基于參數整定的氣動閥門定位裝置最優控制策略研究

摘 要：本文旨在探討參數整定支持下，如何制定氣動閥門定位裝置最優控制策略。本文提出了一種五步開關控制算法，作為氣動閥門定位的基本控制框架。該算法通過優化開關信號的切換順序，減少了控制過程中的延遲或者超調現象。摩擦力的存在會顯著延長定位裝置的響應時間，而不適當的進氣、排氣量則可能導致閥門的滯后現象，從而降低定位精度。本文為氣動控制領域提供了一種有效的控制方法，推動了氣動控制技術的發展。

關鍵詞：參數整定；五步開關控制算法；摩擦力

中圖分類號：TH 134 " 文獻標志碼：A

氣動閥門廣泛應用于各種流程控制系統中，其性能直接影響生產效率。隨著工業智能化發展，工業生產對氣動閥門的定位精度以及響應速度的要求越來越高。但是在實際生產過程中，氣動閥門在實際運行中常受到摩擦力、進氣量、排氣量等因素的影響，導致定位精度不足、響應遲緩等問題。為解決這一問題，相關研究人員引入參數整定理論，嘗試制定一種控制方法來實時調整參數，以適應不同工況下的需求，提升閥門的動態響應能力。

1 五步開關控制算法

五步開關控制算法是一種將Bang-Bang控制與PWM控制相結合的控制策略。通過這種方式提高氣動閥門定位裝置的控制精度、穩定性以及響應速度（如圖1所示）。

本次研究中，根據閥門實際位置與目標位置的偏差，調整PWM信號的占空比，通過PWM信號控制氣動閥門的開度，使閥門緩慢接近目標位置。而死區的設計主要是為了防止閥門在目標位置附近頻繁切換，提高控制穩定性而設置的一個區間。當閥門實際位置進入死區范圍時，控制器不再輸出Bang-Bang信號，而是采用PWM控制。在死區范圍內，繼續采用PWM控制，直至閥門穩定在目標位置，通過PWM信號控制氣動閥門的開度，使閥門在死區內緩慢調整[1]。

2 摩擦力對定位裝置的影響

在氣動閥門中，摩擦力主要來源于閥桿與閥體之間的接觸、填料材料的摩擦以及閥門在運行過程中的磨損。閥桿與閥體的接觸面積、表面光潔度以及潤滑情況都可能對摩擦力產生影響。此外，填料材料的選擇也是一個重要因素，不同材料的摩擦特性不同（見表1）。

分析表1可以發現，聚四氟乙烯（PTFE）與石墨在摩擦系數上有明顯差異，前者具有較低的摩擦力，因此在控制精度以及響應速度方面表現更優秀。

此外，研究人員要通過試驗深入分析摩擦力對閥位運動的影響，結果見表2。

分析表2可以發現，在理想情況下（無摩擦力），氣動閥門能夠達到目標位置的準確度可高達100.03%FSR（Full Scale Range）。然而，隨著摩擦力增加，從20N到90N，閥位最終達到的位置分別降至95.2%FSR、89.6%FSR、84.3%FSR、79.3%FSR、72.8%FSR。這一趨勢表明，摩擦力的增加直接導致閥位運動距離縮短，最終影響系統的控制精度。在閥位啟動階段，摩擦力的增加會導致閥位到達目標位置的時間延長[2]。這是由于啟動時，閥門需要克服靜摩擦力才能開始移動，而一旦克服后，運動的動態摩擦力會相對較小。因此，摩擦力的增加不僅影響閥位的最終位置，還增加了系統的響應時間。

3 進氣量/排氣量對定位裝置的影響

在氣動系統中，進氣量與排氣量是否平衡，決定了氣缸內壓力的變化情況，進而也影響閥位的移動速度以及最終定位的準確性。本次研究中，研究人員設計了一種手動調節進氣量的輔助定位裝置。該裝置主要由裝置體、流量調節手輪、推桿、桿芯、不銹鋼彈簧、進氣嘴、出氣腔、進氣腔以及步進電機等部位組成。通過旋轉流量調節手輪，操作者能夠方便地調節出氣腔與進氣腔之間的開度，從而實現對進氣量、排氣量的精確控制，如圖2所示。

在本次研究中，研究人員逐步改變流量調節手輪的開度，將開度檔位設為100%、90%、70%、60%、50%、40%、30%，觀察不同進氣量下閥位的響應特性。隨后，將同樣的方法應用于排氣階段，以驗證排氣量對定位器性能的影響，結果如圖3所示。

對圖3所展示的試驗數據進行詳細分析，研究人員發現在充氣階段，隨著進氣量逐步增加，閥位的響應速度也隨之顯著提升。具體來說，當閥門的開度達到100%時，可以看到閥位的移動速度顯著加快，其平均運行速度較大，幾乎接近閥門的最大行程范圍[3]。這一現象進一步表明，在充氣過程中，進氣量是決定閥位動態響應速度的關鍵因素。

