控制回路中的閥門遲滯補償方法

付青林

（哈電集團哈爾濱電站閥門有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

控制回路的執行控制機構一般是通過閥門進行的，閥門的效果會影響到整個控制回路的運行狀況。控制回路的震蕩現象有二到三成是由于閥門出現問題形成的，比如出現遲滯以及死區現象。并且遲滯問題出現時閥門輸出問題會呈現出跳躍性的特點，這就是控量在設定的閾值附近來回跳動的原因。遲滯補償法就是通過在控制器中加入補償信號，從而對閥門的遲滯現象造成的影響進行消除。一般遲滯補償使用的方法是impulsive control以及 dithering control，但是氣動閥是不能使用這兩種方式進行遲滯補償的。就目前世界上的補償方式而言，Knocker的遲滯補償方式應該是最好的選擇。閥門的遲滯對于回路引起的震蕩等不良影響也能夠使用PID控制器進行參數調節來解決。本文就Knocker遲滯補償以及PID控制器調節參數的兩種方式進行比較，并以此為基礎對遲滯補償法進行了相應的改造以期更好的解決方式。

1 定義

閥門遲滯是指接卸在運行過程中由于系統摩擦力對于整個閥桿的運動造成了阻礙。

遲滯閥門的輸入輸出特性曲線如圖l所示。

圖l中：虛線代表的是正常的調節閥在輸入輸出時的特征，通過圖可以看出輸入以及輸出量是一樣的。途中實線則是代表了調節閥出現了遲滯現象輸入以及輸出特征。由圖可以看出可以分成四個區域，分別是死區以及遲滯區，還有滑動跳躍區以及移動區。在A點，閥門因為遲滯作用無法移動，在控制器的輸出超過了遲滯區以及死去之后，閥門會突然性的蹦到D區，然后才能移動。遲滯區就是由于閥門速度運動過慢造成的，D到E段閥門還會再次的出現遲滯，若想使閥門運作正常就需要解決遲滯現象。因此可以看出，遲滯的特征一般都會表現出，在閥門平滑運動前輸入量變化會出現靜止后突然性跳動的特點，這種跳動就是因為機械運作時，系統的靜摩擦力過大造成的。

2 建立遲滯模型

2.1 合理性

回路的震蕩現象就是由于閥門遲滯產生的。如果克服了遲滯，閥門將會發生跳動，然后繼續跟隨控制信號或者在相同方向再次粘滯。在這個過程中，被控量將會超過設定值。由于控制回路的負反饋作用，控制量將會向相反方向變化，直到閥門再次發生跳動。控制器的這種作用將使得閥門在一個較小的輸入范圍內工作，并引起控制器輸出和被控量在它們的穩定值附近振蕩。

根據以上分析可以看出，閥門通常在控制器輸出范圍(0-100%)的較小區域內運行，直到設定值變化使得閥門到達另一個運行區域。閥門的遲滯會隨著閥門位置的不同而不同，而由于閥門在一個較小的區域內運行，因此，可以假設遲滯的大小基本保持不變，這樣可以取遲滯帶d為一個常數。遲滯帶d可由控制回路的數據得到，且可以認為控制器輸出曲線的波峰值與波谷值之差就是d，這與工程中遲滯的定義一致。簡單遲滯模型可以被認為是一種遲延模型，它反映了閥門對控制器輸出的變化顯示出遲延特性，延遲的大小由遲滯帶d決定。設計補償信號時，只需估計出使閥門位置變化的控制器輸出大小，因此，簡單遲滯模型足以用來進行遲滯補償。

2.2 簡單模型具有局限性

在閥門克服遲滯而發生跳動時，簡單模型很難體現出控制器在此時產生的輸出量變化，這是由于物理上的缺陷造成的。并且簡單的模型很容易對于閥門動態出現忽略，但是，在閉環前提下，這種遲滯補償足夠解決問題。

3 解決方法

Gerry和Ruel于2001年提出了應對遲滯的在線實用方法，即減小或去除控制器的積分作用，以存在穩態誤差 代價來減少的振蕩。而遲滯補償的算法可以通過加入補償信號到控制器，得到沒有穩態誤差 的結果。Hagglund于2002提出了一種很好的補償的方法，即將Knocker信號加入到控制信號來進行遲滯補償，這可能是目前最好的遲滯補償方法。

綜上所述，Knocker補償信號的原理如下：補償信號在閥門的變化上可以進行提前的位置調整，即提前使得閥門產生變化，補償信號越大，閥門的位置的變化也就越大，反之，越小的補償信號，閥門的變化將越是不明顯。當閥門位置不改變時，也就是說補償信號沒有作用。控制器的輸出變化率是影響補償信號符號的基礎原因，補償的原理就是令閥門提前在正確的方向運動，以抵消遲滯作用的不良影響。如此看來，三個信號參數的變化會影響到Knocker法的補償效果。

3.2 改進方法

在實際工程中，被控量是允許有一定變化的，因此，可以考慮犧牲一些被控量的穩定性，減少閥門位置的變化次數。給補償信號設定一個閾值條件，即當控制器輸出uc(t)的變化超過一定閾值θu時，補償信號才起作用，uk(t)的表達式為：|uc(t)-ulast|>θu，t≤tp+hk+t

閥門的這種頻繁動作使得被控量來不及發生較大變化，從而消除了控制回路的振蕩，不存在穩態誤差。然而這顯然會使閥門磨損得很快，縮短閥門的使用壽命。

結語

通過把Knocker遲滯補償的方法在控制電廠汽溫中和PID調節法以及減小積分作用進行了全面的比較，通過實驗可以看出在遲滯情況出現時，對閥門進行積分作用的減弱可以對控制量的波動情況可以減小，但是在穩態上回出現誤差，并且調節的時間也相應較長，在允許出現誤差的情況下，可以對閥門進行PID調節。從本文中可以看出，遲滯補償的方式雖然不會造成穩態誤差現象，并且可以最快的調整輸出量到設定值，但是由于閥門會被頻繁的動作，因此會使得閥門壽命大大縮短。通過對二者進行了相應的比較提出了新的補償方式，并且證實了其可以應用于工業的控制回路中，并且具有推廣價值。

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