壓電式閥門(mén)定位器參數尋優(yōu)自整定方法
壓電式閥門(mén)定位器執行機構種類(lèi)繁多，其控制參數存在較大差異。傳統的參數自整定方法沒(méi)有整定出能夠反映執行機構本質(zhì)特性的重要參數。我們提出的參數自整定方法，通過(guò)對執行機構做開(kāi)環(huán)測試，整定出閥位最大運行速度，最大過(guò)沖量;采用逐次逼近和分段查找的方法，快速整定出目標位置的最佳PWM占空比;使用分段線(xiàn)性化的方法，獲得任意位置的最佳PWM占空比。在基于MSP430F5418單片機的硬件系統上實(shí)時(shí)實(shí)現了參數自整定和控制，針對不同的氣動(dòng)調節閥進(jìn)行了實(shí)驗，使得PWM個(gè)數減少到10個(gè)以?xún)�，調節時(shí)間小于1s，無(wú)超調。
1、引言
閥門(mén)定位器作為氣動(dòng)調節閥的核心部件，通過(guò)接受給定信號和閥位反饋信號，利用合適的控制策略實(shí)現執行機構的精確定位。閥門(mén)定位器的工作過(guò)程主要分為參數自整定和閉環(huán)控制兩部分，閉環(huán)控制算法根據參數自整定的結果來(lái)完成控制過(guò)程，使閥位按照預期的設定，快速地進(jìn)入目標位置。
閉環(huán)控制中所使用的控制算法是閥門(mén)定位器的核心，不同的公司對于不同類(lèi)型的閥門(mén)定位器，根據其主要特性選擇不同的控制算法。在國外，德國西門(mén)子公司壓電式SIPARTPS2系列采用的是五步開(kāi)關(guān)法作為主控制算法;日本山武公司噴嘴擋板式SVP3000系列采用的是微分先行的PID算法。
在國內，重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司壓電式HVP系列采用的是五步開(kāi)關(guān)法;天津大學(xué)研制了五步開(kāi)關(guān)模糊控制算法;杭州電子科技大學(xué)SEVP型采用在線(xiàn)辨識和人工智能的方法;合肥工業(yè)大學(xué)和重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司針對傳統的五步開(kāi)關(guān)法用于壓電開(kāi)關(guān)式閥門(mén)定位器控制時(shí)，由于執行機構速度過(guò)大，經(jīng)常出現超調和振蕩的情況，提出了帶反向PWM的五步開(kāi)關(guān)法。
在閥門(mén)定位器的控制中，選擇了相應的控制策略以后，就需要針對控制算法以及相應的閥門(mén)類(lèi)型提出最優(yōu)的參數自整定方法，通過(guò)該參數自整定算法能夠準確并完整地整定出能夠反映閥門(mén)特性的以及控制算法中的控制參數，從而保證控制算法的控制精度和良好的適應性。由于氣動(dòng)調節閥的執行機構種類(lèi)繁多，其靜、動(dòng)態(tài)特性一致性較差，在控制過(guò)程中，工作載荷和氣室的氣壓均是變化的，其被控參數是時(shí)變、非線(xiàn)性及不確定的，精確的數學(xué)模型難以建立，這就造成了控制參數的不確定，靠單純的經(jīng)驗所給出的控制參數不具有普遍適用性，且調整過(guò)程繁瑣。因此，對閥門(mén)定位器進(jìn)行參數自整定是閉環(huán)控制之前的首要任務(wù)。參數自整定的優(yōu)劣直接影響到系統的最終控制效果。西門(mén)子公司通過(guò)對泄漏量和最小定位增量的測試，獲得了較好的控制效果;天津大學(xué)在自整定過(guò)程中采用分段線(xiàn)性化的方法進(jìn)行最小定位增量的測試，獲得合理的控制參數。本文針對帶反向PWM的五步開(kāi)關(guān)法，提出相應的參數自整定方法，在閥門(mén)的自整定過(guò)程中，自動(dòng)辨識出最大速度、最大過(guò)沖量和任意位置的最佳占空比，有效地確保帶反向PWM五步開(kāi)關(guān)法的控制效果。
