調(diào)節(jié)閥粘滯特性自整定補(bǔ)償算法研究①

高征 尚群立 劉 偉 李世偉

(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 杭州 310012)

0 引言

自動(dòng)控制系統(tǒng)是現(xiàn)代工廠的重要組成部分。一個(gè)典型的工廠有成百上千的控制回路,調(diào)節(jié)閥是控制回路中唯一運(yùn)動(dòng)的部件。研究表明,有20%～30%的回路振蕩是由調(diào)節(jié)閥粘滯所導(dǎo)致[1]。對(duì)于閥門粘滯問(wèn)題,維修和維護(hù)是最優(yōu)的解決方案。但這需要對(duì)工廠進(jìn)行停車檢修,因此通過(guò)算法補(bǔ)償減小調(diào)節(jié)閥粘滯特性對(duì)控制回路造成的影響就顯得尤為重要。

過(guò)去幾年中,粘滯補(bǔ)償已成為一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。Knocker 方法[2]是最早提出的靜摩擦補(bǔ)償方法之一,該方法將恒定脈沖信號(hào)加入到控制器輸出中以克服閥門靜摩擦,它減少了輸出過(guò)程變量的方差,但增加了閥桿運(yùn)動(dòng),過(guò)多的閥桿運(yùn)動(dòng)會(huì)降低閥門的使用壽命。Sivagamasundar 和Sivakumar[3]提出的方法類似于Knocker 方法,但不同之處在于脈沖幅度和持續(xù)時(shí)間的選擇。這種方法同樣以增加閥桿運(yùn)動(dòng)為代價(jià)來(lái)減少過(guò)程振蕩。因此閥門的使用壽命會(huì)因快速磨損而縮短。與Knocker 方法類似,Arumugam 等人[4]提出了一種靜摩擦補(bǔ)償方法,其中將恒定的正弦信號(hào)添加到控制器的輸出信號(hào)中。正弦信號(hào)的頻率取決于過(guò)程輸出的振蕩幅度和補(bǔ)償時(shí)間段。這種方法能夠有效地減少過(guò)程變量的波動(dòng),但會(huì)增加閥桿的運(yùn)動(dòng)。由Capaci 等人[5]提出的靜摩擦補(bǔ)償方法具有較好的性能。該方法不僅需要閥門的靜摩擦量,還需要估計(jì)過(guò)程輸出穩(wěn)態(tài)時(shí)閥桿位置。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,靜摩擦量化是很困難的,同時(shí)對(duì)閥桿位置和靜摩擦大小的錯(cuò)誤估計(jì)會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的性能變差。Arifin 等人[6]提出的靜摩擦補(bǔ)償方法被稱為可變幅度脈沖法。這種方法的主要思想是對(duì)脈沖幅度進(jìn)行單向搜索,使誤差在指定的限制范圍內(nèi)。它需要指定許多參數(shù)才能正確補(bǔ)償靜摩擦,這些參數(shù)對(duì)于不同的過(guò)程是不同的。Nahid 等人[7-8]提出的新方法本質(zhì)上也是在比例積分微分(proportional integral derivative,PID)的控制器輸出中添加脈沖補(bǔ)償信號(hào),其優(yōu)點(diǎn)是在較少閥桿磨損的基礎(chǔ)上使得輸出達(dá)到理想的穩(wěn)定值。但是方法中的失諧參數(shù)與脈沖幅值范圍較難確定,所以應(yīng)用變得很困難。

本研究在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上,提出了一種新的粘滯特性自整定補(bǔ)償算法。該調(diào)節(jié)閥粘滯補(bǔ)償方法能有效減少閥桿的磨損、消除過(guò)程振蕩、準(zhǔn)確追蹤設(shè)定點(diǎn),同時(shí)具備自整定出所需最優(yōu)參數(shù)的功能。它不要求操作人員對(duì)控制系統(tǒng)有深入的了解、不要求對(duì)閥門調(diào)試有大量的先驗(yàn)知識(shí)。通過(guò)對(duì)算法中的參數(shù)進(jìn)行自整定便能得到符合預(yù)期的參數(shù)值,最后在具有調(diào)節(jié)閥粘滯故障的流量控制回路實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 調(diào)節(jié)閥粘滯特性

氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作可靠、穩(wěn)定、價(jià)格低廉、安全防爆等特點(diǎn),廣泛地應(yīng)用于石油、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域。氣動(dòng)閥門的基本結(jié)構(gòu),如圖1 所示。

圖1 氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體

氣動(dòng)閥門由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體2 部分構(gòu)成,這種閥門通過(guò)預(yù)緊力關(guān)閉和空氣壓力打開(kāi)。閥桿的移動(dòng)受到密封裝置所產(chǎn)生的靜摩擦力或滑動(dòng)摩擦力的影響。如果控制器輸出信號(hào)所產(chǎn)生的推動(dòng)力不能克服靜摩擦力,閥芯位置就不會(huì)發(fā)生變化,直到彈簧彈力與氣室壓力之差超過(guò)最大靜摩擦力,閥芯的位置將產(chǎn)生突然的跳變。閥芯的位置由閥桿上所受各作用力的合力決定,根據(jù)牛頓第二定律,可以得到調(diào)節(jié)閥機(jī)理模型如式(1)所示。

式中,M為移動(dòng)部件質(zhì)量;為閥桿位移;Fa=Au為膜片上所受作用力,Fr=-為彈簧彈力,A為膜片的面積,u為氣室氣壓,k為彈性系數(shù);Ff為閥桿與填料之間的摩擦力;Fp為流體差壓;Fi為閥芯上下面面積不等所受到的額外作用力。由于Fi和Fp在模型中的影響可以忽略不計(jì),故假設(shè)Fi和Fp均為0。Ff如式(2)所示。

式中,v為閥芯移動(dòng)速度,Fs為靜摩擦力,Fc為庫(kù)倫摩擦力,Fv為滑動(dòng)摩擦系數(shù)。當(dāng)調(diào)節(jié)閥正常運(yùn)行時(shí),靜摩擦力和庫(kù)倫摩擦力都很小,此時(shí)調(diào)節(jié)閥特性為線性特性。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,往往由于閥桿與密封裝置之間的摩擦力增大,導(dǎo)致閥門具有明顯的粘滯特性。另外可能由于流過(guò)調(diào)節(jié)閥的液體介質(zhì)粘稠度比較大或者熱脹冷縮等復(fù)雜工況,而這些都會(huì)導(dǎo)致粘滯特性的產(chǎn)生。此時(shí)只有當(dāng)控制信號(hào)克服閥桿與閥體之間的最大靜摩擦力,也即彈簧彈力與氣室壓力之差超過(guò)最大靜摩擦力,閥門將會(huì)移動(dòng),而在移動(dòng)瞬間,靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力,閥芯位置將產(chǎn)生突然的跳變。這種現(xiàn)象就被稱為粘滯。它阻礙了閥桿的正常運(yùn)動(dòng),結(jié)果影響了控制回路的性能。為了定義和檢測(cè)粘滯特性,許多學(xué)者和專家已經(jīng)進(jìn)行了大量研究[9-12]。

粘滯特性表現(xiàn)為調(diào)節(jié)閥閥芯位置在輸入信號(hào)作用下,在滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)前突然的跳變,一般和死區(qū)特性同時(shí)出現(xiàn)。粘滯閥門的典型輸入輸出特性,如圖2所示。

