基于參數(shù)整定的氣動(dòng)閥門定位裝置最優(yōu)控制策略研究

摘 要：本文旨在探討參數(shù)整定支持下，如何制定氣動(dòng)閥門定位裝置最優(yōu)控制策略。本文提出了一種五步開(kāi)關(guān)控制算法，作為氣動(dòng)閥門定位的基本控制框架。該算法通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)信號(hào)的切換順序，減少了控制過(guò)程中的延遲或者超調(diào)現(xiàn)象。摩擦力的存在會(huì)顯著延長(zhǎng)定位裝置的響應(yīng)時(shí)間，而不適當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣、排氣量則可能導(dǎo)致閥門的滯后現(xiàn)象，從而降低定位精度。本文為氣動(dòng)控制領(lǐng)域提供了一種有效的控制方法，推動(dòng)了氣動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：參數(shù)整定；五步開(kāi)關(guān)控制算法；摩擦力

中圖分類號(hào)：TH 134 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

氣動(dòng)閥門廣泛應(yīng)用于各種流程控制系統(tǒng)中，其性能直接影響生產(chǎn)效率。隨著工業(yè)智能化發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣動(dòng)閥門的定位精度以及響應(yīng)速度的要求越來(lái)越高。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，氣動(dòng)閥門在實(shí)際運(yùn)行中常受到摩擦力、進(jìn)氣量、排氣量等因素的影響，導(dǎo)致定位精度不足、響應(yīng)遲緩等問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，相關(guān)研究人員引入?yún)?shù)整定理論，嘗試制定一種控制方法來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)不同工況下的需求，提升閥門的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

1 五步開(kāi)關(guān)控制算法

五步開(kāi)關(guān)控制算法是一種將Bang-Bang控制與PWM控制相結(jié)合的控制策略。通過(guò)這種方式提高氣動(dòng)閥門定位裝置的控制精度、穩(wěn)定性以及響應(yīng)速度（如圖1所示）。

本次研究中，根據(jù)閥門實(shí)際位置與目標(biāo)位置的偏差，調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，通過(guò)PWM信號(hào)控制氣動(dòng)閥門的開(kāi)度，使閥門緩慢接近目標(biāo)位置。而死區(qū)的設(shè)計(jì)主要是為了防止閥門在目標(biāo)位置附近頻繁切換，提高控制穩(wěn)定性而設(shè)置的一個(gè)區(qū)間。當(dāng)閥門實(shí)際位置進(jìn)入死區(qū)范圍時(shí)，控制器不再輸出Bang-Bang信號(hào)，而是采用PWM控制。在死區(qū)范圍內(nèi)，繼續(xù)采用PWM控制，直至閥門穩(wěn)定在目標(biāo)位置，通過(guò)PWM信號(hào)控制氣動(dòng)閥門的開(kāi)度，使閥門在死區(qū)內(nèi)緩慢調(diào)整[1]。

2 摩擦力對(duì)定位裝置的影響

在氣動(dòng)閥門中，摩擦力主要來(lái)源于閥桿與閥體之間的接觸、填料材料的摩擦以及閥門在運(yùn)行過(guò)程中的磨損。閥桿與閥體的接觸面積、表面光潔度以及潤(rùn)滑情況都可能對(duì)摩擦力產(chǎn)生影響。此外，填料材料的選擇也是一個(gè)重要因素，不同材料的摩擦特性不同（見(jiàn)表1）。

分析表1可以發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯（PTFE）與石墨在摩擦系數(shù)上有明顯差異，前者具有較低的摩擦力，因此在控制精度以及響應(yīng)速度方面表現(xiàn)更優(yōu)秀。

此外，研究人員要通過(guò)試驗(yàn)深入分析摩擦力對(duì)閥位運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

分析表2可以發(fā)現(xiàn)，在理想情況下（無(wú)摩擦力），氣動(dòng)閥門能夠達(dá)到目標(biāo)位置的準(zhǔn)確度可高達(dá)100.03%FSR（Full Scale Range）。然而，隨著摩擦力增加，從20N到90N，閥位最終達(dá)到的位置分別降至95.2%FSR、89.6%FSR、84.3%FSR、79.3%FSR、72.8%FSR。這一趨勢(shì)表明，摩擦力的增加直接導(dǎo)致閥位運(yùn)動(dòng)距離縮短，最終影響系統(tǒng)的控制精度。在閥位啟動(dòng)階段，摩擦力的增加會(huì)導(dǎo)致閥位到達(dá)目標(biāo)位置的時(shí)間延長(zhǎng)[2]。這是由于啟動(dòng)時(shí)，閥門需要克服靜摩擦力才能開(kāi)始移動(dòng)，而一旦克服后，運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)摩擦力會(huì)相對(duì)較小。因此，摩擦力的增加不僅影響閥位的最終位置，還增加了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

