智能閥門(mén)定位器閥位自適應控制算法研究
智能閥門(mén)定位器是智能電氣調節閥的控制核心，其中的閥位控制算法是實(shí)現調節閥閥桿位置精確定位和閥門(mén)開(kāi)度精確調節的關(guān)鍵。傳統的五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)算法具有算法簡(jiǎn)單、響應速度快的特點(diǎn)，但是存在參數調整困難，無(wú)法適應不同閥芯、不同行程調節閥精確定位的控制要求。為此將傳統五節點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制與PID控制算法相結合，研究實(shí)現了一種閥位自適應控制算法。通過(guò)系統初始化程序實(shí)現了控制參數的初始整定并在閥位控制過(guò)程中實(shí)現了PID控制參數的自適應微調。閥門(mén)定位控制試驗結果表明：該閥位自適應控制算法實(shí)現了閥位的準確控制，閥位定位精度滿(mǎn)足±1%FS的設計要求。
智能電氣調節閥作為智能電氣執行單元，已廣泛應用于石化、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域。與傳統機械氣動(dòng)調節閥相比，智能電氣調節閥具有節能、高效、自動(dòng)化水平高、組態(tài)應用方便等突出優(yōu)點(diǎn)。智能閥門(mén)定位器是智能電氣調節閥的核心控制部件，其控制性能的優(yōu)劣決定了電氣調節閥的控制精度和調節品質(zhì)。在閥門(mén)定位控制策略中，傳統的五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制算法具有算法簡(jiǎn)單、響應速度快的特點(diǎn)，但是存在參數調整困難，無(wú)法適應不同閥芯結構、不同行程要求時(shí)電氣調節閥精確定位的控制要求。為此引入一種基于五節點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制結合自適應PID的閥門(mén)定位控制算法，試驗表明，該算法滿(mǎn)足大行程閥門(mén)定位控制要求。
1、智能閥門(mén)定位器的系統結構及工作原理
智能閥門(mén)定位器由微控制器(包括CPU、A/D、D/A轉換器)、電流檢測電路、閥位反饋電流輸出電路、控制電流輸出電路、電磁調節閥和氣動(dòng)執行機構、位置(行程)傳感器及測量電路等部分組成。智能閥門(mén)定位器的工作原理不同于過(guò)去的噴嘴擋板式定位器，給定值和實(shí)際值的比較是電信號的平衡，不再是力的平衡。用微控制器的調節控制程序取代了機械力平衡控制過(guò)程，可消除力轉換及機械傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的易受溫度、振動(dòng)干擾等問(wèn)題。智能閥門(mén)定位器的系統結構如圖1所示。
圖1 智能閥門(mén)定位器的系統結構
智能閥門(mén)定位器的主控制器(虛線(xiàn)框內)和氣動(dòng)執行器(虛線(xiàn)框外)組成一個(gè)反饋控制回路，閥門(mén)位置為被控參數，將位置傳感器獲得的閥位反饋值與通過(guò)輸入電流檢測電路得到的閥位給定值比較，則得到閥門(mén)位置偏差，然后采用閥位控制算法計算出控制電流并輸出到IP單元、電磁調節閥以及氣動(dòng)調節閥執行機構(俗稱(chēng)膜頭)來(lái)控制閥門(mén)動(dòng)作方向和開(kāi)度大小，最終使執行機構拖動(dòng)閥桿和閥芯上下運動(dòng)實(shí)現閥位控制。其中，電氣調節閥的閥位給定信號為4～20mA輸入信號，它既是閥位給定信號又是閥門(mén)定位器的外供電源。此外，閥門(mén)定位器采用兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)監視閥門(mén)是否超過(guò)位置上限和下限。
閥門(mén)定位器利用剛性非振蕩的連桿將閥門(mén)閥桿與位置(行程)傳感器連接，將電氣調節閥的實(shí)際開(kāi)度轉換成電信號，從而實(shí)現閥位參數的檢測。位置傳感器是一種裝有球軸承和耐磨電阻薄片的電位器式傳感器，特別適用于長(cháng)期連續動(dòng)作而不損壞的工業(yè)應用場(chǎng)合。
電磁調節閥由電磁線(xiàn)圈和永磁體閥芯組成，電磁調節閥根據輸入電流的方向和大小決定閥芯位置和閥門(mén)開(kāi)度，從而控制膜頭氣室的進(jìn)氣或出氣以及通氣量，該電磁調節閥為典型的兩位三通閥，其中間通氣孔與膜頭的氣室相通，其右側通氣孔與進(jìn)氣管線(xiàn)相連，其左側通氣孔與排氣管線(xiàn)相連。當電磁調節閥的閥芯處于中間位置，進(jìn)氣口和出氣口同時(shí)閉合，膜頭保壓;當電磁調節閥的閥芯處于右側位置，膜頭排氣降壓;當電磁調節閥的閥芯處于左側位置，膜頭充氣升壓;當電磁調節閥的閥芯處于其它位置，膜頭充氣調壓。該電磁調節閥具備開(kāi)、關(guān)、保壓、調節4種狀態(tài)，均由閥門(mén)定位控制器的輸出電流信號(0～2mA)控制。
