基于直驅(qū)式的電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制技術研究

鄂 威 周天麗 楊士贊 賈云霞

（鞍山電磁閥有限責任公司，遼寧 鞍山 114300）

根據(jù)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構類型的不同，可將其分為氣動、電動、液動三種基本類型。但是在一些大推力、高精度的使用場合，通常選擇電液結合執(zhí)行機構，可兼顧電動調(diào)節(jié)閥的響應速度和液動調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度。但是直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥在實際運行時，也經(jīng)常會出現(xiàn)穩(wěn)壓控制效果不理想的問題?；诖?，本文設計了一種適用于直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用PLC 單片機進行控制，以DDVC 電液伺服系統(tǒng)作為執(zhí)行機構，保證了電液調(diào)節(jié)閥在實際運行時具有高效節(jié)能、響應迅速、穩(wěn)壓精確等一系列優(yōu)勢，為電液調(diào)節(jié)閥在工業(yè)領域的推廣應用提供了幫助。

1 直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制器的設計要求

從電液調(diào)節(jié)閥的工業(yè)現(xiàn)場應用需求出發(fā)，本文設計的穩(wěn)壓控制器應具備以下功能：（1）參數(shù)自定義?？赏ㄟ^人機交互界面上的按鍵，手動設置調(diào)節(jié)閥的基本參數(shù)、控制參數(shù)等內(nèi)容；（2）液晶顯示。PLC基于前端反饋的實時數(shù)據(jù)，將調(diào)節(jié)閥運行時的實際壓力、目標壓力、實際開度、目標開度、控制參數(shù)等信息在液晶屏上準確顯示，方便工作人員及時了解電液調(diào)節(jié)閥的運行工況和接收控制反饋；（3）數(shù)據(jù)存儲。可實時存儲調(diào)節(jié)閥設定的參數(shù)以及運行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并確保在斷電重啟后可以重新讀取這些數(shù)據(jù)保證電液調(diào)節(jié)閥繼續(xù)運行；（4）遠程通信。利用RS232 通信模塊與上位機實現(xiàn)遠程通信，實時完成前端數(shù)據(jù)的上傳和終端指令的下達等通信任務?；谏鲜鲈O計要求，設計穩(wěn)壓控制器的結構組成如圖1 所示。

2 直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制器的設計要點

2.1 硬件設計

2.1.1 鍵盤輸入電路。該電路的核心功能是設定、修改參數(shù)?？紤]到控制器的硬件設備較多，為減少對單片機引腳的占用，選擇一部8-3 優(yōu)先權編碼器SN74LS148。同時設計一個中斷程序，這樣僅使用單片機的4 個引腳就能保證鍵盤輸入電路正常運行。其運行原理為：8 個按鍵各對應一個編碼值，在按鍵全部復位的情況下，4 個引腳的電位均為0。按下任意按鍵后，單片機產(chǎn)生外部中斷，同時判斷哪個按鍵被按下，并做出中斷處理。8 個按鍵分別為：A1 模式切換鍵，可在伺服控制、開關狀態(tài)、功能設定3 種模式中切換；A2 數(shù)值增加鍵，每按一下目標參數(shù)光標位置數(shù)值+1；A3 數(shù)值減小鍵，每按一下目標參數(shù)光標位置數(shù)值-1；A4 位置光標移動鍵，每按一下位置光標向右移動一個位置，達到末端后回到起始位置循環(huán)移動；A5、A6 分別為數(shù)據(jù)讀取與暫停鍵；A7為數(shù)據(jù)存儲鍵；A8 為控制修改鍵。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集電路。本系統(tǒng)中使用了若干位移傳感器、壓力傳感器，可利用PLC 單片機自帶A/D 轉換模塊將采集到的位移信號、壓力信號統(tǒng)一轉化成5-20mA的電流信號。信號轉換公式為：

數(shù)字結果=1023×{輸入電壓/（V1-V2）}

上式中，V1 代表模擬輸入高電平，V2 則表示模擬輸入低電平。通常情況下，A/D轉換結果的誤差≤±1LSB，精度得到了保障。為保證采集數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定傳輸至PLC 單片機，設置4 個傳感器接口。

2.1.3 數(shù)據(jù)存儲模塊。考慮到直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥的運行環(huán)境復雜，為防止設備突然斷電后重要參數(shù)丟失，應設置數(shù)據(jù)存儲模塊。在調(diào)節(jié)閥正常運行時，可以將重要數(shù)據(jù)實時保存，這樣即便是遇到斷電等情況，也可以在恢復供電后正常讀取數(shù)據(jù)，然后是調(diào)節(jié)閥恢復正常運行。本系統(tǒng)使用了AT24C02 數(shù)據(jù)存儲單元，其核心部分是2K 位串行CMOSE2R ROM，共有256 個16 位字節(jié)。