4 參數整定

4.1 行程類型整定

本次研究中，研究人員需要先確定正行程、反行程具體參數，采用Bang-Bang控制策略，即發送排氣、進氣指令，通過這種方式改變閥位。通過觀察閥位的變化，判斷閥門的行程類型。正行程通常指閥門在開合過程中，閥位隨著氣源壓力的增加而上升；反行程則表現為閥位在氣源壓力增加時降低。通過這一過程，系統可以清晰地識別調節閥的運行特性，進而為后續的參數整定打下基礎。

4.2 最小啟動PWM整定

針對單作用氣缸的調節閥，確定最小啟動PWM（脈寬調制信號），確保閥位開始移動。研究人員在整定過程通過逐步增大PWM值，觀察閥位是否開始移動。當PWM值達到一定閾值時，閥位開始響應，該參數即為最小啟動PWM。這一參數不僅影響閥位的啟動速度，也關系閥門的可靠性。過低的PWM值可能導致閥門無法啟動，而過高的PWM值則可能引發不必要的磨損，如公式（1）所示。

PWMmin=k?（Tr-Tu）+Tu （1）

式中：PWMmin為最小啟動PWM值；k為整定系數，即PWM信號與閥門響應特性的關系；Tr為目標響應時間；Tu為閥門啟動延遲時間。

本次研究中，研究人員通過調整系數以及記錄不同的Tu與Tu的值計算相應的最小啟動PWM值。基于該公式，研究人員確定閥門開始移動的最小PWM值，確保閥門在適當的啟動條件下操作，從而避免過低或過高PWM值帶來的問題（詳見表3）[4]。

4.3 最大速度及其過沖量整定

在整定過程中，對每個控制周期內的閥位數據進行采樣，記錄閥位的變化量以及時間間隔，從而得出閥位速度。如果在1s內閥位變化10%，那么當前速度為10%/s。過沖量則是指閥位在達到設定位置時超出目標位置的幅度，如果設定位置為100%，而實際閥位達到的最大值為105%，那么過沖量為5%。上述兩項參數直接影響系統的穩定性和控制精度。過大的過沖量可能導致系統振蕩或不穩定，因此，整定時，需要平衡速度與穩定性。研究人員將比例增益設置為Kp=1.5，積分增益設置為Ki=0.5，從而在快速響應的同時，維持系統的穩定性。

4.4 基準速度與基準速度PWM整定

整定過程中，研究人員發現在最大過沖量范圍內逐漸逼近死區，通過觀察閥位的變化情況，最終確定合適的基準速度。具體實踐中，最大過沖量被控制在3%以內，且死區寬度為2%。經過多次試驗，研究人員確定基準速度為20%/s，這一速度能夠在最小過沖量下實現快速響應的目標。確定基準速度后，研究人員調整相應的PWM值，以確保在該速度下閥位能維持穩定運行。適當的基準速度以及PWM設置能夠提高系統的響應性，使調節閥在動態變化中保持較好的控制效果。

5 基于參數整定的最優控制策略

基于上述研究成果，研究人員擬定了一套完整的基于參數整定的氣動閥門定位裝置最優控制策略，如圖4所示。

控制過程被細分為7個區間，即快速區、降速區、微調區、死區。這種分區方法使控制策略能夠根據閥位變化的不同狀態動態調整控制方式，從而實現最佳的響應效果。其中，快速區采用Bang-Bang控制策略，能夠迅速減少系統誤差，確保閥位快速接近設定值。此時，控制信號的輸出狀態為全開/全關，避免了控制過程中的延遲。一旦閥位進入降速區，控制方式轉向基準速度PWM控制。在該階段，控制系統會通過實時監測閥位速度，逐步降低調節閥的開度，控制信號的輸出頻率逐漸減小。此時，系統會根據閥位的變化，自動調整PWM信號，以確保閥位以適宜的速度接近目標值，避免因過快運動導致超調。當閥位接近目標值時，系統進入微調區。在這一階段，采用最小啟動PWM控制，進一步精細調整閥位。PWM信號以4%的幅度逐步減小，確保閥位在接近目標值時不會發生劇烈波動。本次研究中，死區范圍設定為0.5%FSR。在這一范圍內，閥位保持不變，控制系統停止進氣或排氣，以避免頻繁的操作引起系統不必要的波動[5]。

6 結語

本文對氣動閥門定位裝置的控制策略進行了深入探討，采用五步開關控制算法分析了影響定位裝置的多種因素，通過參數整定，提出了基于這些因素的最優控制策略，為提升氣動閥門的響應速度、精度提供了有效的解決方案。通過本次研究，研究人員得出以下結論。1）本文采用的五步開關控制算法在實際應用中具有優越的響應特性，能夠迅速將閥門定位至目標值，顯著減少了控制過程中的超調與震蕩現象，提升了系統的穩定性。2）通過分析摩擦力以及進氣量/排氣量對定位裝置的影響發現，摩擦力對閥門的開啟與關閉速度具有顯著影響，而合理調節進氣量、排氣量能夠有效改善閥門的動態響應。這一發現為實際操作中優化氣動系統提供了理論依據。3）研究表明，通過精確的參數整定可以大幅提高閥門定位的精度與穩定性，進而優化整個氣動系統的性能。

參考文獻

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[3]陳二鋒，丁建春，武園浩，等.氣動閥門顫振的局部穩定與全局穩定特性[J].航空動力學報，2018，33（3）：663-670.

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