圖2 粘滯閥門的典型輸入輸出特性

圖2 中,描述的粘滯閥門典型的輸入輸出特性包含4 種行為:死區(qū)(AB段)、粘滯(BC段)、跳變(CD段)和平滑(DE段)。其中參數(shù)S為死區(qū)AB加上粘滯區(qū)BC,參數(shù)J為跳變CD的大小。如果J=0 就是常見(jiàn)的調(diào)節(jié)閥死區(qū)特性。當(dāng)調(diào)節(jié)閥靜止或改變方向(點(diǎn)A)時(shí),調(diào)節(jié)閥閥桿進(jìn)入停滯狀態(tài);當(dāng)控制器輸出克服了死區(qū)(AB)加上粘滯區(qū)(BC)即粘滯參數(shù)S時(shí),調(diào)節(jié)閥跳變到一個(gè)新的位置(點(diǎn)D),并且繼續(xù)平滑運(yùn)動(dòng)。死區(qū)和粘滯表示當(dāng)閥門輸入改變而閥門位置不變時(shí)的現(xiàn)象;跳變表示當(dāng)閥門處于粘滯狀態(tài)并將要開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí),由于比較大的靜摩擦力,存儲(chǔ)在執(zhí)行結(jié)構(gòu)里的潛在能量以動(dòng)能的形式突然釋放。一旦閥門開(kāi)始運(yùn)動(dòng),它就繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到再次進(jìn)入粘滯狀態(tài)(點(diǎn)E)。在過(guò)程工業(yè)中,粘滯通常是以閥門行程或控制器輸出范圍的百分比來(lái)衡量的。例如2%的粘滯意味著當(dāng)閥門進(jìn)入粘滯狀態(tài)后,只有當(dāng)控制器輸出的累積增量大于或等于2%時(shí),閥門才會(huì)克服粘滯重新開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。

2 粘滯補(bǔ)償

本節(jié)首先重點(diǎn)介紹由Nahid 等人[7-8]提出的調(diào)節(jié)閥粘滯補(bǔ)償算法及其缺點(diǎn)與改進(jìn)。

2.1 Nahid 方法

Nahid 提出的新方法本質(zhì)上也是在PID 的控制器中添加補(bǔ)償信號(hào),其優(yōu)點(diǎn)是在少量增加閥桿損耗的基礎(chǔ)上使得輸出在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到設(shè)定值,該方法的結(jié)構(gòu)如圖3 所示,補(bǔ)償器接收2 個(gè)信號(hào),即控制誤差信號(hào)和控制器輸出信號(hào)。

圖3 Nahid 方法結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)誤差信號(hào)超過(guò)允許的閾值范圍時(shí),補(bǔ)償器內(nèi)的脈沖發(fā)生器被激活并產(chǎn)生一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)的脈沖。如式(3)所示,等式的第2 個(gè)輸出被稱為“減少控制動(dòng)作”,是通過(guò)將控制器輸出除以適當(dāng)估計(jì)的失諧參數(shù)α獲得,執(zhí)行此步驟以減少控制器動(dòng)作。等式的第1 個(gè)輸出被稱為“帶脈沖的補(bǔ)償器輸出”,它是通過(guò)將來(lái)自脈沖發(fā)生器的預(yù)先設(shè)計(jì)的脈沖添加到“減少的控制動(dòng)作”中獲得的。脈沖僅在很短的持續(xù)時(shí)間TG內(nèi)添加,以便使閥門從其卡住位置滑動(dòng)。經(jīng)過(guò)時(shí)間TG,補(bǔ)償器輸出切換到“減少控制動(dòng)作”,即式(3)中的第2 個(gè)等式。補(bǔ)償器(OP) 的輸出計(jì)算如下:

其中,uc是控制器在kTs時(shí)刻的輸出,Ts是采樣時(shí)間,k是任意整數(shù),Ap是脈沖幅度,T0是脈沖添加開(kāi)始的時(shí)間,T1是脈沖結(jié)束時(shí)間,α是一個(gè)失諧參數(shù),以減少控制動(dòng)作。當(dāng)誤差超過(guò)預(yù)定義的閾值?時(shí),在時(shí)間T0開(kāi)始添加脈沖并持續(xù)到時(shí)間T1。因此,TG=T1-T0。TG是一個(gè)指定的持續(xù)時(shí)間,在此期間,持續(xù)在補(bǔ)償器中添加脈沖信號(hào)產(chǎn)生式(3)中的第1 個(gè)輸出,其中脈沖幅值的正負(fù)由誤差的變化方向決定。過(guò)程參數(shù)、控制器參數(shù)與失諧參數(shù)α之間的關(guān)系定義如下。