2、帶反向PWM的五步開(kāi)關(guān)控制算法
傳統的五步開(kāi)關(guān)法采取的是Bang-Bang(以下簡(jiǎn)稱(chēng)B-B)控制和正向PWM相切換的方法，B-B控制是指在閥位距離目標位置較遠時(shí)，將進(jìn)氣口(或排氣口)全開(kāi)，對閥位進(jìn)行全速調節;正向PWM控制是指當閥位靠近目標位置，在一定范圍內按照設定的周期和占空比，輸出PWM波，然后再通過(guò)判斷該電平，若是高電平將進(jìn)氣口(或排氣口)打開(kāi);若是低電平則進(jìn)行保持，以此來(lái)達到減速的目的。但是，該方法只能在一定程度上控制速度，對于速度較快的執行機構，仍會(huì )出現超調甚至振蕩。
為了解決傳統的五步開(kāi)關(guān)法在控制過(guò)程中存在的問(wèn)題，提出了帶反向PWM的五步開(kāi)關(guān)法，反向PWM控制和正向PWM控制相似，只是在高電平情況下進(jìn)氣和排氣的狀態(tài)相反，其基本原理如圖1所示。當誤差較大時(shí)，閥位位于快速區，此時(shí)采用B-B控制，快速減小誤差;當誤差較小，但速度較大時(shí)，閥位位于降速區，此時(shí)采用反向PWM控制，迅速減小閥位速度;當誤差較小，且速度也較小時(shí)，閥位位于微調區，此時(shí)采用正向PWM控制，緩慢逼近目標位置;只有當誤差與速度都很小時(shí)，閥位才進(jìn)入死區。由于控制算法中涉及B-B控制和PWM控制的切換，所以需要根據不同的執行機構選擇不同的切換點(diǎn);而反向PWM的切換是根據閥位速度來(lái)確定，如何確定該速度也是關(guān)鍵的問(wèn)題;又由于正向PWM控制是該算法的核心，所以如何實(shí)現對最佳占空比的精確尋找，決定了最終的控制效果。這些關(guān)鍵參數均需要在自整定過(guò)程中確定，因此，參數自整定將保證控制算法的精度，且能增強控制算法的普遍適用性。
圖1 帶反向PWM的五步開(kāi)關(guān)法相平面圖
3、參數自整定過(guò)程
針對氣動(dòng)執行機構種類(lèi)繁多，特性差異較大的問(wèn)題，提出自尋優(yōu)自整定算法，能夠自動(dòng)辨識氣動(dòng)執行機構的行程類(lèi)型、端點(diǎn)位置、最大運行速度、最大過(guò)沖量、純延時(shí)以及最佳占空比等參數，有效地抑制了系統超調，并顯著(zhù)提高控制速度、控制精度以及普遍適用性。
圖2 參數自整定過(guò)程曲線(xiàn)
3.1、確定行程類(lèi)型
閥門(mén)定位器壓電閥內部引出4個(gè)端子A、B、C、D，其中AD端子控制進(jìn)氣，用邏輯值表達4個(gè)端子的狀態(tài)為1001，BC端子控制排氣，邏輯值表達為0110，保持狀態(tài)為0000。又因為閥門(mén)定位器按行程類(lèi)型分為正行程和反行程，對于正行程閥門(mén)定位器，進(jìn)氣時(shí)閥位減小，排氣時(shí)閥位增大，而反行程則正好相反，因此首先要判斷行程類(lèi)型，也就是真值表和閥位方向的關(guān)系。參數自整定第一步如圖3所示。
3.2、測試開(kāi)環(huán)特性
圖3 Step1參數自整定流程圖
