基于偏差耦合法的智能閥門組定位器設計研究

周偉，崔錦泉，王智磊，王廷勇

(青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266100)

《中國制造2025》要求把發展智能制造作為主攻方向，將中國“制造”向“智造”轉變，使我國工業生產邁向中高端。閥門作為輸流管道的“咽喉”，其控制性能將決定整個輸流系統的質量。面對復雜的工業環境,傳統的定位器已經不能夠滿足工業生產的需求。為了提高輸流管道質量，智能閥門及其定位器應運而生。眾多學者及閥門制造商致力于讓調節閥達到工業生產中越來越高的精確度、抗干擾能力等要求,同時在這個基礎上實現系統整體的可靠性和經濟性也成為一個研究探討的熱點。

1 智能閥門的現狀

與普通控制閥相比，智能閥門由于具有檢測閥桿/閥芯波動幅值和流體壓力、流量等特點被廣泛應用于冶金、石油、城市給排水的管道輸流等系統中。智能閥門應用比較靈活，可以根據實際的工業場景進行設計。對于普通的輸流管道，一般而言都是1個智能閥控制1條輸流管道，但是在智能閥門的硬件配置上略有不同。若整個控制系統的可靠性要求比較高，可以將智能閥門的2個或者多個電磁閥并聯進行冗余設計，原則上只要有1個電磁閥能正常工作，整個系統就可以正常的運行。若要提高系統的安全性，可將多個電磁閥串聯，只有所有電磁閥都正常工作，控制系統才可以正常運行。

智能閥門定位器作為智能閥門控制系統的核心，其控制方法為整個研究的重點之處。當前市場上閥門定位器基本采用的都是傳統控制算法，如PID控制，非常依賴基于被控過程或對象數學模型的精確性。然而在實際生活中，很大一部分控制對象不能用精確的數學模型來進行定量描述。面對被控對象的復雜性，數學模型具有很大不確定性，傳統控制方法難以滿足現實的控制要求。隨著對智能閥門定位器的深入研究，先后出現滑模控制、預測控制、基于狀態觀測的補償控制。上述不同方法各有優劣，設計人員可以根據實際工況選擇最優的控制策略。

目前，各大智能閥門制造商及學者對于智能閥門控制的研究幾乎都是“一管一閥”，即1條主管或支管安裝1個智能閥門，各路智能閥門之間幾乎沒有聯系，智能閥門的系統性控制研究存在空白。在實際管道輸流過程中往往存在這樣一種工況，即同時向制式相同的多個儲罐輸流，當1個容器已經輸送完成時，其他還沒有滿罐，不僅浪費巡檢人員時間而且加劇輸流管道的耦合現象。造成這一狀況的原因主要是智能閥門定位器中氣動薄膜較為精密易磨損。當同一電流控制信號給出時，2個智能閥門實際開度不同，因此反饋電流也不相同，當其與設定電流進行PID運算后，各智能閥門單獨控制在根本上不能解決此問題。本文針對上述類似問題提出一種適用于雙支路管道的智能閥門組定位器的設計并給出基于偏差耦合的閥門開度控制方法，進一步提高閥門定位器控制精度。

2 智能閥門定位器的工作原理

圖1 閥門定位器控制原理圖

智能閥門定位器控制系統采用以微處理芯片為核心的控制單元,它的輸入信號有2個，分別為設定的表示閥門開度的4～20mA的電流信號和來自于閥位反饋電路的閥門實際開度電流信號。這兩個信號輸入到控制單元后經過一系列運算比較，輸出偏差信號控制壓電閥。壓電閥根據輸入偏差信號的大小控制壓縮空氣進入到氣室，經過彈簧來推動閥芯動作。閥門定位器的控制原理如圖1所示。

3 基于偏差耦合法的智能閥門組定位器設計

雙支路智能閥門組控制裝置適用于對2個儲罐輸流，節省多儲罐輸流時間。通過2支路管道閥位反饋電路所得電流差并輔以調節因子來補償智能閥門閥位反饋電流，削弱多管路輸流管道系統的耦合特性及智能閥門自身結構設計的固有缺陷，逐漸縮小2支管路實際閥門開度，保證雙儲罐輸流“同啟同閉”，實現雙智能閥門組的系統性控制，提高系統抗干擾能力，減輕巡檢工作人員的勞動強度。該控制方法簡單有效，能夠滿足實際工業控制的要求。

