一種智能閥門定位器控制算法

付 健，馬 林

(重慶川儀自動化股份有限公司，重慶 401121)

隨著化工、冶金、電力和制藥等行業的快速發展，在整個過程控制中，人們對氣動調節閥的控制品質提出了更高的要求。智能閥門定位器作為氣動調節閥的大腦，對整個調節閥控制系統的性能起著決定性的作用［1-7］。

智能閥門定位器根據其I/P轉換單元工作原理的不同，可以分為壓電閥式與噴嘴擋板式2種。噴嘴擋板式智能閥門定位器具有控制平穩、動態特性好等優點，但是由于其利用氣平衡原理進行工作，對氣源的穩定性要求較高，且氣量消耗較大，不利于節能減排。壓電閥式智能閥門定位器采用開關原理進行工作，對氣源的穩定性要求較低，且內阻極高的壓電陶瓷材料功耗極小，因此廣受青睞。

目前，國際上比較主流的壓電閥式智能閥門定位器以德國西門子公司生產的SIPART PS2系列為代表，其主要采用“五步開關”算法進行控制。隨著我國自動化儀表技術的發展，國內也出現了幾款壓電閥式智能閥門定位器。HVP智能閥門定位器由重慶川儀自主研發，采用壓電閥作為I/P轉換單元核心，控制算法在“五步開關”算法基礎上進行了自主創新，彌補了傳統“五步開關”算法在控制中的缺陷，此項技術已經達到國際先進水平，打破了國外產品對該市場的壟斷。

1 工作原理

調節閥控制系統如圖1所示，由系統控制信號、控制單元、I/P轉換器、位置傳感器、啟動調節閥構成，其中控制單元、I/P轉換器、位置傳感器是智能閥門定位器的重要組成部分。

圖1 調節閥控制系統

系統將控制信號作為控制輸入變量送入智能閥門定位器。智能閥門定位器將氣動調節閥的開度通過位置傳感器采集進來，將其作為反饋變量。經過量綱歸一化處理后，控制單元將控制輸入變量與反饋變量進行對比，通過算法計算出恰當的脈沖波形，將脈沖信號送入I/P轉換器，控制氣動調節閥進行相應的動作，直至控制輸入變量與反饋變量相同時，智能閥門定位器停止輸出，氣動調節閥停于目標位置［8-11］。

HVP智能閥門定位器利用微處理器輸出脈沖控制信號，通過I/P轉換器將數字電信號轉化為開關的氣信號，從而驅動氣動調節閥，使之做出相應動作。其中脈沖控制為整個工作的重中之重。

在實際應用中，HVP智能閥門定位器首次安裝之后，其對被控對象(調節閥及氣動執行機構)屬性并不了解，如行程、作用方向、速度、摩擦力、氣泄漏量等，所以定位器在投入自動運行之前，必須進行一次運行參數的自動整定，簡稱“自整定”。在自整定中，定位器通過控制調節閥全開全關的移動，確定其行程、作用方向及速度，同時利用不同周期的脈沖，控制調節閥全行程移動，確定最優的脈沖周期。

2 控制算法設計

脈沖寬度調制是英文“pulse width modulation”的縮寫，簡稱脈寬調制(PWM)，是利用微處理器的數字輸出對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，被廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。HVP智能閥門定位器就利用了這一技術。

在PWM控制技術中，最重要的是PWM周期的選取及占空比的控制，其中PWM周期的選取是基礎。如果周期過小，輸出能量小于被控對象的啟動閾值，可能出現輸出推不動被控對象的情況;如果周期過大，又會影響PWM控制的連續性，使被控對象出現時停時走的現象。相對于周期的選取，PWM占空比的控制則是PWM控制技術的核心。占空比過大，送給被控對象的能量就多，容易出現控制超調的現象;反之，則會出現速度過慢，調節時間過長的現象，最終直接影響控制品質。

2.1 PWM周期的選取

在HVP智能閥門定位器中，PWM周期選取的工作主要是在自整定中進行的。在自整定中，分別用不同周期，占空比為50%的PWM脈沖驅動調節閥，對其進行全行程的開環實驗，記錄并尋找最優的PWM周期。尋找的標準是:輸出的PWM脈沖既能驅動調節閥，又能使其連續穩定的運動，并且運動速度的大小滿足控制要求。

2.2 PWM占空比的控制

PWM占空比的控制是一項復雜的工作。在HVP智能閥門定位器中，摒棄了傳統以固定占空比進行控制的方式，取而代之的是以變化的占空比進行自適應控制。通過定時對速度及閥位的采樣，算出該位置理想的速度，與當前速度進行比較后，進行PWM占空比的調整。