這一步的主要目的是通過(guò)開(kāi)環(huán)實(shí)驗，求取執行機構開(kāi)環(huán)特性，從而整定出閥門(mén)定位器的上升和下降的純延時(shí)、調節時(shí)間、最大運行速度、最大速度位置等參數以及行程端點(diǎn)位置。因為，執行機構在進(jìn)氣過(guò)程和排氣過(guò)程中的特性差異明顯，因此，進(jìn)氣過(guò)程和排氣過(guò)程的參數需分別整定。具體方法為：首先，根據自整定第1)步整定得到的行程類(lèi)型，控制閥門(mén)定位器以全開(kāi)的方式從底端運行到頂端，測量上升過(guò)程斜率最大的點(diǎn)，即最大速度Vup、最大速度位置Lup、從進(jìn)氣開(kāi)始到閥位開(kāi)始動(dòng)作的時(shí)間差，即為純延時(shí)τup、閥位從底點(diǎn)到頂點(diǎn)時(shí)間，即調節時(shí)間Tup以及頂端位置Ltop和底端位置Lbuttom。然后，控制閥位以全開(kāi)方式從頂端位置運行到底端位置，測量下降過(guò)程斜率最大點(diǎn)，即最大速度Vdown、最大速度位置Ldown、從排氣到閥位動(dòng)作時(shí)間差，即純延時(shí)τdown以及閥位從頂點(diǎn)到底點(diǎn)時(shí)間，即調節時(shí)間Tdown。由于活塞壓緊彈簧時(shí)，靠近端點(diǎn)位置處非線(xiàn)性特別嚴重，調節時(shí)間特別長(cháng)，因此，定義調節時(shí)間Tup為閥位從10%FSR位置上升到90%FSR位置的時(shí)間，Tdown為閥位從90%FSR位置下降到10%FSR位置的時(shí)間。
由于不同的氣動(dòng)執行機構特性的不同，導致了調節時(shí)間較大的差異，因此，在開(kāi)環(huán)測試過(guò)程中，需要保存較多數據來(lái)計算執行機構的開(kāi)環(huán)特性，容易造成數據溢出、計算結果不準確等問(wèn)題。因此，為了提高參數整定的可靠性，本文提出2點(diǎn)處理措施：1)根據自整定第2)步中自整定得到的調節時(shí)間，采用可變間隔的隔點(diǎn)抽取保存方法，如果調節時(shí)間較長(cháng)，則選取較大的間隔來(lái)保存數據，從而保證數據不會(huì )發(fā)生溢出。2)由于執行機構在運行過(guò)程中速度不是完全平穩的，所以在計算速度時(shí)，通過(guò)保存一段時(shí)間的采樣值，然后計算5次速度，通過(guò)去最大值和最小值，再計算平均速度的方法，來(lái)消除隨機誤差，從而保證速度的準確性。
3.3、確定最大過(guò)沖量
由于氣動(dòng)執行機構運動(dòng)過(guò)程中，存在機械慣性，這是因為在既不進(jìn)氣也不排氣的情況下，執行機構仍具有一定的速度，從而會(huì )產(chǎn)生過(guò)沖量。根據五步開(kāi)關(guān)法，在誤差比較大時(shí)，采用B-B控制，在誤差較小時(shí)采用PWM控制，因此B-B控制與PWM控制之間切換點(diǎn)的選擇對最終的控制效果有很大影響，如果切換點(diǎn)離死區太遠，則調節時(shí)間會(huì )太慢;如果切換點(diǎn)離死區太近，則容易產(chǎn)生超調。所以根據執行機構所固有的機械慣性，選擇最大過(guò)沖量作為分界點(diǎn)。
由閥門(mén)定位器的開(kāi)環(huán)特性實(shí)驗可知，在滿(mǎn)量程范圍內，閥位最大運行速度處的過(guò)沖量最大。因此，定義最大過(guò)沖量為：閥位運行到最大速度位置，控制端口給出保持邏輯以后，閥位繼續滑行的距離。
參數自整定第3)步流程圖如圖4所示。根據第2)步中所整定出的最大速度位置，在最大速度位置處，分別整定上升過(guò)程的最大過(guò)沖量Sup和下降過(guò)程最大過(guò)程量Sdown。將最大過(guò)沖量作為控制過(guò)程中B-B控制和PWM控制的分界點(diǎn)，從而保證了控制效果。
圖4 Step3參數自整定軟件流程圖
3.4、確定最佳PWM占空比
