一種智能閥門定位器控制算法

付 健，馬 林

(重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121)

隨著化工、冶金、電力和制藥等行業(yè)的快速發(fā)展，在整個過程控制中，人們對氣動調(diào)節(jié)閥的控制品質(zhì)提出了更高的要求。智能閥門定位器作為氣動調(diào)節(jié)閥的大腦，對整個調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的性能起著決定性的作用［1-7］。

智能閥門定位器根據(jù)其I/P轉(zhuǎn)換單元工作原理的不同，可以分為壓電閥式與噴嘴擋板式2種。噴嘴擋板式智能閥門定位器具有控制平穩(wěn)、動態(tài)特性好等優(yōu)點，但是由于其利用氣平衡原理進行工作，對氣源的穩(wěn)定性要求較高，且氣量消耗較大，不利于節(jié)能減排。壓電閥式智能閥門定位器采用開關(guān)原理進行工作，對氣源的穩(wěn)定性要求較低，且內(nèi)阻極高的壓電陶瓷材料功耗極小，因此廣受青睞。

目前，國際上比較主流的壓電閥式智能閥門定位器以德國西門子公司生產(chǎn)的SIPART PS2系列為代表，其主要采用“五步開關(guān)”算法進行控制。隨著我國自動化儀表技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)也出現(xiàn)了幾款壓電閥式智能閥門定位器。HVP智能閥門定位器由重慶川儀自主研發(fā)，采用壓電閥作為I/P轉(zhuǎn)換單元核心，控制算法在“五步開關(guān)”算法基礎(chǔ)上進行了自主創(chuàng)新，彌補了傳統(tǒng)“五步開關(guān)”算法在控制中的缺陷，此項技術(shù)已經(jīng)達到國際先進水平，打破了國外產(chǎn)品對該市場的壟斷。

1 工作原理

調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)如圖1所示，由系統(tǒng)控制信號、控制單元、I/P轉(zhuǎn)換器、位置傳感器、啟動調(diào)節(jié)閥構(gòu)成，其中控制單元、I/P轉(zhuǎn)換器、位置傳感器是智能閥門定位器的重要組成部分。

圖1 調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)

系統(tǒng)將控制信號作為控制輸入變量送入智能閥門定位器。智能閥門定位器將氣動調(diào)節(jié)閥的開度通過位置傳感器采集進來，將其作為反饋變量。經(jīng)過量綱歸一化處理后，控制單元將控制輸入變量與反饋變量進行對比，通過算法計算出恰當(dāng)?shù)拿}沖波形，將脈沖信號送入I/P轉(zhuǎn)換器，控制氣動調(diào)節(jié)閥進行相應(yīng)的動作，直至控制輸入變量與反饋變量相同時，智能閥門定位器停止輸出，氣動調(diào)節(jié)閥停于目標(biāo)位置［8-11］。

HVP智能閥門定位器利用微處理器輸出脈沖控制信號，通過I/P轉(zhuǎn)換器將數(shù)字電信號轉(zhuǎn)化為開關(guān)的氣信號，從而驅(qū)動氣動調(diào)節(jié)閥，使之做出相應(yīng)動作。其中脈沖控制為整個工作的重中之重。

在實際應(yīng)用中，HVP智能閥門定位器首次安裝之后，其對被控對象(調(diào)節(jié)閥及氣動執(zhí)行機構(gòu))屬性并不了解，如行程、作用方向、速度、摩擦力、氣泄漏量等，所以定位器在投入自動運行之前，必須進行一次運行參數(shù)的自動整定，簡稱“自整定”。在自整定中，定位器通過控制調(diào)節(jié)閥全開全關(guān)的移動，確定其行程、作用方向及速度，同時利用不同周期的脈沖，控制調(diào)節(jié)閥全行程移動，確定最優(yōu)的脈沖周期。

2 控制算法設(shè)計

脈沖寬度調(diào)制是英文“pulse width modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制(PWM)，是利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。HVP智能閥門定位器就利用了這一技術(shù)。

在PWM控制技術(shù)中，最重要的是PWM周期的選取及占空比的控制，其中PWM周期的選取是基礎(chǔ)。如果周期過小，輸出能量小于被控對象的啟動閾值，可能出現(xiàn)輸出推不動被控對象的情況;如果周期過大，又會影響PWM控制的連續(xù)性，使被控對象出現(xiàn)時停時走的現(xiàn)象。相對于周期的選取，PWM占空比的控制則是PWM控制技術(shù)的核心。占空比過大，送給被控對象的能量就多，容易出現(xiàn)控制超調(diào)的現(xiàn)象;反之，則會出現(xiàn)速度過慢，調(diào)節(jié)時間過長的現(xiàn)象，最終直接影響控制品質(zhì)。

2.1 PWM周期的選取

在HVP智能閥門定位器中，PWM周期選取的工作主要是在自整定中進行的。在自整定中，分別用不同周期，占空比為50%的PWM脈沖驅(qū)動調(diào)節(jié)閥，對其進行全行程的開環(huán)實驗，記錄并尋找最優(yōu)的PWM周期。尋找的標(biāo)準(zhǔn)是:輸出的PWM脈沖既能驅(qū)動調(diào)節(jié)閥，又能使其連續(xù)穩(wěn)定的運動，并且運動速度的大小滿足控制要求。

2.2 PWM占空比的控制

PWM占空比的控制是一項復(fù)雜的工作。在HVP智能閥門定位器中，摒棄了傳統(tǒng)以固定占空比進行控制的方式，取而代之的是以變化的占空比進行自適應(yīng)控制。通過定時對速度及閥位的采樣，算出該位置理想的速度，與當(dāng)前速度進行比較后，進行PWM占空比的調(diào)整。

