智能電氣閥門系統(tǒng)控制優(yōu)化方法研究

隨著科學(xué)計(jì)算的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的自動化技術(shù)也不斷提高，調(diào)節(jié)閥作為電氣自動控制系統(tǒng)中的重要部分，其性能的高低和總體電氣控制系統(tǒng)的控制精度以及產(chǎn)品質(zhì)量具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。閥門定位器是智能電氣閥的關(guān)鍵部件，其能夠有效解決閥桿的摩擦力以及介質(zhì)的不均衡干擾，進(jìn)而提高調(diào)節(jié)閥的控制效率和準(zhǔn)確性。閥門定位器在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要的作用，隨著過程控制技術(shù)的發(fā)展，定位器的性能也應(yīng)逐漸增強(qiáng)。當(dāng)前越來越多的公司，如ABB、FISHER公司等生產(chǎn)出了智能化的電氣閥門定位器，這些智能定位器具有自主化、簡便化等優(yōu)勢。

當(dāng)前的智能電氣閥門定位器大都依據(jù)力平衡理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過重復(fù)調(diào)整不同的彈簧螺釘實(shí)現(xiàn)力均衡，zui終對流量進(jìn)行有效的控制。電氣定位器的結(jié)構(gòu)較為單一，并且容易受到溫度、振動變化的干擾，對安裝檢修技術(shù)的要求較高；并且需要對定位器零點(diǎn)，以及行程進(jìn)行多次調(diào)整。智能電氣閥門定位器控制模型，需要操作人員現(xiàn)場對部件的氣腔體積、氣源的變化性、電氣轉(zhuǎn)換模塊的非線性等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，存在效率低、誤差大以及時(shí)間滯后等問題。因此，需要新一代的智能電氣閥門定位器解決這些問題。
1智能電氣閥門定位器工作原理分析
智能閥門定位器主要用于調(diào)控控制閥，采集控制器輸出的電流控制信號，通過氣壓信號調(diào)控閥門。調(diào)控閥產(chǎn)生動作后，閥桿會產(chǎn)生一定的位移，并將相關(guān)的信號傳遞到閥門定位器。定位器對輸入控制信號和閥位反饋信號進(jìn)行對比分析，如果兩種信號不同，則促使閥門的驅(qū)動部件進(jìn)行工作，直至兩種信號相同為止。如果兩種信號相同，則驅(qū)動部件不會對閥位進(jìn)行調(diào)節(jié)。智能電氣閥門定位器具有控制精度高、自主分析性強(qiáng)、效率高等優(yōu)勢。
智能電氣閥門定位器關(guān)鍵的控制電路是單片機(jī)，其可采集控制器的閥門開度信號（4～20mA），獲取該信號同實(shí)際的開度反饋信號差，按照該信號差的方向以及大小產(chǎn)生電壓信號并對電氣動放大器PV1以及PV2進(jìn)行控制。
隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度也不斷增強(qiáng)，進(jìn)而提高總體部件的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性；以單片機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中主要采用PID控制算法完成定位控制；但是隨著設(shè)備復(fù)雜程度的增加，這種控制方法的弊端逐漸顯現(xiàn)。主要是由于氣壓經(jīng)過單向閥A以及B的開關(guān)對閥門膜頭的進(jìn)氣以及出氣量進(jìn)行調(diào)控，促使閥芯的位置發(fā)生變化，從而對氣氛的開度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，實(shí)現(xiàn)閥門的準(zhǔn)確定位。如果信號差是零，則產(chǎn)生的信號使得閥A和B都閉合，此時(shí)閥門膜頭氣壓的穩(wěn)定性被破壞，形成控制信號模糊化，控制超調(diào)現(xiàn)象，影響控制精度。
2改進(jìn)的動態(tài)自主PID控制方法