由于氣動(dòng)執行機構種類(lèi)繁多，且非線(xiàn)性特性嚴重，所以，閥門(mén)定位器在不同控制目標位置所需要的PWM占空比是不同的。不同PWM占空比所對應的閥位上升過(guò)程曲線(xiàn)和下降過(guò)程曲線(xiàn)如圖5所示。由圖可知，PWM占空比越小，閥位運行速度越慢，調節時(shí)間越長(cháng)，PWM占空比越大，閥位運行速度越快，調節時(shí)間越短。因此，針對非線(xiàn)性特性比較嚴重的氣動(dòng)執行機構，不同目標位置對應不同的PWM占空比。傳統的閥門(mén)定位器在使用五步開(kāi)關(guān)法的過(guò)程中，PWM占空比一般是根據經(jīng)驗給出，不具有普遍適用性，對于非線(xiàn)性嚴重的執行機構，同一PWM占空比在某一目標位置可能會(huì )因為占空比太大導致超調，而在另一位置可能會(huì )因為占空比太小導致調節時(shí)間過(guò)長(cháng)。所以，提出了在參數自整定過(guò)程中，確定最佳PWM占空比的方法。將整個(gè)行程分段，在不同的行程位置，使系統自動(dòng)辨識相應的PWM占空比。
圖5 不同PWM占空比閥位響應曲線(xiàn)
定義最佳定位速度
為 
，通過(guò)調節不同的PWM占空比，計算相應的閥位運行速度，與最佳定位速度 最相近的速度值所對應的PWM占空比，即為該段的最佳占空比。為了獲得分辨率較高的最佳占空比，采用了逐次逼近、折半查找和分段線(xiàn)性化多種方法相結合的尋優(yōu)方法，具體實(shí)現步驟為：1)使閥位運行到目標位置附近，初始化PWM占空比，在該占空比狀態(tài)下，控制閥位從目標位置?2.5%FSR位置運行到目標位置+2.5%FSR位置，計算目標位置±2.5%FSR范圍內的平均速度V。2)若V> ，則以10/100的幅度增加PWM占空比，按步驟1)的方法繼續控制，并測量此時(shí)的平均速度;若V> ，則以10/100的幅度減小PWM占空比，按步驟1)的方法繼續控制。3)假設PWM占空比為D1時(shí)，平均速度V1> ，而PWM占空比為D2時(shí)，平均速度V2< ，開(kāi)始折半查找，設置PWM占空比為D2+5/100，按步驟1)的方法繼續控制，測量此時(shí)的平均速度為V3。若V3≤ ，則通過(guò)分段線(xiàn)性化，可得最佳占空比D為 
若V3≥ ，則最佳占空比D為 
4)分別尋找10%FSR、30%FSR、50%FSR、70%FSR、90%FSR位置最佳占空比D，再通過(guò)分段線(xiàn)性化，確定每個(gè)目標位置對應的最佳占空比，最后，將分段線(xiàn)性擬合系數保存在EEPROM中。
在參數自整定過(guò)程中，最重要的控制參數為最大運行速度、最大過(guò)沖量和最佳PWM占空比，其中，最大運行速度的大小決定了最大過(guò)沖量的大小，最大運行速度越大，表明該閥門(mén)所帶負載越輕，氣缸越小，最佳PWM占空比也越小。因此，最大過(guò)沖量和最佳PWM占空比的整定結果直接影響了控制效果，而最大運行速度則代表了閥門(mén)本身的特性，是最重要的參數。
3.5、單片機實(shí)現
系統硬件由重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司研制，MCU采用的是TI公司的MSP430F5418型號單片機，該單片機不但具有超低功耗的特性，而且功能強大。本系統參數自整定軟件采用模塊化設計方法，將自整定整個(gè)過(guò)程分為4個(gè)模塊：模塊一是行程類(lèi)型確定;模塊二是開(kāi)環(huán)特性確定;模塊三是最大過(guò)沖量確定;模塊四是最佳占空比確定。自整定各個(gè)模塊獨立工作，按照流程依次整定得出所需參數。參數自整定流程圖如圖6所示。
圖6 參數自整定流程圖
4、參數自整定效果