式中,τI=τ是一階慣性加延遲環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù),Kp為過(guò)程增益,θ是延遲時(shí)間。

2.2 仿真

使用工業(yè)中閥門-流量串級(jí)控制系統(tǒng)模型對(duì)該補(bǔ)償算法進(jìn)行仿真[13-15]。模型結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 閥門-流量串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

回路中閥門和流量對(duì)象均為工業(yè)中常見(jiàn)的一階慣性環(huán)節(jié),閥門對(duì)象如式(6)所示,流量對(duì)象如式(7)所示。

如圖5 所示,在沒(méi)有補(bǔ)償粘滯時(shí),此時(shí)控制器為傳統(tǒng)比例積分(proportional integral,PI)控制器,參數(shù)KP為1.2,KI為0.5,系統(tǒng)輸出如曲線所示。粘滯產(chǎn)生的非線性因素使閥桿不能及時(shí)對(duì)開(kāi)度信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng),導(dǎo)致部分時(shí)段的閥門信號(hào)輸出與理論輸出不相符,進(jìn)而影響流量對(duì)象的及時(shí)響應(yīng)。控制器為保持輸出穩(wěn)定不斷產(chǎn)生控制作用,從而系統(tǒng)產(chǎn)生了震蕩的情況,導(dǎo)致輸出流量不穩(wěn)定。在t=800 s 時(shí)加入補(bǔ)償,失諧參數(shù)α的取值為6、10、20,脈沖賦值為Ap為1.2。

圖5 閥門-流量串級(jí)控制系統(tǒng)過(guò)程輸出響應(yīng)曲線

從仿真結(jié)果來(lái)看,選取不同的α對(duì)應(yīng)的過(guò)程輸出響應(yīng)不同,當(dāng)α取值過(guò)小時(shí),該方法無(wú)法有效地消除回路振蕩;當(dāng)α取值恰當(dāng)時(shí),該方法可以很好地消除回路振蕩;當(dāng)α取值過(guò)大時(shí),雖然該方法能消除回路振蕩,但過(guò)程輸出的響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),不滿足自動(dòng)控制系統(tǒng)中的快速性要求。并且該方法應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)存在各種局限:(1)由式(4)計(jì)算失諧參數(shù)α?xí)r需要明確PID 控制器以及過(guò)程模型的各項(xiàng)參數(shù),在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,過(guò)程模型無(wú)法直接等同于一階慣性加滯后環(huán)節(jié),因此計(jì)算出α還要配合多次實(shí)際的實(shí)驗(yàn)反饋才能得到最優(yōu)值;(2)脈沖補(bǔ)償信號(hào)幅值的選擇是困難的,對(duì)于不同工況下調(diào)節(jié)閥的粘滯情況是不同的,對(duì)于每個(gè)工況都需要一個(gè)特定的脈沖補(bǔ)償信號(hào),這顯然限制了該方法的普適性。

該方法的實(shí)際操作需要操作人員對(duì)控制系統(tǒng)有較為深入的了解,對(duì)調(diào)節(jié)閥的調(diào)試有大量的先驗(yàn)知識(shí)。在實(shí)際的工廠生產(chǎn)中,大量的線上工人都不具備這樣的條件,因此該方法雖然對(duì)調(diào)節(jié)閥的粘滯補(bǔ)償效果明顯,但仍然存在明顯的缺點(diǎn)。

2.3 自整定補(bǔ)償算法

2.3.1 分析

Nahid 方法中參數(shù)α可通過(guò)式(4)得到相應(yīng)的估計(jì)值,但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)或工廠生產(chǎn)中,被控過(guò)程并不是單純的一階慣性加純滯后環(huán)節(jié),該方法得出的估計(jì)值有較大的局限性。雖然通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)反饋可以得到最優(yōu)的結(jié)果,但是耗費(fèi)大量人力與時(shí)間。