2.3 控制算法核心

本設計整體依然沿用經典的“五步開關”算法進行控制，但在實現的細節上進行了適當的修改。“五步開關”算法示意圖如圖2所示。

圖2 “五步開關”算法示意圖

在圖2中，當e≤e1或e≥e2時，被控對象處于快速區，采用棒棒控制;當e3＞e＞e1或e2＞e＞e4時，被控對象處于低速區，采用PWM脈沖控制;當e4≥e≥e3時，被控對象處于控制死區內，采用直接關閉PWM輸出的方式使調節閥停止于控制死區內。

在自整定中，通過進行調節閥全行程的開環實驗，分別找出進排氣過程中的最大速度并記錄此時位置。根據記錄的最大速度位置，控制調節閥以全開的方式分別從兩個端點運行，當閥位到達相應最大速度位置處，停止輸出，控制閥位保持，測量最大過沖量。并將相應的最大過沖量作為“五步開關”算法中的判定依據|e1|和|e2|。其中，最大過沖量為閥位最大速度位置到停止位置之間的位移量。

傳統的“五步開關”算法在低速區采用定PWM占空比進行控制，在實際應用當中，存在過度不平滑、后期脈沖過大造成超調等問題。為了滿足運行的平穩性，定位器需要在快速區與低速區完成無擾切換，使速度隨位移的增大平緩降低，避免后期控制過沖等現象，所以提出了低速區理想速度-位移曲線。低速區理想速度-位移曲線如圖3所示。

圖3 低速區理想速度-位移曲線

在單次控制流程中，將調節閥從快速區進入低速區的時刻記作t0，記錄該時刻的速度V0及與目標位置差值的絕對值Δ，將 V與Δ代入公式VLX=a×S×b，求出系數a與 b，其中S為 t0時刻后調節閥的位移量，VLX為某閥位下的理想速度。低速區理想速度-位移公式為S×V0。

在取得低速區理想速度-位移公式后，通過定時采樣，得到S，將其代入低速區理想速度-位移公式，求出VLX。當VSJ＜VLX時，即調節閥工作于圖3的區域①中時，說明調節閥速度過低，此時利用二分法增大輸出PWM脈沖的占空比，使VSJ提高;當VSJ＞VLX時，即調節閥工作于圖3的區域②中時，說明調節閥速度過高，此時利用二分法減小輸出PWM脈沖的占空比，使VSJ降低;當VSJ=VLX時，說明此時實際速度大小合適，符合低速區理想速度-位移曲線，輸出 PWM脈沖占空比保持不變。

在下一次控制流程中，低速區理想速度-位移曲線需要重新繪制，即求出新的低速區理想速度-位移公式。每次控制流程中，都應有一條新的低速區理想速度-位移曲線及相對應的公式，使該控制流程具有一定的自適應及魯棒特性。

3 實驗研究

3.1 實驗條件

實驗分別將該算法與傳統“五步開關”定PWM占空比算法在相同的條件下進行應用，比較二者的控制效果。在實驗中，采用重慶川儀生產的氣動調節閥作為被控對象。氣動執行機構型號為HA2D，行程為30 mm，信號壓力范圍為80～240 MPa，作用方向為正作用，調節閥公稱直徑25 mm，填料類型為石墨。實驗調節閥控制系統如圖4所示。

圖4 實驗調節閥控制系統

3.2 實驗分析

基于2種算法的定位器分別通過自整定后，確定相應控制參數。輸入10%的階躍信號后，2種算法控制曲線對比如圖5所示。實驗數據如表1所示。

圖5 2種算法控制曲線對比

表1 實驗數據

由于該算法對速度的調節，前期輸出的PWM占空比加大，所以上升時間較短，速度過度平滑，即t1＜t2;當閥位接近目標值時，PWM占空比迅速減小，閥位速度及時降低，有效避免了控制超調現象，超調量遠小于傳統“五步開關”定PWM占空比算法，總體控制時間得到了縮短，即t3＜t4。

4 結束語

以上實踐研究表明，該控制算法具有較好的自適應及魯棒特性。采用變PWM占空比算法對速度進行量化控制，有效解決了算法切換過度過程當中速度不平滑及后期容易超調等問題。經過本次研究，該控制算法在HVP智能閥門定位器中得到了成功的應用，產品現已大規模量產。

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