在五步開(kāi)關(guān)法中，閥位的速度主要由PWM占空比決定，如果閥位速度太大，則會(huì )導致超調甚至是振蕩;如果閥位速度太小，則會(huì )造成調節時(shí)間過(guò)長(cháng)。傳統的五步開(kāi)關(guān)法的PWM占空比是根據經(jīng)驗設定的，在整個(gè)行程范圍內使用的是相同的PWM占空比，不但會(huì )造成同一執行機構不同行程位置控制效果的明顯差距，而且不具有普遍適用性。經(jīng)過(guò)新的自整定方法整定出的最佳PWM占空比，是經(jīng)過(guò)分段線(xiàn)性化得到的，不同的行程位置得出不同的PWM占空比，反映了執行機構自身的特性，在整個(gè)行程范圍內的控制效果明顯改善，而且具有普遍適用性。
將新的自整定方法在硬件系統上實(shí)時(shí)實(shí)現以后，在重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司對不同類(lèi)型的氣動(dòng)調節閥進(jìn)行了自整定，并根據自整定所得到的參數進(jìn)行了控制實(shí)驗，考核其有效性。對于2型帶石墨負載氣動(dòng)調節閥，因為其負載較輕，執行器速度較快，在不使用整定最佳占空比的方法進(jìn)行控制時(shí)，控制過(guò)程經(jīng)常出現超調和振蕩的現象。因此，以2型直行程氣動(dòng)執行機構帶石墨負載時(shí)的控制效果為例，比較參數自整定前后的控制效果。
參數自整定之前的控制效果如圖7和圖8所示。根據現場(chǎng)經(jīng)驗，設定B-B控制與PWM控制之間的分界點(diǎn)以及PWM占空比的大小。設定死區范圍為0.4%FSR，給定信號從4mA開(kāi)始按給定階躍信號6%FSR逐漸增加到13mA。由圖7可知，隨著(zhù)閥位的上升，由于非線(xiàn)性的原因，正向PWM個(gè)數逐漸增多，調節時(shí)間逐漸變長(cháng)。圖8所示為9~10mA階躍變化時(shí)，控制效果局部放大圖，正向PWM個(gè)數為6個(gè)，調節時(shí)間為0.83s。
參數自整定自后的控制效果如圖9和圖10所示。由參數自整定得出最大過(guò)沖量，最大速度以及最佳占空比等參數，設定死區范圍為0.4%FSR，給定信號從4mA開(kāi)始按給定階躍信號6%FSR逐漸增加到12mA。由圖9可知，隨著(zhù)閥位的上升，不同目標位置，調節時(shí)間差不多，正向PWM個(gè)數沒(méi)有增加，與參數自整定之前的控制效果相比有明顯的改善。圖10所示為9~10mA階躍變化時(shí)，控制效果局部放大圖，正向PWM個(gè)數為2個(gè)，調節時(shí)間為0.69s。參數自整定以后，PWM控制個(gè)數減少，調節時(shí)間減小。
圖7 參數自整定前控制效果圖
圖8 參數自整定前控制效果局部放大圖
圖9 參數自整定后控制效果圖
圖10 參數自整定后控制效果局部放大圖
5、結論
確定出B-B控制和PWM控制的分界點(diǎn)和執行機構最大過(guò)沖量的關(guān)系，通過(guò)整定出最大速度位置處的過(guò)沖量，作為控制過(guò)程中B-B控制和PWM控制的分界點(diǎn)，從而保證了控制時(shí)間并且不易產(chǎn)生超調。在參數自整定過(guò)程中，根據最佳定位速度尋找不同位置的最佳PWM占空比，實(shí)現控制過(guò)程中任意位置PWM占空比的實(shí)時(shí)計算，減小控制脈沖的個(gè)數，加快閥門(mén)定位器的定位速度，對于不同類(lèi)型閥門(mén)定位器能夠根據實(shí)際情況，準確地確定出最佳PWM占空比。在基于MSP430F5418的硬件系統上實(shí)現了閥門(mén)定位器的參數自整定和閉環(huán)控制，針對不同類(lèi)型的氣動(dòng)調節閥進(jìn)行實(shí)驗，與傳統五步開(kāi)關(guān)法的控制結果相比，效果改善顯著(zhù)。