3 進(jìn)氣量/排氣量對(duì)定位裝置的影響

在氣動(dòng)系統(tǒng)中，進(jìn)氣量與排氣量是否平衡，決定了氣缸內(nèi)壓力的變化情況，進(jìn)而也影響閥位的移動(dòng)速度以及最終定位的準(zhǔn)確性。本次研究中，研究人員設(shè)計(jì)了一種手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)氣量的輔助定位裝置。該裝置主要由裝置體、流量調(diào)節(jié)手輪、推桿、桿芯、不銹鋼彈簧、進(jìn)氣嘴、出氣腔、進(jìn)氣腔以及步進(jìn)電機(jī)等部位組成。通過(guò)旋轉(zhuǎn)流量調(diào)節(jié)手輪，操作者能夠方便地調(diào)節(jié)出氣腔與進(jìn)氣腔之間的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣量、排氣量的精確控制，如圖2所示。

在本次研究中，研究人員逐步改變流量調(diào)節(jié)手輪的開(kāi)度，將開(kāi)度檔位設(shè)為100%、90%、70%、60%、50%、40%、30%，觀察不同進(jìn)氣量下閥位的響應(yīng)特性。隨后，將同樣的方法應(yīng)用于排氣階段，以驗(yàn)證排氣量對(duì)定位器性能的影響，結(jié)果如圖3所示。

對(duì)圖3所展示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在充氣階段，隨著進(jìn)氣量逐步增加，閥位的響應(yīng)速度也隨之顯著提升。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)閥門的開(kāi)度達(dá)到100%時(shí)，可以看到閥位的移動(dòng)速度顯著加快，其平均運(yùn)行速度較大，幾乎接近閥門的最大行程范圍[3]。這一現(xiàn)象進(jìn)一步表明，在充氣過(guò)程中，進(jìn)氣量是決定閥位動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素。

4 參數(shù)整定

4.1 行程類型整定

本次研究中，研究人員需要先確定正行程、反行程具體參數(shù)，采用Bang-Bang控制策略，即發(fā)送排氣、進(jìn)氣指令，通過(guò)這種方式改變閥位。通過(guò)觀察閥位的變化，判斷閥門的行程類型。正行程通常指閥門在開(kāi)合過(guò)程中，閥位隨著氣源壓力的增加而上升；反行程則表現(xiàn)為閥位在氣源壓力增加時(shí)降低。通過(guò)這一過(guò)程，系統(tǒng)可以清晰地識(shí)別調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行特性，進(jìn)而為后續(xù)的參數(shù)整定打下基礎(chǔ)。

4.2 最小啟動(dòng)PWM整定

針對(duì)單作用氣缸的調(diào)節(jié)閥，確定最小啟動(dòng)PWM（脈寬調(diào)制信號(hào)），確保閥位開(kāi)始移動(dòng)。研究人員在整定過(guò)程通過(guò)逐步增大PWM值，觀察閥位是否開(kāi)始移動(dòng)。當(dāng)PWM值達(dá)到一定閾值時(shí)，閥位開(kāi)始響應(yīng)，該參數(shù)即為最小啟動(dòng)PWM。這一參數(shù)不僅影響閥位的啟動(dòng)速度，也關(guān)系閥門的可靠性。過(guò)低的PWM值可能導(dǎo)致閥門無(wú)法啟動(dòng)，而過(guò)高的PWM值則可能引發(fā)不必要的磨損，如公式（1）所示。

PWMmin=k?（Tr-Tu）+Tu （1）

式中：PWMmin為最小啟動(dòng)PWM值；k為整定系數(shù)，即PWM信號(hào)與閥門響應(yīng)特性的關(guān)系；Tr為目標(biāo)響應(yīng)時(shí)間；Tu為閥門啟動(dòng)延遲時(shí)間。

本次研究中，研究人員通過(guò)調(diào)整系數(shù)以及記錄不同的Tu與Tu的值計(jì)算相應(yīng)的最小啟動(dòng)PWM值。基于該公式，研究人員確定閥門開(kāi)始移動(dòng)的最小PWM值，確保閥門在適當(dāng)?shù)膯?dòng)條件下操作，從而避免過(guò)低或過(guò)高PWM值帶來(lái)的問(wèn)題（詳見(jiàn)表3）[4]。

4.3 最大速度及其過(guò)沖量整定

在整定過(guò)程中，對(duì)每個(gè)控制周期內(nèi)的閥位數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，記錄閥位的變化量以及時(shí)間間隔，從而得出閥位速度。如果在1s內(nèi)閥位變化10%，那么當(dāng)前速度為10%/s。過(guò)沖量則是指閥位在達(dá)到設(shè)定位置時(shí)超出目標(biāo)位置的幅度，如果設(shè)定位置為100%，而實(shí)際閥位達(dá)到的最大值為105%，那么過(guò)沖量為5%。上述兩項(xiàng)參數(shù)直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。過(guò)大的過(guò)沖量可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定，因此，整定時(shí)，需要平衡速度與穩(wěn)定性。研究人員將比例增益設(shè)置為Kp=1.5，積分增益設(shè)置為Ki=0.5，從而在快速響應(yīng)的同時(shí)，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.4 基準(zhǔn)速度與基準(zhǔn)速度PWM整定