采用電磁調節閥控制氣動(dòng)閥門(mén)的優(yōu)點(diǎn)是電磁調節閥動(dòng)作速度快，所需電流非常小，使得閥門(mén)定位器具有低功耗的特點(diǎn)。因此，該定位器采用二線(xiàn)制4～20mA電流供電方式即可，無(wú)需增加輔助電源，其防爆等級為本安防爆，可用于防爆工業(yè)現場(chǎng)。電磁調節閥的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量很小，既使受到很大振動(dòng)，也可正常工作。在閥門(mén)開(kāi)度設定值穩定狀態(tài)下，采用電磁調節閥和智能閥門(mén)定位器的電氣調節閥操作的耗氣量很小，僅是噴嘴擋板式氣動(dòng)閥門(mén)耗氣量的2%，顯著(zhù)節約了能耗。
2、基于五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)和自適應PID的閥門(mén)定位控制算法設計與實(shí)現
五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)結合自適應PID的閥門(mén)定位控制算法原理簡(jiǎn)單，控制特性較好，實(shí)現也不復雜，適于采用低檔微控制器的低端應用系統。其控制動(dòng)作過(guò)程和控制策略如下：
(1)首先采集給定的閥位設定值W，該設定值經(jīng)A/D轉換后被微控制器采集;
(2)微控制器根據用戶(hù)設定的控制方式以及在自整定過(guò)程中得到的參數對閥位設定值W進(jìn)行轉換處理，如正反作用轉換、分程控制轉換和流量特性轉換等;
(3)當前閥位信號Y經(jīng)連桿機構反饋、電位器式傳感器檢測和A/D轉換為數字信號后送給微控制器;
(4)在微控制器中，將當前閥位信號Y經(jīng)濾波、標度變換和非線(xiàn)性修正后，與設定值W進(jìn)行比較，得到誤差信號E;
(5)根據誤差信號E的正負決定動(dòng)作方向，即決定是進(jìn)氣還是排氣，而根據E的絕對值的大小決定動(dòng)作類(lèi)型和控制策略：在偏差E較大的區域，微控制器發(fā)出較大的連續信號，使IP單元中電磁調節閥持續開(kāi)通，閥位快速改變(高速區);在偏差E較低的區域，微控制器采用參數自適應PID控制策略而發(fā)出脈沖信號，使電磁調節閥斷續開(kāi)通，緩慢改變閥位(短步區);在偏差E低于設定的死區大小時(shí)，不輸出信號，閥門(mén)位置保持不變。
在上述控制策略中，PID參數首先在系統初始化程序中進(jìn)行初始整定，然后在閥門(mén)定位控制過(guò)程中根據誤差信號大小及其變化速率進(jìn)行自適應微調，PID參數經(jīng)自適應調整后再次投入運行。
3、閥位控制試驗結果
系統采用Cygnal高檔8位微控制器C8051F021作為控制核心，其最高運算速度可達5MIPS，運算速度能夠滿(mǎn)足自適應閥門(mén)定位控制算法的運算需求。對于具有不同閥芯填料和不同摩擦特性的氣動(dòng)調節閥，采用五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)結合自適應PID的控制算法對閥門(mén)位置進(jìn)行定位控制試驗。試驗中分別設定閥門(mén)開(kāi)度為0%、20%、40%、60%、80%、100%，同時(shí)采用百分表測量并記錄調節閥閥桿的實(shí)際位置即閥門(mén)的實(shí)際位置。由于調節閥的最大行程為13.4mm，因此，上述閥門(mén)位置設定值分別對應閥門(mén)實(shí)際位置為0mm、2.68mm、5.36mm、8.04mm、10.72mm、13.4mm.如表1所示為針對13.4mm行程、閥芯采用最大摩擦填料時(shí)的沿正反行程兩個(gè)方向的閥門(mén)定位控制試驗結果，從表中可見(jiàn)，對于每個(gè)設定閥位以及閥桿實(shí)際位置，閥門(mén)定位控制靜態(tài)誤差均在±1%FS以?xún)�，滿(mǎn)足閥門(mén)定位器自適應控制系統的設計要求。
表1 沿正反行程兩個(gè)方向的閥門(mén)定位控制試驗結果
4、結束語(yǔ)
采用五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)結合參數自適應PID的閥門(mén)定位控制算法實(shí)現了閥門(mén)位置的準確控制，無(wú)需頻繁且不定期地對閥門(mén)定位器控制參數進(jìn)行人工調整和調校，實(shí)現了算法中控制參數的實(shí)時(shí)在線(xiàn)自適應調整，顯著(zhù)提高了閥門(mén)定位控制系統的定位精度和魯棒性。
