智能閥門定位器的非對稱一維模糊控制器設計

　　調節(jié)閥具有大滯后特性，且進氣和排氣過程的靜摩擦力不同。針對上述控制難點，設計了非對稱一維模糊控制算法的閥門定位器，根據給定電壓與閥位反饋電壓的偏差符號，判斷執(zhí)行進氣或排氣動作。模糊控制器采用兩段式量化因子和比例因子及非均勻性劃分的模糊子集;以偏差值作為輸入信號，輸出信號是PWM波的占空比值。基于dSPACE實時仿真系統(tǒng)實現(xiàn)智能閥門定位器，實驗結果表明：閥門在不同起始閥位處，都能夠快速無超調的響應不同幅度的給定輸入信號。

　　調節(jié)閥普遍應用于化工、冶金、電力和制藥等行業(yè)，智能閥門定位器作為調節(jié)閥的大腦，對調節(jié)閥的控制性能起著決定性的作用。德國西門子公司的SIPARTPS2型、美國羅斯蒙特YTC2300型、日本山武AVP300型、瑞士ABB公司TZIDC型等閥門定位器占據國內外大部分市場，產品性能優(yōu)良，價格昂貴，其控制方法未見詳細報道。國產智能閥門定位器較為突出的產品為中國重慶川儀自動化公司的HVP型產品，其采用脈沖寬度控制壓電閥的動作時間。

　　國內高校近年來開展了閥門定位器的相關研究工作。南京工程學院采用增量式積分分離的PID算法，由于被控對象具有非線性特性，當模型失配時，難以取得理想控制效果。杭州電子科技大學采用變結構控制算法，算法思路并未詳述。西北工業(yè)大學采用模糊PID算法，研究結果表明將模糊控制應用在閥門定位器上是一種有效的嘗試。

　　調節(jié)閥具有大滯后特性，進氣和排氣過程中的靜摩擦力不同，并且在全行程范圍內其動態(tài)特性的一致性較差。良好的控制算法要能夠保證，在不同起始閥位處，閥門都能夠快速無超調的響應不同幅度的給定信號變化。由于模糊控制具有良好的魯棒性，并能夠體現(xiàn)專家經驗，本文基于dSPACE實時仿真系統(tǒng)設計并實現(xiàn)非對稱一維模糊控制器。

1、智能閥門定位器的工作原理

　　智能電氣閥門定位器以微處理器為核心，利用新型壓電閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)定位器中的噴嘴、擋板調壓系統(tǒng)實現(xiàn)對輸出氣源壓力的調節(jié)。具體工作原理如圖1所示。

圖1 智能閥門定位器的工作原理圖

　　由閥桿位置傳感器檢測閥門的實際開度信號，通過A/D轉換變?yōu)閿底中盘�，與給定信號進行比較，計算二者的偏差值。若偏差值超出定位精度，則CPU輸出指令使壓電閥執(zhí)行開或關動作。當給定信號大于閥位反饋信號時，進氣壓電閥(V-1)打開，輸出氣源壓力增大，執(zhí)行機構氣室壓力增加，閥門開度變大，此為進氣過程;反之，當給定信號小于閥位反饋信號時，排氣壓電閥(V-2)打開，通過消音器排氣，減小輸出氣源壓力，執(zhí)行機構氣室壓力減小，閥門開度變小，此為排氣過程。簡言之，就是通過CPU輸出4路數字PWM波控制2個壓電閥動作，調節(jié)輸出氣源壓力的大小，使給定信號與閥位反饋信號達到新的平衡。壓電閥的工作原理，可以借助二極管的工作原理形象化解釋。當壓電閥V-1受到0和1兩路數字信號控制時，V-1閥開啟，執(zhí)行進氣動作;若受到1和0兩路數字信號控制時，V-1閥關閉。同樣，當壓電閥V-2受到0和1兩路數字信號控制時，V-2閥開啟，執(zhí)行排氣工作。綜合而言，即CPU輸出0110數字信號時，壓電閥執(zhí)行進氣動作;CPU輸出1001數字信號時，壓電閥執(zhí)行排氣動作;CPU輸出1010數字信號時，壓電閥執(zhí)行保持動作。

