状态与标准状态，计算归一化后的综合状态偏差及偏差变化率，作为pid模糊控制输入；

5、s3、通过pid模糊控制规则库完成模糊化、模糊推理与解模糊化，动态整定pid控制器的、、参数；

6、s4、利用参数自整定的pid控制器对雾化核心调控参数进行实时闭环调节；

7、s5、循环执行上述步骤，直至实际状态回归标准状态，实现工艺模式的智能自稳控制。

8、进一步，本发明还构建了适配不同雾化工艺模式的pid模糊控制规则子集，制定了工艺模式切换的平滑自稳控制策略，实现了多模式的自适应切换与稳定控制，提升了方法的通用性与适配性。

9、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

10、1、 本发明将模糊控制与pid控制相结合，通过模糊控制器根据雾化状态偏差及偏差变化趋势动态调整pid控制参数，实现pid参数在线自整定，克服传统pid控制参数固定导致的动态适应能力不足问题，提高了复杂扰动条件下的控制响应能力；

11、2、 本发明同时采集雾化工艺参数与雾化物象特征数据，从过程变量和状态表现两个维度表征雾化工艺模式的运行状态，避免了单一参数监测的片面性，使状态识别更全面、准确，为精准控制提供了可靠依据；

12、3、 本发明采用加权融合法计算综合偏差与偏差变化率，权重系数可根据不同工艺模式的调控重点动态调整，实现了多维度状态偏差的协同调控，同时制定了适配锥射流、微滴、脉冲射流等多种工艺模式的控制规则子集，提升了方法的通用性与适配性；

13、4、 本发明设计了工艺模式切换的自稳控制策略，实现了不同雾化工艺模式之间的平滑切换，切换过程中超调量小、稳定时间短，解决了模式切换过程中的失稳问题，满足了多模式雾化工艺的控制需求；

14、5、 本发明采用增量式pid控制算法进行核心调控参数的闭环调节，控制精度高、稳态误差小，能够快速补偿工艺参数扰动，使雾化工艺模式快速回归标准状态，有效提升了雾化过程的稳定性与雾化产物的一致性，降低了产物缺陷率。

15、6、 本发明的附加特征和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。本发明的目的和其他优点可通过所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

1.一种基于pid模糊控制的电流体雾化工艺模式智能自稳控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于pid模糊控制的电流体雾化工艺模式智能自稳控制方法，其特征在于，步骤1中所述雾化工艺参数包括雾化电场电压、雾化介质流速、喷头-基板间距、环境温湿度，采用高精度传感器进行实时采集，采集频率为50～200hz；所述雾化物象特征数据包括雾锥顶角、雾锥长度、射流直径、液滴粒径分布，通过机器视觉检测系统实时提取，提取延时≤80ms；所述基于所述数据确定雾化工艺模式的实际运行状态，具体为：将采集的工艺参数与提取的物象特征数据输入预先训练的工艺模式状态识别模型，输出实际运行状态的量化表征值，量化范围为[0,1]，表征值越接近1，表明实际状态与标准状态的匹配度越高。

3.根据权利要求1所述的基于pid模糊控制的电流体雾化工艺模式智能自稳控制方法，其特征在于，步骤2中所述计算工艺参数维度与物象特征维度的状态偏差e及偏差变化率ec，具体为：

4.根据权利要求1所述的基于pid模糊控制的电流体雾化工艺模式智能自稳控制方法，其特征在于，步骤s3中所述pid模糊控制规则库的构建方式为：（1）模糊化：将综合偏差e、综合偏差变化率ec及pid参数修正量、、划分为7个模糊子集：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，记为{nb,nm,ns,z,ps,pm,pb}，确定各模糊子集的隶属度函数，采用预设隶属度函数实现精确量到模糊量的转换；（2）规则制定：基于电流体雾化工艺的调控特性与工程经验，制定e、ec与、、之间的模糊控制规则，建立覆盖状态偏差和偏差变化率不同组合情况的模糊控制规则，覆盖偏差与偏差变化率的全区间；（3）解模糊化：采用重心法将模糊推理得到的模糊控制量转换为精确的pid参数修正量，实现模糊量到精确量的还原。

5.根据权利要求4所述的基于pid模糊控制的电流体雾化工艺模式智能自稳控制方法，其特征在于，所述pid控制器的参数自整定公式为：；；其中，、、为对应标准工艺模式的pid初始参数，根据目标雾化模式的响应特性确定，、、为pid模糊控制规则库输出的参数修正量。

6.根据权利要求1所述的基于pid模糊控制的电流体雾化工艺模式智能自稳控制方法，其特征在于，步骤s4中所述雾化的核心调控参数为雾化电场电压、雾化介质流速以及喷头-基板间距；所述pid控制器采用增量式pid控制算法；

7.根据权利要求1所述的基于pid模糊控制的电流体雾化工艺模式智能自稳控制方法，其特征在于，所述方法还包括工艺模式切换的自稳控制策略：当检测到雾化工艺需要从当前模式切换至目标模式时，先调取目标模式的标准状态参数、pid初始参数及对应的pid模糊控制规则子集，再通过pid模糊控制实现从当前模式到目标模式的平滑切换，切换过程中状态偏差超调量≤15%，切换稳定时间≤3s。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于pid模糊控制的电流体雾化工艺模式智能自稳控制方法，其特征在于，还包括对应的自稳控制系统，所述系统包括：