智能閥門(mén)定位器控制算法的改進(jìn)

　　國(guó)內(nèi)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(shù)多，高閥位控制時(shí)調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，因而對(duì)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(duì)比，算法改進(jìn)后調(diào)整時(shí)間減小1.6s，超調(diào)量減小12.8%，實(shí)現(xiàn)了更快速準(zhǔn)確的閥門(mén)定位。

　　智能閥門(mén)定位器作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)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(cè)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)揮著不可替代的作用。

　　我國(guó)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(tǒng)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(guó)內(nèi)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(duì)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(xiàn)更好的控制效果。

1、智能閥門(mén)定位器控制系統(tǒng)

　　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(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換為閥位設(shè)定值，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角實(shí)際位移通過(guò)連接裝置轉(zhuǎn)換為角度位移，并由位置傳感器測(cè)得，反饋至微處理器，微處理器將實(shí)際閥位反饋值和設(shè)定值進(jìn)行比較，檢測(cè)到偏差后，根據(jù)偏差大小和方向輸出脈寬調(diào)制指令到壓電閥，壓電閥按控制指令調(diào)節(jié)膜頭進(jìn)氣量和排氣量。

圖1 智能閥門(mén)定位器控制系統(tǒng)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(duì)象，其性能參數(shù)如下：

　　工作電壓 24VDC；工作電流 小于10μA；維持電流 0μA；響應(yīng)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(gòu)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(xiàn)調(diào)節(jié)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(duì)應(yīng)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(jù)閥位設(shè)定信號(hào)與閥位反饋信號(hào)之間的偏差大小，采用相應(yīng)的PWM信號(hào)控制壓電閥，從而實(shí)現(xiàn)排氣、進(jìn)氣和保持狀態(tài)。當(dāng)閥位偏差較大時(shí)，壓電閥全開(kāi)，調(diào)節(jié)閥全速進(jìn)氣，閥位迅速到達(dá)設(shè)定位置，實(shí)現(xiàn)粗調(diào);當(dāng)閥位接近設(shè)定位置時(shí)，在一定范圍內(nèi)按設(shè)定的周期和占空比，輸出PWM控制信號(hào)，進(jìn)行微調(diào);為避免調(diào)節(jié)閥在設(shè)定位置附近頻繁的振蕩，設(shè)定死區(qū)范圍ε，當(dāng)偏差位于死區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，關(guān)閉壓電閥，使閥位保持當(dāng)前位置。

　　PWM控制信號(hào)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)系是線性的，但由于壓電閥的滯后性和閥芯慣性，高電平持續(xù)40ms以上才能保證閥芯開(kāi)啟，低電平持續(xù)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(jù)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)效果的特點(diǎn)，高閥位時(shí)，氣室和氣源壓差變小，相對(duì)于低閥位而言，在相同的充氣脈沖時(shí)間內(nèi)充入的氣體更少。為改善高閥位時(shí)響應(yīng)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(chǔ)上，添加隨閥位反饋線性變化的占空比，改進(jìn)后的五步開(kāi)關(guān)算法占空比的計(jì)算公式為：

d*=da+KdPV (3)

3、實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比

　　國(guó)內(nèi)樂(lè)清市自動(dòng)化儀表九廠生產(chǎn)的智能閥門(mén)定位器SEPP4000采用五步開(kāi)關(guān)控制算法，當(dāng)設(shè)定值由10%變化至90%時(shí)，閥位反饋電位器輸出對(duì)應(yīng)的電壓范圍是788～632mV;當(dāng)設(shè)定值由90%變化至10%時(shí)，閥位反饋電位器輸出對(duì)應(yīng)的電壓范圍是632～784mV。

　　進(jìn)行空載下閉環(huán)控制試驗(yàn)，將改進(jìn)后的五步開(kāi)關(guān)控制算法的控制效果與標(biāo)準(zhǔn)五步開(kāi)關(guān)控制算法的控制效果進(jìn)行對(duì)比。閥位反饋信號(hào)響應(yīng)曲線如圖3～6所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)五步算法進(jìn)氣狀態(tài)下響應(yīng)曲線

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

圖5 標(biāo)準(zhǔn)五步算法排氣狀態(tài)下響應(yīng)曲線

圖6 改進(jìn)五步算法排氣狀態(tài)下響應(yīng)曲線

　　調(diào)整時(shí)間與超調(diào)量的比較見(jiàn)表2。

表2 控制效果比較

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

4、結(jié)束語(yǔ)

　　根據(jù)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)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(diào)整時(shí)間短但更容易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象;高閥位時(shí)，調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，氣室進(jìn)氣多，氣壓相對(duì)穩(wěn)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(yàn)效果對(duì)比，有效縮短了調(diào)整時(shí)間，減小了超調(diào)量，控制效果更理想。對(duì)PWM占空比的修正，是解決氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)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。