2.1.4 液晶顯示模塊。液晶顯示屏是實現(xiàn)人機交互的重要組件，本系統(tǒng)設計中選擇OCMJ5X10B 液晶顯示屏，除了顯示內(nèi)容外，還支持屏顯清除、光標顯示等操作。共有16 個引腳，其中1-4 引腳為空白，5-14 引腳用于傳輸數(shù)據(jù)，15 和16 引腳分別連接電位器RO的輸入和輸出口，作用是調(diào)節(jié)液晶顯示屏的亮度。設置有阻容復位回路，上電啟動后，自動執(zhí)行一次初始化程序。

2.2 軟件設計

2.2.1 主程序設計。本系統(tǒng)開發(fā)的使用的主控制器為PLC16F877 單片機，主程序開發(fā)環(huán)境為MPLAB，開發(fā)語言使用C語言。主程序設計如下：通過程序入口啟動主程序后，自動完成系統(tǒng)初始化，并讀取數(shù)據(jù)存儲單元中存儲的各項數(shù)值。此時進入到工作模式1（默認為伺服控制模式），在完成數(shù)據(jù)讀取后將傳感器采集到的信號經(jīng)A/D 轉換后，被PLC識別并在液晶顯示屏上顯示。顯示內(nèi)容主要為電液調(diào)節(jié)閥的設定壓力、實時壓力、當前閥度、當前狀態(tài)等。該控制器共有3 中運行模式，除了默認的伺服控制外，還有開關狀態(tài)（模式2）和功能設定（模式3）。在切換至模式2 后，液晶顯示屏上顯示內(nèi)容主要為閥門狀態(tài)，并可通過屏幕按鍵選擇開啟或關閉閥門；在切換至模式3 后，可手動修改目標壓力、電機參數(shù)，并在液晶顯示屏上顯示。

單片機上電復位后，分別對I/O 口、PWM以及中斷處理系統(tǒng)等進行一次初始化。此時單片機CPU 處于待機模式，運行能耗基本為0，符合電液調(diào)節(jié)閥的節(jié)能設計要求。PLC將PWM信號發(fā)送至前端的CCP 模塊后，驅(qū)動伺服電機完成調(diào)節(jié)任務。完成主程序初始化后，分別控制各個子程序完成電液調(diào)節(jié)閥的各項功能。

2.2.2 子程序設計。對應穩(wěn)壓控制器的硬件部分，分別設置相應的子程序，如液晶顯示子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、報警子程序、通信子程序等。現(xiàn)以數(shù)據(jù)采集模塊為例，介紹其子程序設計要點。從程序?qū)崿F(xiàn)功能上來看，數(shù)據(jù)采集程序主要包括數(shù)據(jù)信號的采集、A/D轉換、軟件濾波等功能。在多路模擬量中選擇需要處理的信號，然后尋找與該型號對應的模擬開關，對該型號進行賦值。然后利用PLC 單片機內(nèi)置的A/D轉換模塊，將賦值后的多組數(shù)據(jù)求平均值。最后根據(jù)計算結果進行軟件濾波，即可保證所得數(shù)據(jù)的精確性、可靠性。數(shù)據(jù)采集程序如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖

結合數(shù)據(jù)采集流程圖可知，在完成A/D 轉換并讀取采樣結果后，還需要執(zhí)行一個“采樣＞3 次”的判斷程序，如果采樣數(shù)不足3 次，則返回程序繼續(xù)采樣，直到滿足該判斷條件后才能繼續(xù)進行程序。其目的是保證采樣數(shù)據(jù)足夠豐富，這樣求取的平均值才更具有代表性。

3 電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制器性能分析

控制策略通常是指對系統(tǒng)進行控制時使用的控制方案、控制目標、控制規(guī)律等。對于電液調(diào)節(jié)閥來說，常用的控制策略為模糊PID控制，其特點在于控制方案簡單，運算速度較快，適用于一些簡單的控制系統(tǒng)。但是在電壓調(diào)節(jié)閥的實際運行中，受到自身結構的影響及外部運行環(huán)境的干擾，容易出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差，在平衡點附近產(chǎn)生震蕩，進而對系統(tǒng)的控制性能造成負面影響。因此本文在常規(guī)PID控制的接觸上提出了一種基于蟻群算法的PID 開關切換控制策略，并對兩種控制策略下系統(tǒng)的穩(wěn)壓控制性能進行了對比。