3.1 智能閥門組設計

本文所設計的雙支路智能閥門組裝置示意圖見圖2，主要包括泵站、主管手動安全閥門、支管智能閥門、儲罐等。主管手動安全閥門的作用在于當支管路發生故障時，可以直接截止主管與各支管的流量。支路流量由2個智能閥門控制，智能閥門定位器通過偏差耦合法進行均衡補償，實現閥門組的系統性控制，提高智能閥門的開關精度。

圖2 雙支路智能閥門組裝置示意圖

3.2 智能閥門組定位器均衡補償控制

圖3所示為本文設計的智能閥門組定位器均衡補償控制策略示意圖，包括：預設電流信號I、供氣氣源Ps、智能閥門1配置、智能閥門2配置、反饋補償單元配置。

圖3 智能閥門組定位器均衡補償控制策略示意圖

預設電流信號為智能閥門1配置、智能閥門2配置提供工作電流，同時，其與反饋補償單元配置輸出的反饋電流的偏差作為控制智能閥門1和智能閥2開度的電流控制信號，預設電流信號為4～20mA。

供氣氣源Ps為智能閥門1和智能閥門2提供氣源氣壓信號，大小為0.3Mpa。

智能閥門1配置包括PID控制單元1-1、I/P控制單元1-2、氣室與執行單元1-3、調節閥1-4。其中，PID控制單元1-1檢測輸入電流信號(4～20mA)和閥位反饋信號并將這2路信號經PID控制器處理后輸出相應的電流控制信號OP1至I/P控制單元1-2，以驅動調節閥運行到指定閥位；I/P控制單元1-2接收來自于PID控制單元1-1的控制信號OP1，并在輸入的供氣氣源氣壓信號Ps的作用下將控制信號OP1轉化為能夠驅動氣動放大器工作的小氣壓信號Pb1。在氣源氣壓Ps為0.3MPa的情況下，控制信號OP1與小氣壓信號Pb1的對應關系如下。

氣室與執行單元1-3將小氣壓信號Pb1轉換成大的氣室氣壓Pout1催動執行機構修正閥位，建立控制器輸出信號與閥桿位移信號之間的一一對應關系，得到閥位開度。具體為小氣壓信號Pb1與大氣壓信號Pout1的轉換由氣動放大器實現，通過氣動放大器的進排氣狀態推動閥桿運動，其關系如下。

其中，Ps為氣源氣壓；S1、S2、S3分別為氣動放大器中膜片有效面積，S4為閥芯有效底面積，S1-S4參數均可通過具體的氣動放大器型號測量得到。

智能閥門2配置與智能閥門1配置相同，此處不再贅述。

為了進一步提高智能閥門組的開關精度，本文還提出一種基于偏差耦合法的閥門開度均衡控制方法具體原理如下。

3.2.1 反饋電流值確定

通過閥位反饋電路3-1及閥位反饋電路3-2分別得到智能閥門1及智能閥門2的相應反饋電流信號I1/I2，該電流信號可通過閥門開度K換算得到，反饋電流與閥門開度的曲線見圖4，其具體對應關系如下。

其中，0 ≤K≤ 100；4mA≤I≤ 20mA。將K1/K2分別代入上式即可得相應的電流信號值I1/I2。

圖4 閥門開度與反饋電流曲線示意圖

3.2.2 補償量確定

通過（1）所得的電流信號，經過差值運算求得反饋補償量。

其中，ΔI為反饋電流補償量；I1為智能閥門1的反饋電流；I2為智能閥門2的反饋電流；λ為反饋調節因子，通過調整λ的值將反饋電流I1/I2的差值按一定比例分成兩部分（理性情況下λ=1）。

3.2.3 反饋電流補償

加入反饋電流補償后的智能閥門控制電流信號如下。

4 結語

本文將輸流管道進行模塊化設計，為相關從業人員提供一種全新的設計思路。在實際工程中根據項目需求完全可以考慮多支路輸流管道的模塊化設計，形成系統網絡化控制，提高輸流管道施工的便捷性及可靠性。