2、開環(huán)動態(tài)實驗

　　選擇配有PowerPC750單處理器的DS1005型dSPACE實時仿真系統(tǒng)，dSPACE系統(tǒng)可以實現(xiàn)與MATLAB/Simulink的無縫鏈接。安裝A/D轉換板卡DS2004，用來采集閥位反饋信息;安裝I/O板卡DS4002，產生4路可調占空比的PWM波。利用Controldesk編寫在線監(jiān)控界面，調節(jié)參數并保存數據。PWM波的周期設定為固定值，例如100ms。根據偏差電壓的符號判斷控制進氣或排氣。例如，若占空比值為0.6，且需要執(zhí)行進氣動作，則dSPACE實時仿真系統(tǒng)必須在每個PWM周期的前60ms輸出進氣信號0110，后40ms輸出保持信號1010。

　　在HA2型石墨填料閥門上分別進行進氣和排氣的100%占空比值的開環(huán)動態(tài)實驗，實驗曲線如圖2和圖3所示，虛線代表給定輸入信號的突變，實線代表閥位反饋信號。可見，進氣時被控對象的純延時更大且動態(tài)響應更慢，這是因為閥門定位器產生進氣動作前需要克服較大的靜摩擦力;反饋曲線的初始斜率較大，是因為一旦靜摩擦力被克服，將導致閥位迅速變化。而排氣動作，則是從壓力大的氣室向大氣中排氣，其靜摩擦力小，故閥位反饋曲線的純延時小，動態(tài)響應快速。在不同起始閥位處，閥門的動態(tài)特性也不完全相同。篇幅所限，不再列圖。

圖2 進氣的開環(huán)實驗數據

圖3 排氣的開環(huán)實驗數據

3、控制方法

　　綜上所述，無法建立一個統(tǒng)一的數學模型�？梢圆扇》侄慰刂频姆椒�，在不同的偏差范圍內，采取不同占空比值，但是分段點難以確定。

圖4 閥門定位器控制系統(tǒng)設計原理圖

　　設計簡便的非對稱一維模糊控制器，采用兩段式量化因子和比例因子。根據進氣和排氣時不同的特性，對模糊控制器的輸入量輸出量進行非對稱模糊子集劃分。根據模糊隸屬度函數和模糊規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量，最后利用重心法的解模糊運算，得到模糊控制器輸出的占空比值。編程實現(xiàn)控制器最終輸出4路可調占空比的PWM波，控制兩個壓電閥動作，閥門定位器的設計原理圖如圖4所示。

3.1、模糊子集和隸屬度函數

　　設定偏差的模糊子集的論域為{-3，3}，占空比值的論域是{0，1}。e的語言變量設定為{NB，NM2，NM1，NS，Z，PS，PM1，PM2，PB}，u的語言變量設為{S，M1，M2，B}。

　　隸屬度函數曲線的形狀越陡，分辨率和控制靈敏度也就越高。在偏差大的區(qū)域，選擇低分辨率的正態(tài)分布形狀隸屬度函數曲線，即PB和NB。在其它區(qū)域，為使模糊控制器能夠反應靈敏，選擇曲線斜率大的三角形隸屬度函數。此外，設定了范圍很窄的模糊子集NS、PS、Z，如圖5所示，目的是使控制更為精細。

　　根據工程師的經驗和對被控對象的定性認識，控制量u的模糊子集同樣也采取非均勻性劃分方式。B處的正態(tài)分布函數曲線比S處的曲線陡，可以在B處輸出更大的控制量，如圖6所示。

圖5 偏差e的模糊子集劃分

圖6 控制量u的模糊子集劃分

3.2、模糊規(guī)則

　　經過推理和調試，制定了模糊控制規(guī)則表，如表1所示。由于進氣過程緩慢，當偏差為正值時，應使模糊規(guī)則盡量選取大的控制量，加快閥門定位器的動態(tài)響應，即當偏差為PM1、PM2、PB時都對應B控制量輸出。排氣時，選取的控制量較小，是為了防止閥門定位器的響應信號出現(xiàn)超調量。