3.1 系統(tǒng)階躍響應性能

階躍響應通常用于分析被測系統(tǒng)的動態(tài)性能，而該性能也可以直接展示電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制的表現(xiàn)力。通過系統(tǒng)仿真實驗，設定運行時間為12s，施加系統(tǒng)壓力為2.35MPa，記錄并觀察系統(tǒng)的階躍響應曲線，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)階躍響應曲線

根據(jù)圖3 可知，采用常規(guī)PID 控制策略和蟻群模糊PID控制策略，在系統(tǒng)運行一段時間后都可以穩(wěn)態(tài)。但是兩種控制策略下系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)的階躍響應時間有明顯差異。在PID控制策略下，系統(tǒng)階躍響應上升時間為5.0s，調(diào)整時間3.1s；相比之下，基于蟻群模糊PID 控制策略的系統(tǒng)階躍響應上升時間僅為2.5s，調(diào)整時間為1.9s，響應速度有了明顯的提升。

3.2 系統(tǒng)跟蹤性能

為了保證工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥在輸入設定值后，一般不會立即出現(xiàn)連續(xù)變化，而是在一段時間內(nèi)維持當前定值。只有在工作需求發(fā)生改變后，才會隨著設定值發(fā)生變化。因此，跟蹤變化性能也是評價電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制水平的一項重要指標。結合調(diào)節(jié)閥的運行特性，其輸出壓力值僅與閥前壓力有關，因此在實際觀測時可以只考慮方波信號。在仿真實驗中，為了保證正常觀測到方波信號，設定了方波信號的閾值，即上限為2.5MPa，下限為1.5MPa。另外，還設置信號周期為10s，占空比為30%。在完成上述設置后，分別使用常規(guī)PID 控制策略和蟻群模糊PID控制策略檢測系統(tǒng)的跟蹤曲線，如圖4、圖5 所示。

對比圖4 和圖5 可以發(fā)現(xiàn)，兩種控制策略下的系統(tǒng)跟蹤能力均達到了理想預期。但是進一步對比發(fā)現(xiàn)，蟻群模糊PID控制策略的跟蹤性能較好，可作為電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的優(yōu)選控制策略。

圖4 常規(guī)PID 控制方波跟蹤曲線

圖5 蟻群模糊PID 控制方波跟蹤曲線

3.3 系統(tǒng)抗干擾能力

在直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥的實際運行中，受到外界擾動及自身振動的影響，其穩(wěn)壓控制能力也會出現(xiàn)不同程度的下降。對于自身振動，可通過在振動部位設置橡膠軟墊等方式降低振幅；而對于外界擾動，則需要提高系統(tǒng)的抗干擾性能。在干擾仿真實驗中，分別設置了兩種擾動，即突加干擾和隨機擾動，記錄并觀察在不同擾動下的響應情況。在突加干擾仿真實驗中，首先運行電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，使其達到穩(wěn)定狀態(tài)后，在第6s 時施加一個持續(xù)時間為0.5s 的擾動，該擾動的大小為穩(wěn)定值的1/10。觀察在不同控制策略下系統(tǒng)的階躍響應，仿真結果如圖6 所示。

結合圖6 可知，在受到突加擾動后，兩種控制策略下的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)都能在較短時間內(nèi)重新恢復到設置值。但是從響應時間來看，基于蟻群模糊PID控制策略的系統(tǒng)恢復穩(wěn)態(tài)用時更短，因此其抗干擾能力更強。按照同樣的方法，還進行了隨機擾動的仿真實驗，得到了同樣的結果，表明蟻群模糊PID控制策略對提高電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制能力有更加出色地表現(xiàn)。

圖6 系統(tǒng)突加干擾后響應時間

4 結論

電液調(diào)節(jié)閥作為廣泛應用于電力、冶金、石化等工業(yè)領域的重要設備，保證其穩(wěn)定、可靠運行尤為關鍵。直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥通常適用于大力矩、高精度的場合，并且對響應速度、調(diào)節(jié)精度、運行平穩(wěn)度等提出了嚴格要求。本文設計的一種以PLC單片機為主控制器，采用蟻群模糊PID 控制策略，具有鍵盤輸入、液晶顯示、自動報警的電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制器，通過仿真實驗證明階躍響應速度較快，系統(tǒng)跟蹤性能良好，對突加干擾和隨機干擾的抵抗能力較強，能夠使直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥在各種復雜工業(yè)環(huán)境中保持穩(wěn)壓控制，對進一步提高調(diào)節(jié)閥的實用效果有積極幫助。