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智能電氣閥門系統控制優化方法研究
閱讀：474 發布時間：2014-6-9隨著科學計算的發展，工業生產的自動化技術也不斷提高，調節閥作為電氣自動控制系統中的重要部分，其性能的高低和總體電氣控制系統的控制精度以及產品質量具有較強的關聯性。閥門定位器是智能電氣閥的關鍵部件，其能夠有效解決閥桿的摩擦力以及介質的不均衡干擾，進而提高調節閥的控制效率和準確性。閥門定位器在工業生產中具有重要的作用，隨著過程控制技術的發展，定位器的性能也應逐漸增強。當前越來越多的公司，如ABB、FISHER公司等生產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、簡便化等優勢。
當前的智能電氣閥門定位器大都依據力平衡理論進行設計。通過重復調整不同的彈簧螺釘實現力均衡，zui終對流量進行有效的控制。電氣定位器的結構較為單一，并且容易受到溫度、振動變化的干擾，對安裝檢修技術的要求較高；并且需要對定位器零點，以及行程進行多次調整。智能電氣閥門定位器控制模型，需要操作人員現場對部件的氣腔體積、氣源的變化性、電氣轉換模塊的非線性等參數進行調整，存在效率低、誤差大以及時間滯后等問題。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，通過氣壓信號調控閥門。調控閥產生動作后，閥桿會產生一定的位移，并將相關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行對比分析，如果兩種信號不同，則促使閥門的驅動部件進行工作，直至兩種信號相同為止。如果兩種信號相同，則驅動部件不會對閥位進行調節。智能電氣閥門定位器具有控制精度高、自主分析性強、效率高等優勢。
智能電氣閥門定位器的工作原理用圖1描述，關鍵的控制電路是單片機，其可采集控制器的閥門開度信號（4～20mA），獲取該信號同實際的開度反饋信號差，按照該信號差的方向以及大小產生電壓信號并對電氣動放大器PV1以及PV2進行控制。
隨著電子技術的不斷發展，單片機的集成度也不斷增強，進而提高總體部件的運行效率和準確性；以單片機為基礎的系統中主要采用PID控制算法完成定位控制；但是隨著設備復雜程度的增加，這種控制方法的弊端逐漸顯現。主要是由于氣壓經過單向閥A以及B的開關對閥門膜頭的進氣以及出氣量進行調控，促使閥芯的位置發生變化，從而對氣氛的開度進行適當的調控，實現閥門的準確定位。如果正信號誤差較大，則產生的一系列信號將會導致單向閥A快速開啟，單向閥B閉合，使得閥門膜頭的氣壓增加，否則負信號誤差較大時，產生的信號使得閥快速A閉合，閥B快速開啟，使得閥門膜頭氣壓降低，慣性增大。如果信號差是零，則產生的信號使得閥A和B都閉合，此時閥門膜頭氣壓的穩定性被破壞，形成控制信號模糊化，控制超調現象，影響控制精度。
2 改進的動態自主PID控制方法
由于誤差的存在，導致傳統的PID控制過程存在過控制現象。本文在傳統的控制方法基礎上，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PID信號模糊性
在傳統的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，可設置動態PID控制器系統的誤差是E，系統誤差表達式為e（t）、誤差波動率EC，表達式為e（t），K為調節系數，可得：
（1）
（2）
則能夠得到融合改進調整函數的控制律是：
U=βE+（1－β）EC （3）
式（3）中，β表示相應的比例系數，式（2）中Kec（t）表示微分系數，進而能夠獲取調整函數是
β=β0+Kβ|E‖E|max （4）
式（4）中，β0用于描述|E|時調整因子，0≤β≤0.5，0≤β≤1，Kβ是常數0≤Kβ≤（1－β0）。
式（4）能夠依據誤差的大小自主調控誤差以及誤差的波動性對控制作用的權重。融合改進調整函數的動態PID控制器的結構圖用圖2描述。
通過圖2所示控制器能夠對調整函數進行在線自主調控，誤差e同u間的控制規范具有動態性，誤差e同控制u間的控制規范是一種動態的PID控制規范。
依據相關的控制經驗可得，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。設置系統e'，ec'，Δkp、Δki、Δkd的波動區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}，按照相關的控制經驗可塑造Δkp、Δki、Δkd的模糊標準表，設置e'，ec'，Δkp、Δki、Δkd滿足正態分布，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參數的修正值，采用查詢表的方式在微控器中實現。