整定過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)在最大過(guò)沖量范圍內(nèi)逐漸逼近死區(qū)，通過(guò)觀察閥位的變化情況，最終確定合適的基準(zhǔn)速度。具體實(shí)踐中，最大過(guò)沖量被控制在3%以內(nèi)，且死區(qū)寬度為2%。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，研究人員確定基準(zhǔn)速度為20%/s，這一速度能夠在最小過(guò)沖量下實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的目標(biāo)。確定基準(zhǔn)速度后，研究人員調(diào)整相應(yīng)的PWM值，以確保在該速度下閥位能維持穩(wěn)定運(yùn)行。適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)速度以及PWM設(shè)置能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)性，使調(diào)節(jié)閥在動(dòng)態(tài)變化中保持較好的控制效果。

5 基于參數(shù)整定的最優(yōu)控制策略

基于上述研究成果，研究人員擬定了一套完整的基于參數(shù)整定的氣動(dòng)閥門定位裝置最優(yōu)控制策略，如圖4所示。

控制過(guò)程被細(xì)分為7個(gè)區(qū)間，即快速區(qū)、降速區(qū)、微調(diào)區(qū)、死區(qū)。這種分區(qū)方法使控制策略能夠根據(jù)閥位變化的不同狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整控制方式，從而實(shí)現(xiàn)最佳的響應(yīng)效果。其中，快速區(qū)采用Bang-Bang控制策略，能夠迅速減少系統(tǒng)誤差，確保閥位快速接近設(shè)定值。此時(shí)，控制信號(hào)的輸出狀態(tài)為全開(kāi)/全關(guān)，避免了控制過(guò)程中的延遲。一旦閥位進(jìn)入降速區(qū)，控制方式轉(zhuǎn)向基準(zhǔn)速度PWM控制。在該階段，控制系統(tǒng)會(huì)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)閥位速度，逐步降低調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，控制信號(hào)的輸出頻率逐漸減小。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)閥位的變化，自動(dòng)調(diào)整PWM信號(hào)，以確保閥位以適宜的速度接近目標(biāo)值，避免因過(guò)快運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致超調(diào)。當(dāng)閥位接近目標(biāo)值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入微調(diào)區(qū)。在這一階段，采用最小啟動(dòng)PWM控制，進(jìn)一步精細(xì)調(diào)整閥位。PWM信號(hào)以4%的幅度逐步減小，確保閥位在接近目標(biāo)值時(shí)不會(huì)發(fā)生劇烈波動(dòng)。本次研究中，死區(qū)范圍設(shè)定為0.5%FSR。在這一范圍內(nèi)，閥位保持不變，控制系統(tǒng)停止進(jìn)氣或排氣，以避免頻繁的操作引起系統(tǒng)不必要的波動(dòng)[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)氣動(dòng)閥門定位裝置的控制策略進(jìn)行了深入探討，采用五步開(kāi)關(guān)控制算法分析了影響定位裝置的多種因素，通過(guò)參數(shù)整定，提出了基于這些因素的最優(yōu)控制策略，為提升氣動(dòng)閥門的響應(yīng)速度、精度提供了有效的解決方案。通過(guò)本次研究，研究人員得出以下結(jié)論。1）本文采用的五步開(kāi)關(guān)控制算法在實(shí)際應(yīng)用中具有優(yōu)越的響應(yīng)特性，能夠迅速將閥門定位至目標(biāo)值，顯著減少了控制過(guò)程中的超調(diào)與震蕩現(xiàn)象，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2）通過(guò)分析摩擦力以及進(jìn)氣量/排氣量對(duì)定位裝置的影響發(fā)現(xiàn)，摩擦力對(duì)閥門的開(kāi)啟與關(guān)閉速度具有顯著影響，而合理調(diào)節(jié)進(jìn)氣量、排氣量能夠有效改善閥門的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)為實(shí)際操作中優(yōu)化氣動(dòng)系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。3）研究表明，通過(guò)精確的參數(shù)整定可以大幅提高閥門定位的精度與穩(wěn)定性，進(jìn)而優(yōu)化整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的性能。

參考文獻(xiàn)

[1]金縱橫，尚群立，于智利，等.智能氣動(dòng)閥門定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究[J].高技術(shù)通訊，2024，34（4）：420-428.

[2]王懷康，趙立業(yè).改進(jìn)預(yù)估模糊PID控制在氣動(dòng)閥門定位系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2023（1）：142-146.

[3]陳二鋒，丁建春，武園浩，等.氣動(dòng)閥門顫振的局部穩(wěn)定與全局穩(wěn)定特性[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2018，33（3）：663-670.

[4]石朝鋒，薛立鵬，張連萬(wàn)，等.氣動(dòng)閥門運(yùn)動(dòng)特性研究[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2018（1）：41-44.

[5]鄭麗麗，王志國(guó)，劉飛.模糊聚類下氣動(dòng)閥門粘滯檢測(cè)方法的改進(jìn)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2018，37（2）：300-305.