針對(duì)上述問(wèn)題,本節(jié)對(duì)補(bǔ)償方法中α的選取提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案,以誤差積分(integral absolute error,IAE)作為自整定時(shí)的目標(biāo)函數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)α的自整定尋優(yōu)。這樣減少了反復(fù)實(shí)驗(yàn),使得補(bǔ)償控制更加自動(dòng)化,能大幅地提高對(duì)調(diào)節(jié)閥粘滯的補(bǔ)償效率。

2.3.2 關(guān)鍵參數(shù)α在線自整定

為了反映α的控制品質(zhì),選用2 個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):V(x) 和e(t) 作為衡量α品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。

V(x) 表示誤差目標(biāo)函數(shù)的IAE,即誤差的積分:

式中,T1為開(kāi)始計(jì)算時(shí)間,T2-T1表示IAE 所對(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間,e(t) 表示直接反映控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的目標(biāo)函數(shù),即被控量偏離設(shè)定值的大小:

其中,yi為系統(tǒng)輸出,ysp為設(shè)定值。

具體整定步驟如圖6 所示,以時(shí)間T為一個(gè)整定周期,隨著整定周期的增加,α的取值逐漸增加,使得過(guò)程變量達(dá)到指定誤差范圍內(nèi)的設(shè)定值。對(duì)參數(shù)α的取值進(jìn)行逐漸增加有2 個(gè)作用:顯著減少了閥門的反轉(zhuǎn)次數(shù),減少了過(guò)程輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)閥門位置發(fā)生變化的可能性。所提出的整定算法如圖6所示,每個(gè)整定周期,α增加Δ,同時(shí)計(jì)算IAE指標(biāo),當(dāng)過(guò)程變量同時(shí)滿足IAE小于指定值和誤差小于指定值,此時(shí)的α便被認(rèn)為是最優(yōu)的,結(jié)束整定。參數(shù)αmin為1,αmax為10,這種選擇可確保整定過(guò)程效果的完整展示,同時(shí)整定出的α滿足快速性要求。

圖6 自整定算法流程圖

2.4 自整定仿真研究

仿真參數(shù)與2.2 節(jié)保持一致,為了符合工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的真實(shí)情況,在過(guò)程中加入了方差為0.05 的零均高斯白噪聲擾動(dòng)信號(hào)作為過(guò)程干擾。通過(guò)在線自整定獲得最優(yōu)失諧參數(shù)α,取IAE＜0.2、e(t) ＜0.5 為自整定過(guò)程的閾值。

從圖7 和表1 中可以看出,在T1 時(shí)刻,系統(tǒng)進(jìn)入自整定階段,隨著整定時(shí)刻的推移,過(guò)程輸出的IAE不斷減小,最終進(jìn)入算法預(yù)先設(shè)定的允許范圍之內(nèi),此時(shí)的α便是此次整定出的最優(yōu)值。

表1 不同階段的IAE 指標(biāo)

圖7 閥門-流量串級(jí)控制系統(tǒng)自整定響應(yīng)曲線

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

關(guān)于粘滯補(bǔ)償算法的研究,選用流量控制回路臺(tái)架,實(shí)物圖如圖8 所示。

圖8 流量控制回路臺(tái)架實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)裝置包括:主給水泵、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電氣轉(zhuǎn)換器、閥位反饋?zhàn)兯推?、流量?jì)、壓力表以及相互連接的管道。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象閥門如表2 所示。

表2 補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)所用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥

實(shí)驗(yàn)對(duì)象電磁流量計(jì)如表3 所示。

表3 補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)所用電磁流量計(jì)

采用NI 信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,系統(tǒng)主要由NIcRIO-9024機(jī)箱、控制器及NI9203板卡和NI9265板卡組成,與LABVIEW 程序配合使用,用于發(fā)送實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要的信號(hào)及采集存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)。