2.3 控制算法核心

本設(shè)計整體依然沿用經(jīng)典的“五步開關(guān)”算法進行控制，但在實現(xiàn)的細(xì)節(jié)上進行了適當(dāng)?shù)男薷??！拔宀介_關(guān)”算法示意圖如圖2所示。

圖2 “五步開關(guān)”算法示意圖

在圖2中，當(dāng)e≤e1或e≥e2時，被控對象處于快速區(qū)，采用棒棒控制;當(dāng)e3＞e＞e1或e2＞e＞e4時，被控對象處于低速區(qū)，采用PWM脈沖控制;當(dāng)e4≥e≥e3時，被控對象處于控制死區(qū)內(nèi)，采用直接關(guān)閉PWM輸出的方式使調(diào)節(jié)閥停止于控制死區(qū)內(nèi)。

在自整定中，通過進行調(diào)節(jié)閥全行程的開環(huán)實驗，分別找出進排氣過程中的最大速度并記錄此時位置。根據(jù)記錄的最大速度位置，控制調(diào)節(jié)閥以全開的方式分別從兩個端點運行，當(dāng)閥位到達相應(yīng)最大速度位置處，停止輸出，控制閥位保持，測量最大過沖量。并將相應(yīng)的最大過沖量作為“五步開關(guān)”算法中的判定依據(jù)|e1|和|e2|。其中，最大過沖量為閥位最大速度位置到停止位置之間的位移量。

傳統(tǒng)的“五步開關(guān)”算法在低速區(qū)采用定PWM占空比進行控制，在實際應(yīng)用當(dāng)中，存在過度不平滑、后期脈沖過大造成超調(diào)等問題。為了滿足運行的平穩(wěn)性，定位器需要在快速區(qū)與低速區(qū)完成無擾切換，使速度隨位移的增大平緩降低，避免后期控制過沖等現(xiàn)象，所以提出了低速區(qū)理想速度-位移曲線。低速區(qū)理想速度-位移曲線如圖3所示。

圖3 低速區(qū)理想速度-位移曲線

在單次控制流程中，將調(diào)節(jié)閥從快速區(qū)進入低速區(qū)的時刻記作t0，記錄該時刻的速度V0及與目標(biāo)位置差值的絕對值Δ，將 V與Δ代入公式VLX=a×S×b，求出系數(shù)a與 b，其中S為 t0時刻后調(diào)節(jié)閥的位移量，VLX為某閥位下的理想速度。低速區(qū)理想速度-位移公式為S×V0。

在取得低速區(qū)理想速度-位移公式后，通過定時采樣，得到S，將其代入低速區(qū)理想速度-位移公式，求出VLX。當(dāng)VSJ＜VLX時，即調(diào)節(jié)閥工作于圖3的區(qū)域①中時，說明調(diào)節(jié)閥速度過低，此時利用二分法增大輸出PWM脈沖的占空比，使VSJ提高;當(dāng)VSJ＞VLX時，即調(diào)節(jié)閥工作于圖3的區(qū)域②中時，說明調(diào)節(jié)閥速度過高，此時利用二分法減小輸出PWM脈沖的占空比，使VSJ降低;當(dāng)VSJ=VLX時，說明此時實際速度大小合適，符合低速區(qū)理想速度-位移曲線，輸出 PWM脈沖占空比保持不變。

在下一次控制流程中，低速區(qū)理想速度-位移曲線需要重新繪制，即求出新的低速區(qū)理想速度-位移公式。每次控制流程中，都應(yīng)有一條新的低速區(qū)理想速度-位移曲線及相對應(yīng)的公式，使該控制流程具有一定的自適應(yīng)及魯棒特性。

3 實驗研究

3.1 實驗條件

實驗分別將該算法與傳統(tǒng)“五步開關(guān)”定PWM占空比算法在相同的條件下進行應(yīng)用，比較二者的控制效果。在實驗中，采用重慶川儀生產(chǎn)的氣動調(diào)節(jié)閥作為被控對象。氣動執(zhí)行機構(gòu)型號為HA2D，行程為30 mm，信號壓力范圍為80～240 MPa，作用方向為正作用，調(diào)節(jié)閥公稱直徑25 mm，填料類型為石墨。實驗調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 實驗調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)

3.2 實驗分析

基于2種算法的定位器分別通過自整定后，確定相應(yīng)控制參數(shù)。輸入10%的階躍信號后，2種算法控制曲線對比如圖5所示。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 2種算法控制曲線對比

表1 實驗數(shù)據(jù)

由于該算法對速度的調(diào)節(jié)，前期輸出的PWM占空比加大，所以上升時間較短，速度過度平滑，即t1＜t2;當(dāng)閥位接近目標(biāo)值時，PWM占空比迅速減小，閥位速度及時降低，有效避免了控制超調(diào)現(xiàn)象，超調(diào)量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)“五步開關(guān)”定PWM占空比算法，總體控制時間得到了縮短，即t3＜t4。

4 結(jié)束語

以上實踐研究表明，該控制算法具有較好的自適應(yīng)及魯棒特性。采用變PWM占空比算法對速度進行量化控制，有效解決了算法切換過度過程當(dāng)中速度不平滑及后期容易超調(diào)等問題。經(jīng)過本次研究，該控制算法在HVP智能閥門定位器中得到了成功的應(yīng)用，產(chǎn)品現(xiàn)已大規(guī)模量產(chǎn)。

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