（5）
對上述分析的控制器參數e'、ec'、Δkp，Δki，Δkd，如果只通過人工方法無法獲取這些參數的*組合，通過改進方法能夠獲取這些參數的取值。通常將時間同誤差的積作為分析控制器參數性能的指標函數，則有：
（6）
式（6）中，J用于描述誤差加權時間后的積分面積大小，其可描述系統的響應效率、控制時間以及超調量的大小，并且能夠降低系統的波動性。通?？刹捎檬剑?/span>6）描述的指標對控制器參數e'、ec'、Δkp、Δki、Δkd進行尋優，依據性能指標規范，對控制器參數進行調整，zui終獲取*的組合值。通過上述分析的指標函數能夠及時調整函數β，并且需要改進β0以及Kβ兩個參數，依據如下規范對其進行尋優：0≤β0≤0.5，0≤Kβ≤（1－β00≤Kβ≤（1－β0），zui終完成對控制器參數的優化，通過*的智能電氣閥門定位器控制參數組合，實現對控制器數據信號的準確調控。
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，控制系統輸入頻率、幅度以及設置好的三角波信號。并且系統的輸出振動規范要求如式（7）所示。
（7）
μ90位置的頻率響應幅值是
（8）
能夠獲取PID控制參數是
（9）
式（9）中，通過測量輸出信號峰值能夠獲取振幅a，測量系統輸出通過工作點的兩次時間能夠獲取周期T，d用于描述三角波峰值同半周期的比值。本文設置的閥門控制系統的相位裕度φm為30°～50°，幅值裕度Am為2～5。
智能電氣閥門定位器系統運行時，氣源壓力和壓電陶瓷閥具有多樣性和隨機性，因而要求系統的控制參數能夠依據系統的實際情況，及時進行調整。自適應調控器結構用圖3描述。
并將系統消除模糊性后，得到的相應誤差劃分成15%之內和之外兩部分，如果系統輸出大于設置值的15%誤差帶，則進行Bang-bang控制，打開（關閉）壓電比例閥，全速放氣（充氣），增強系統的定位效率。如果系統誤差小于15%誤差帶，需要對系統進行自適應PID控制，將誤差e以及誤差波動率ec當成算法的輸入，通過模糊規范后的PID參數對系統數據進行及時控制，采用12位A/D采樣將輸入以及反饋轉化成量化值0～（212-1），zui終使得e處于0～4095之中，ec處于0～2000之中，實現e以及ec的量化值歸一化操作。
（10）
3 實驗結果
為了驗證本文設計方法的有效性，需要進行相關的實驗。實驗系統包括4～20mA的電流輸入源、智能閥門定位器硬件、直行程氣動運行器以及信號收集卡。系統輸入是電流，通過單片機采集數據，運算輸出電壓，并且調控壓電陶瓷進行充氣或放氣，進而使得氣動運行器的位置發生改變，實現對閥門的準確定位，通過數據收集卡將實時數據傳送到計算機中。
實驗規定系統氣動運行器的運行類型是直行程，閥門流量特性是直線流量特征，設置系統的相位裕度φm=45°，幅值裕度Am=2，通過式（5）能夠得到PID控制參數的原始值kp=1.4064，ki=0.230，kd=0.8527。zui終獲取本文方法和傳統的PID方法的響應曲線用圖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曲線，（b）、（c）、（d）分別用于描述閥門開度在20%、40%、60%時的局部控制點精度放大圖。
描述了本文方法具有較強的穩定性，能夠對系統的超調性進行及時的處理，并且相應的超調量低于2%，持續的時間是4s。與傳統的圖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。
系統輸入遞增1.6mA時的控制時間用表1描述。
表1 系統控制時間
分析表1可得，本文設計的系統對不同的輸入電流的調節時間都在相關的閥值內，能夠對系統的信號進行及時的控制，解決了傳統控制方法存在的時間滯后性問題，有利于對定位器信號進行準確的控制。
4 結論
本文提出了一種智能電氣閥門定位器控制系統的優化設計方法，在綜合分析智能電氣閥門定位器的硬件結構基礎上，采用改進的動態PID控制方法對定位器的信號進行有效的控制，該方法能夠對閥門運行過程中的相關參數進行自主調整和優化，進而實現對閥門位置的準確控制，增強智能電氣定位器控制的效率以及智能化。通過zui終的實驗結果說明，本文設計的系統能夠對電氣閥門定位器的實時自主控制，具有較強的穩定性，能夠對系統的超調性進行及時的處理，取得了令人滿意的結果。