智能閥門(mén)定位器控制算法的改進(jìn)

　　國內諸多閥門(mén)定位器產(chǎn)品使用五步開(kāi)關(guān)控制算法，但在低閥位控制時(shí)振蕩次數多，高閥位控制時(shí)調整時(shí)間長(cháng)，因而對五步開(kāi)關(guān)控制算法進(jìn)行改進(jìn)。將改進(jìn)后算法的控制效果與五步開(kāi)關(guān)控制算法控制效果進(jìn)行對比，算法改進(jìn)后調整時(shí)間減小1.6s，超調量減小12.8%，實(shí)現了更快速準確的閥門(mén)定位。

　　智能閥門(mén)定位器作為氣動(dòng)調節閥的主要附件之一，可以改善閥門(mén)的特性，提高控制的精度、速度和增加控制的靈活性。智能閥門(mén)定位器具有控制精度高、可靠性好、流量特性易修改及具有診斷和檢測功能等優(yōu)點(diǎn)，在石油、化工、電力及冶金等工業(yè)企業(yè)的流量控制中發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。

　　我國在智能閥門(mén)定位器的研究過(guò)程中，取得了一些成果�？刂扑惴ㄊ侵悄荛y門(mén)定位系統的核心，算法的優(yōu)劣將直接影響閥的定位精度和定位速度。在國內的很多閥門(mén)定位器產(chǎn)品中，控制算法采用五步開(kāi)關(guān)控制算法。筆者針對閥門(mén)定位器五步開(kāi)關(guān)控制算法的研究和改進(jìn)，旨在實(shí)現更好的控制效果。

1、智能閥門(mén)定位器控制系統

　　1.1、智能閥門(mén)定位器工作原理

　　定位器的工作原理如圖1所示。定位器接收4～20mA的標準電流信號，轉換為閥位設定值，執行機構的直線(xiàn)或轉角實(shí)際位移通過(guò)連接裝置轉換為角度位移，并由位置傳感器測得，反饋至微處理器，微處理器將實(shí)際閥位反饋值和設定值進(jìn)行比較，檢測到偏差后，根據偏差大小和方向輸出脈寬調制指令到壓電閥，壓電閥按控制指令調節膜頭進(jìn)氣量和排氣量。

圖1 智能閥門(mén)定位器控制系統框圖

1.2、壓電閥工作原理

　　壓電閥是控制主板的直接控制對象，其性能參數如下：

　　工作電壓 24VDC；工作電流 小于10μA；維持電流 0μA；響應時(shí)間 小于20ms；電容 小于100nF；工作氣壓 12～800kPa；流量 130L/min；工作溫度 -30～+60℃。

　　壓電閥模塊采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)式壓電閥(PV1和PV2)和兩個(gè)單向閥構成控制氣路。主控制器通過(guò)控制算法，輸出PWM控制壓電閥的動(dòng)作，從而實(shí)現調節閥的進(jìn)氣、排氣與保持狀態(tài)。進(jìn)氣、排氣與保持狀態(tài)對應壓電閥的狀態(tài)見(jiàn)表1。

表1 壓電閥得失電控制狀態(tài)

2、控制算法

2.1、五步開(kāi)關(guān)控制算法

　　五步開(kāi)關(guān)控制算法，即Bang-Bang控制和正向PWM相切換的方法，根據閥位設定信號與閥位反饋信號之間的偏差大小，采用相應的PWM信號控制壓電閥，從而實(shí)現排氣、進(jìn)氣和保持狀態(tài)。當閥位偏差較大時(shí)，壓電閥全開(kāi)，調節閥全速進(jìn)氣，閥位迅速到達設定位置，實(shí)現粗調;當閥位接近設定位置時(shí)，在一定范圍內按設定的周期和占空比，輸出PWM控制信號，進(jìn)行微調;為避免調節閥在設定位置附近頻繁的振蕩，設定死區范圍ε，當偏差位于死區范圍內時(shí)，關(guān)閉壓電閥，使閥位保持當前位置。

　　PWM控制信號和閥位偏差之間的關(guān)系為：

　　五步開(kāi)關(guān)控制算法流程如圖2所示。

圖2 五步開(kāi)關(guān)控制算法流程

　　2.2、改進(jìn)的五步開(kāi)關(guān)控制算法

　　理想情況下，開(kāi)關(guān)閥的等效開(kāi)口截面積與占空比之間的關(guān)系是線(xiàn)性的，但由于壓電閥的滯后性和閥芯慣性，高電平持續40ms以上才能保證閥芯開(kāi)啟，低電平持續10ms以上才能保證閥芯關(guān)閉。占空比修正公式為：

　　式中da———修正輸出占空比;ds———期望輸出占空比;dmin———壓電閥動(dòng)作的最小占空比;dmax———壓電閥動(dòng)作最大占空比。

　　根據氣動(dòng)薄膜調節閥調節效果的特點(diǎn)，高閥位時(shí)，氣室和氣源壓差變小，相對于低閥位而言，在相同的充氣脈沖時(shí)間內充入的氣體更少。為改善高閥位時(shí)響應速度，使PWM的占空比隨閥位的升高而加大。在五步開(kāi)關(guān)算法占空比的基礎上，添加隨閥位反饋線(xiàn)性變化的占空比，改進(jìn)后的五步開(kāi)關(guān)算法占空比的計算公式為：

d*=da+KdPV (3)

3、實(shí)驗效果對比

　　國內樂(lè )清市自動(dòng)化儀表九廠(chǎng)生產(chǎn)的智能閥門(mén)定位器SEPP4000采用五步開(kāi)關(guān)控制算法，當設定值由10%變化至90%時(shí)，閥位反饋電位器輸出對應的電壓范圍是788～632mV;當設定值由90%變化至10%時(shí)，閥位反饋電位器輸出對應的電壓范圍是632～784mV。

　　進(jìn)行空載下閉環(huán)控制試驗，將改進(jìn)后的五步開(kāi)關(guān)控制算法的控制效果與標準五步開(kāi)關(guān)控制算法的控制效果進(jìn)行對比。閥位反饋信號響應曲線(xiàn)如圖3～6所示。

圖3 標準五步算法進(jìn)氣狀態(tài)下響應曲線(xiàn)

圖4 改進(jìn)五步算法進(jìn)氣狀態(tài)下響應曲線(xiàn)

圖5 標準五步算法排氣狀態(tài)下響應曲線(xiàn)

圖6 改進(jìn)五步算法排氣狀態(tài)下響應曲線(xiàn)

　　調整時(shí)間與超調量的比較見(jiàn)表2。

表2 控制效果比較

　　通過(guò)比較發(fā)現，改進(jìn)后的五步開(kāi)關(guān)控制算法調整時(shí)間更短，在高閥位時(shí)表現更為明顯。

4、結束語(yǔ)

　　根據氣動(dòng)薄膜調節閥的特點(diǎn)，低閥位時(shí)，氣室進(jìn)氣少，氣壓小，由于氣體的可壓縮性，調整時(shí)間短但更容易出現超調現象;高閥位時(shí)，調整時(shí)間長(cháng)，氣室進(jìn)氣多，氣壓相對穩定。筆者通過(guò)五步開(kāi)關(guān)控制算法的改進(jìn)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗效果對比，有效縮短了調整時(shí)間，減小了超調量，控制效果更理想。對PWM占空比的修正，是解決氣動(dòng)薄膜調節閥高低閥位控制效果缺點(diǎn)的有效方法，可作為智能閥門(mén)定位器控制算法研究之借鑒。