由于誤差的存在，導(dǎo)致傳統(tǒng)的PID控制過程存在過控制現(xiàn)象。本文在傳統(tǒng)的控制方法基礎(chǔ)上，提出了一種基于融合去模糊化的PID控制方法。
2.1去除動態(tài)PID信號模糊性
在傳統(tǒng)的PID控制中，由于誤差的存在，使得控制信號存在模糊性，為了去除這種模糊性，可設(shè)置動態(tài)PID控制器系統(tǒng)的誤差是E，系統(tǒng)誤差表達(dá)式為e（t）、誤差波動率EC，表達(dá)式為e（t），K為調(diào)節(jié)系數(shù)，可得：
則能夠得到融合改進(jìn)調(diào)整函數(shù)的控制律是：
U=βE+（1－β）EC（3）
式（3）中，β表示相應(yīng)的比例系數(shù)，式（2）中Kec（t）表示微分系數(shù)，進(jìn)而能夠獲取調(diào)整函數(shù)是
β=β0+Kβ|E‖E|max（4）
式（4）中，β0用于描述|E|時(shí)調(diào)整因子，0≤β≤0.5，0≤β≤1，Kβ是常數(shù)0≤Kβ≤（1－β0）。
式（4）能夠依據(jù)誤差的大小自主調(diào)控誤差以及誤差的波動性對控制作用的權(quán)重。融合改進(jìn)調(diào)整函數(shù)的動態(tài)PID控制器的結(jié)構(gòu)圖用圖2描述。
通過圖2所示控制器能夠?qū)φ{(diào)整函數(shù)進(jìn)行在線自主調(diào)控，誤差e同u間的控制規(guī)范具有動態(tài)性，誤差e同控制u間的控制規(guī)范是一種動態(tài)的PID控制規(guī)范。
依據(jù)相關(guān)的控制經(jīng)驗(yàn)可得，Δkp、Δki、Δkd的波動范圍分別是（-0.4，0.4）、（-0.08，0.08）、（-0.25，0.25），需要將這些參量歸一化到范圍（-5，5）中。設(shè)置系統(tǒng)e’，ec’，Δkp、Δki、Δkd的波動區(qū)域是模糊集的論域是e’，ec’，Δkp、Δki、Δkd={-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}模糊子集是e’，ec’，Δkp、Δki、Δkd={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，按照相關(guān)的控制經(jīng)驗(yàn)可塑造Δkp、Δki、Δkd的模糊標(biāo)準(zhǔn)表，設(shè)置e’，ec’，Δkp、Δki、Δkd滿足正態(tài)分布，明確論域中不同元素對模糊變量的隸屬度，建立模糊控制表。利用重心法去模糊化，獲得PID參數(shù)的修正值，采用查詢表的方式在微控器中實(shí)現(xiàn)。
（5）
對上述分析的控制器參數(shù)e’、ec’、Δkp，Δki，Δkd，如果只通過人工方法無法獲取這些參數(shù)的*組合，通過改進(jìn)方法能夠獲取這些參數(shù)的取值。通常將時(shí)間同誤差的積作為分析控制器參數(shù)性能的指標(biāo)函數(shù)，則有：
（6）
式（6）中，J用于描述誤差加權(quán)時(shí)間后的積分面積大小，其可描述系統(tǒng)的響應(yīng)效率、控制時(shí)間以及超調(diào)量的大小，并且能夠降低系統(tǒng)的波動性。通?？刹捎檬剑?）描述的指標(biāo)對控制器參數(shù)e’、ec’、Δkp、Δki、Δkd進(jìn)行尋優(yōu)，依據(jù)性能指標(biāo)規(guī)范，對控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，zui終獲取的組合值。通過上述分析的指標(biāo)函數(shù)能夠及時(shí)調(diào)整函數(shù)β，并且需要改進(jìn)β0以及Kβ兩個(gè)參數(shù)，依據(jù)如下規(guī)范對其進(jìn)行尋優(yōu)：0≤β0≤0.5，0≤Kβ≤（1－β00≤Kβ≤（1－β0），zui終完成對控制器參數(shù)的優(yōu)化，通過*的智能電氣閥門定位器控制參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)對控制器數(shù)據(jù)信號的準(zhǔn)確調(diào)控。