3.2 制造粘滯

本文所用實(shí)驗(yàn)裝置的閥門原本是正常的閥門,不具有粘滯特性。因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)粘滯補(bǔ)償?shù)尿?yàn)證,必須人為對(duì)閥門制造出粘滯特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)對(duì)閥門的密封裝置增加緊固力時(shí),會(huì)增大閥桿與密封圈之間的摩擦力,從而會(huì)導(dǎo)致閥門出現(xiàn)一定程度的粘滯特性。本文通過(guò)這一手段將粘滯現(xiàn)象加入到流量控制回路的調(diào)節(jié)閥中。

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置上的粘滯效果

設(shè)定相應(yīng)的流量值,調(diào)整PID 參數(shù),使整個(gè)閥門-流量串級(jí)控制系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài),如圖9 所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)回路加入粘滯前后過(guò)程變量運(yùn)行曲線

圖9 中縱坐標(biāo)為流量(單位m3/h),橫坐標(biāo)為時(shí)間(單位s)。在沒(méi)有粘滯的情況下,回路的流量設(shè)定值為0.25 m3/h 時(shí),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,流量設(shè)定為0.50 m3/h,被控流量基本會(huì)維持在設(shè)定區(qū)間。由于一些不可避免的干擾,致使過(guò)程變量曲線在小的范圍內(nèi)跳動(dòng)。當(dāng)回路中的閥門存在粘滯情況時(shí),流量一直在設(shè)定的值之間振蕩,這種振蕩會(huì)嚴(yán)重影響回路的控制性能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為考察不同工況條件下本研究所改進(jìn)的方法是否有效,做如下4 個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1有無(wú)補(bǔ)償?shù)目刂菩Ч?/p>

設(shè)定PI 參數(shù):P=0.08,I=0.004。

設(shè)定流量:0.25 m3/h 階躍至0.50 m3/h。

工況:(1)回路有粘滯無(wú)補(bǔ)償;(2)回路有粘滯有補(bǔ)償。

圖10 中,由于回路存在粘滯,在流量設(shè)定值為從0.25 m3/h 階躍至0.50 m3/h 時(shí),過(guò)程響應(yīng)始終在設(shè)定值附近振蕩;在70 s 進(jìn)行粘滯補(bǔ)償,補(bǔ)償后,回路振蕩消失,流量保持穩(wěn)定。

圖10 回路補(bǔ)償前后的流量曲線

實(shí)驗(yàn)2參數(shù)自整定

設(shè)定PI 參數(shù):P=0.08,I=0.004。

設(shè)定流量:0.50 m3/h。

工況:在200 s 時(shí)進(jìn)行自整定。

圖11 中,在200 s 時(shí)對(duì)回路進(jìn)行粘滯補(bǔ)償,自整定補(bǔ)償算法中的參數(shù)α,經(jīng)過(guò)3 次整定后達(dá)到需要的效果;600 s 進(jìn)入最后一次整定,整定后的補(bǔ)償算法能消除回路振蕩,流量趨于穩(wěn)定。

圖11 回路粘滯補(bǔ)償自整定

實(shí)驗(yàn)3自整定補(bǔ)償算法的驗(yàn)證

設(shè)定的PI 參數(shù):P=0.08,I=0.004。

設(shè)定流量:0.25 m3/h,待自整定結(jié)束后調(diào)整流量為0.50 m3/h,再調(diào)整流量為0.40 m3/h。

工況:在200 s 時(shí)開(kāi)始自整定。

圖12 中,在200 s 時(shí)對(duì)回路進(jìn)行粘滯補(bǔ)償,自整定補(bǔ)償算法中的參數(shù)α,經(jīng)過(guò)2 次整定后達(dá)到需要效果。由于不同的流量設(shè)定值對(duì)應(yīng)的回路粘滯效應(yīng)不同,算法于400 s 進(jìn)入最后一次整定,整定后的補(bǔ)償算法能消除回路振蕩,流量趨于穩(wěn)定。在600 s處,流量設(shè)定值階躍至0.50 m3/h,回路穩(wěn)定,無(wú)振蕩產(chǎn)生。在800 s 處,流量設(shè)定值階躍至0.40 m3/h,回路穩(wěn)定,同樣無(wú)振蕩產(chǎn)生。