表1 模糊規(guī)則表

3.3、兩段式量化因子和比例因子

　　量化因子和比例因子也對控制效果發(fā)揮重要作用。當誤差較大時，需采用“粗調”對過程進行控制。選取較小的量化因子Ke，降低對輸入量e的分辨率，以獲得較平穩(wěn)的控制效果，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性;同時選取較大的比例因子Ku，加快系統(tǒng)的響應速度。當誤差較小時，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，應采取“細調”。增大量化因子Ke，提高系統(tǒng)對輸入量e的敏感度，同時縮小量化因子Ku，防止系統(tǒng)產生超調和振蕩，使系統(tǒng)盡快進入穩(wěn)態(tài)。

　　采用簡便的兩段式設計方法設置量化因子和比例因子的。當偏差大于給定值的0.3倍時(認為偏差較大)，取較小的Ke和較大的Ku;當偏差小于給定值的0.3倍時(認為偏差較小)，則取較大的Ke和較小的Ku。量化因子和比例因子的數值經過多次實驗修改確定，程序流程圖如圖7所示。這種設計能夠使量化因子和比例因子隨著給定值的變化幅度而自適應調整，從而實現(xiàn)不同幅度的給定信號輸入時，閥門都快速且無超調的響應。由于模糊控制器本質上是PD控制，不能實現(xiàn)無差控制，故在控制器中設計了死區(qū)，避免閥位反饋信號在穩(wěn)態(tài)值附近來回振蕩。死區(qū)的上下限設定為給定值的±0.003，小于滿量程的0.5%，滿足精度要求。

圖7 模糊控制器的程序流程圖

4、閉環(huán)實驗

　　基于dSPACE實時仿真系統(tǒng)搭建了在線閉環(huán)實驗平臺。實驗裝置主要包括：計算機、dSPACE系統(tǒng)、氣泵、調節(jié)閥、壓電閥、閥位傳感器。實驗裝置流程圖如圖8所示，雙線表示物理連接，單線表示電氣連接。給定值由Controldesk界面的監(jiān)控平臺在線設置，dSPACE的A/D板卡采集實際閥位信息，基于dSPACE系統(tǒng)實現(xiàn)的智能閥門定位器輸出占空比值，并編程實現(xiàn)I/O板卡輸出相應占空比值的4路PWM波，控制兩個壓電閥工作，執(zhí)行進氣、排氣或保持動作，作用于調節(jié)閥，改變氣室壓力，導致閥位變化。

圖8 實驗裝置流程圖

　　對HA2石墨填料的閥門進行閉環(huán)實驗，在不同的起始閥位處進行了幅度不同的正、負階躍實驗，輸入的給定信號分別選取滿量程的5%、10%和50%，對采集到的閥位反饋信號，進行巴特沃斯低通濾波器消噪處理，兩種曲線如圖9～圖11的a、b子圖所示，虛線為給定電壓值，實線為閥位反饋電壓值�？梢�，閥位信號能夠快速無超調地跟蹤給定信號的變化。

a正階躍實驗圖 b負階躍實驗圖

圖9 給定電壓5%階躍變化

a正階躍實驗圖 b負階躍實驗圖

圖10 給定電壓10%階躍變化

圖11 給定電壓50%階躍變化

5、結束語

　　基于dSPACE實時仿真系統(tǒng)實現(xiàn)智能閥門定位控制器，在不同起始閥位處進行了多幅值給定信號階躍變化的閉環(huán)實驗。實驗結果表明，閥門定位器具有快速無超調的動態(tài)響應特性。綜合全文得到以下兩點結論：

　　(1)根據被控對象的動態(tài)特性，設計模糊控制器時，采用非均勻性劃分的模糊子集，制定具有針對性的模糊控制規(guī)則，能夠取得良好效果。

　　(2)采用分段式量化因子和比例因子的一維模糊控制器，設計簡便，計算量小，能夠提高模糊控制器的實時性。