2.2模糊消除后的PID控制過程
在消除模糊性后，PID自整定通過積分的繼電途徑，控制系統(tǒng)輸入頻率、幅度以及設(shè)置好的三角波信號。并且系統(tǒng)的輸出振動規(guī)范要求如式（7）所示。
（7）
μ90位置的頻率響應(yīng)幅值是
（8）
能夠獲取PID控制參數(shù)是
（9）
式（9）中，
通過測量輸出信號峰值能夠獲取振幅a，測量系統(tǒng)輸出通過工作點(diǎn)的兩次時(shí)間能夠獲取周期T，d用于描述三角波峰值同半周期的比值。本文設(shè)置的閥門控制系統(tǒng)的相位裕度φm為30°～50°，幅值裕度Am為2～5。
智能電氣閥門定位器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，氣源壓力和壓電陶瓷閥具有多樣性和隨機(jī)性，因而要求系統(tǒng)的控制參數(shù)能夠依據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。自適應(yīng)調(diào)控器結(jié)構(gòu)用圖3描述。
并將系統(tǒng)消除模糊性后，得到的相應(yīng)誤差劃分成15%之內(nèi)和之外兩部分，如果系統(tǒng)輸出大于設(shè)置值的15%誤差帶，則進(jìn)行Bang-bang控制，打開（關(guān)閉）壓電比例閥，全速放氣（充氣），增強(qiáng)系統(tǒng)的定位效率。如果系統(tǒng)誤差小于15%誤差帶，需要對系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)PID控制，將誤差e以及誤差波動率ec當(dāng)成算法的輸入，通過模糊規(guī)范后的PID參數(shù)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)控制，采用12位A/D采樣將輸入以及反饋轉(zhuǎn)化成量化值0～（212-1），zui終使得e處于0～4095之中，ec處于0～2000之中，實(shí)現(xiàn)e以及ec的量化值歸一化操作。

（10）
3實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方法的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括4～20mA的電流輸入源、智能閥門定位器硬件、直行程氣動運(yùn)行器以及信號收集卡。系統(tǒng)輸入是電流，通過單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，運(yùn)算輸出電壓，并且調(diào)控壓電陶瓷進(jìn)行充氣或放氣，進(jìn)而使得氣動運(yùn)行器的位置發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)對閥門的準(zhǔn)確定位，通過數(shù)據(jù)收集卡將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)中。
實(shí)驗(yàn)規(guī)定系統(tǒng)氣動運(yùn)行器的運(yùn)行類型是直行程，閥門流量特性是直線流量特征，設(shè)置系統(tǒng)的相位裕度φm=45°，幅值裕度Am=2，通過式（5）能夠得到PID控制參數(shù)的原始值kp=1.4064，ki=0.230，kd=0.8527。zui終獲取本文方法和傳統(tǒng)的PID方法的響應(yīng)曲線用圖4、圖5描述，其中（a）用于描述周期性添加輸入電流得到的響應(yīng)曲線，（b）、（c）、（d）分別用于描述閥門開度在20%、40%、60%時(shí)的局部控制點(diǎn)精度放大圖。
描述了本文方法具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠?qū)ο到y(tǒng)的超調(diào)性進(jìn)行及時(shí)的處理，并且相應(yīng)的超調(diào)量低于2%，持續(xù)的時(shí)間是4s。與傳統(tǒng)的圖5對比，可以看出，本文的方法在不同開度的情況下，控制精度有了較為明顯的提升。
系統(tǒng)輸入遞增1.6mA時(shí)的控制時(shí)間用表1描述。
表1系統(tǒng)控制時(shí)間
分析表1可得，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對不同的輸入電流的調(diào)節(jié)時(shí)間都在相關(guān)的閥值內(nèi)，能夠?qū)ο到y(tǒng)的信號進(jìn)行及時(shí)的控制，解決了傳統(tǒng)控制方法存在的時(shí)間滯后性問題，有利于對定位器信號進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。
4結(jié)論
本文提出了一種智能電氣閥門定位器控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在綜合分析智能電氣閥門定位器的硬件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的動態(tài)PID控制方法對定位器的信號進(jìn)行有效的控制，該方法能夠?qū)﹂y門運(yùn)行過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自主調(diào)整和優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對閥門位置的準(zhǔn)確控制，增強(qiáng)智能電氣定位器控制的效率以及智能化。通過zui終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)﹄姎忾y門定位器的實(shí)時(shí)自主控制，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠?qū)ο到y(tǒng)的超調(diào)性進(jìn)行及時(shí)的處理，取得了令人滿意的結(jié)果。

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