圖12 回路粘滯補(bǔ)償自整定后調(diào)節(jié)流量

實(shí)驗(yàn)4正反行程有效性驗(yàn)證

設(shè)定的PI 參數(shù):P=0.08,I=0.004。

設(shè)定流量:0.25 m3/h,待自整定結(jié)束后設(shè)定流量0.70 m3/h 與0.30 m3/h 交替變換。

工況:在200 s 時(shí)開(kāi)始自整定。

圖13 中,在自整定結(jié)束后設(shè)定流量交替變換,使閥門進(jìn)行正向行程與反向行程多次往復(fù)運(yùn)動(dòng),從圖中可以看出該補(bǔ)償算法對(duì)閥門正向與反向行程均有較好的補(bǔ)償效果。

圖13 回路粘滯補(bǔ)償自整定后調(diào)節(jié)流量

4.2 補(bǔ)償器性能的量化

對(duì)于補(bǔ)償器性能的量化需要考慮如下2 個(gè)方面:(1)過(guò)程輸出的方差;(2)過(guò)程輸出的IAE指標(biāo)。

通過(guò)表4 可知,在調(diào)節(jié)閥中存在粘滯并加入補(bǔ)償后系統(tǒng)的過(guò)程方差為0.058,小于調(diào)節(jié)閥無(wú)粘滯與調(diào)節(jié)閥有粘滯物補(bǔ)償時(shí)的方差,能夠克服粘滯特性且具有較好的補(bǔ)償效果。

表4 不同條件下的過(guò)程方差

表5 為在不同的流量設(shè)定、不同的PID 參數(shù)、不同程度的粘滯情況下進(jìn)行自整定,來(lái)驗(yàn)證該方法在各種情況下的通用性。

表5 不同情況下自整定前后的IAE 指標(biāo)

從表5 中可以得出,在流量控制系統(tǒng)中本文所提出的改進(jìn)方法對(duì)不同流量設(shè)定、不同的控制器參數(shù)、不同程度的粘滯情況進(jìn)行有效地補(bǔ)償后,減少了流量輸出的震蕩情況,系統(tǒng)輸出平穩(wěn),表明了該方法的有效性以及準(zhǔn)確性。同時(shí),該算法控制系統(tǒng)中的實(shí)施,不需要操作人員對(duì)控制系統(tǒng)有較為深入的了解以及調(diào)節(jié)閥的先驗(yàn)知識(shí),由算法自整定出最優(yōu)的補(bǔ)償效果。

5 結(jié)論

本文研究了一種參數(shù)在線自整定的粘滯補(bǔ)償方法,補(bǔ)償方案簡(jiǎn)單,補(bǔ)償效果明顯,在線應(yīng)用易于實(shí)現(xiàn),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證了方法的有效性,得到的結(jié)論如下。

(1)在調(diào)節(jié)閥粘滯故障中,該方法能有效減少粘滯補(bǔ)償過(guò)程中調(diào)節(jié)閥的磨損、消除過(guò)程振蕩、準(zhǔn)確追蹤設(shè)定點(diǎn)。

(2)在不同的工況下,不同PID 參數(shù)性能、不同粘滯大小的實(shí)驗(yàn)研究表明,該自整定補(bǔ)償?shù)姆椒ň休^好的補(bǔ)償效果。

(3)通過(guò)對(duì)算法中參數(shù)進(jìn)行自整定便能得到符合預(yù)期的參數(shù)值,提高了該方法的普適性與實(shí)用性。

(4)算法的具體實(shí)現(xiàn)中對(duì)操作人員的專業(yè)知識(shí)要求低,這使得該方法可在工廠不停車檢修的情況下在線應(yīng)用。