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(zhí)行控制機構(gòu)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(xiàn)象有二到三成是由于閥門出現(xiàn)問題形成的，比如出現(xiàn)遲滯以及死區(qū)現(xiàn)象。并且遲滯問題出現(xiàn)時閥門輸出問題會呈現(xiàn)出跳躍性的特點，這就是控量在設(shè)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(xiàn)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?shù)摹＞湍壳笆澜缟系难a償方式而言，Knocker的遲滯補償方式應(yīng)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(shù)調(diào)節(jié)來解決。本文就Knocker遲滯補償以及PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的兩種方式進行比較，并以此為基礎(chǔ)對遲滯補償法進行了相應(yīng)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(tǒng)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥出現(xiàn)了遲滯現(xiàn)象輸入以及輸出特征。由圖可以看出可以分成四個區(qū)域，分別是死區(qū)以及遲滯區(qū)，還有滑動跳躍區(qū)以及移動區(qū)。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(qū)以及死去之后，閥門會突然性的蹦到D區(qū)，然后才能移動。遲滯區(qū)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(xiàn)遲滯，若想使閥門運作正常就需要解決遲滯現(xiàn)象。因此可以看出，遲滯的特征一般都會表現(xiàn)出，在閥門平滑運動前輸入量變化會出現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)象就是由于閥門遲滯產(chǎn)生的。如果克服了遲滯，閥門將會發(fā)生跳動，然后繼續(xù)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(shè)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(fā)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(nèi)工作，并引起控制器輸出和被控量在它們的穩(wěn)定值附近振蕩。

根據(jù)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(qū)域內(nèi)運行，直到設(shè)定值變化使得閥門到達另一個運行區(qū)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(qū)域內(nèi)運行，因此，可以假設(shè)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(shù)。遲滯帶d可由控制回路的數(shù)據(jù)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(shè)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(fā)生跳動時，簡單模型很難體現(xiàn)出控制器在此時產(chǎn)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(tài)出現(xiàn)忽略，但是，在閉環(huán)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(yīng)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(wěn)態(tài)誤差 代價來減少的振蕩。而遲滯補償?shù)乃惴梢酝ㄟ^加入補償信號到控制器，得到?jīng)]有穩(wěn)態(tài)誤差 的結(jié)果。Hagglund于2002提出了一種很好的補償?shù)姆椒ǎ磳nocker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(diào)整，即提前使得閥門產(chǎn)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(chǔ)原因，補償?shù)脑砭褪橇铋y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(shù)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(wěn)定性，減少閥門位置的變化次數(shù)。給補償信號設(shè)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(fā)生較大變化，從而消除了控制回路的振蕩，不存在穩(wěn)態(tài)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(jié)語

通過把Knocker遲滯補償?shù)姆椒ㄔ诳刂齐姀S汽溫中和PID調(diào)節(jié)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(xiàn)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(wěn)態(tài)上回出現(xiàn)誤差，并且調(diào)節(jié)的時間也相應(yīng)較長，在允許出現(xiàn)誤差的情況下，可以對閥門進行PID調(diào)節(jié)。從本文中可以看出，遲滯補償?shù)姆绞诫m然不會造成穩(wěn)態(tài)誤差現(xiàn)象，并且可以最快的調(diào)整輸出量到設(shè)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(yīng)的比較提出了新的補償方式，并且證實了其可以應(yīng)用于工業(yè)的控制回路中，并且具有推廣價值。

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