氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計(jì)方案

    隨著過(guò)程控制裝置逐漸一體化，生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于控制裝置的控制精度和適應(yīng)性要求日趨嚴(yán)格。在氣動(dòng)控制技術(shù)方面，國(guó)外起步早、投入力度大，都成功設(shè)計(jì)出了性能良好的氣壓控制裝置；而國(guó)內(nèi)的氣動(dòng)技術(shù)由于起步較晚，目前大部分還處于仿真與實(shí)驗(yàn)研究階段。在控制算法方面，傳統(tǒng)PID控制因其經(jīng)常性參數(shù)整定不良，對(duì)運(yùn)行工況適應(yīng)性差而不能很好滿足要求，因此出現(xiàn)了多種控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、雙閉環(huán)混合PID控制、線性二次自校正控制等。本文探討了一種基于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的智能測(cè)控裝置，集氣動(dòng)閥門定位器、被控物理量傳感器及調(diào)節(jié)器等于一體，采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法，對(duì)被控量進(jìn)行穩(wěn)定、精確、快速控制。

    1 氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計(jì)方案一體化智能測(cè)控裝置的組成原理
    基于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的一體化智能測(cè)控裝置組成原理如所示。采用單座、套筒式結(jié)構(gòu),配用多彈簧氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu),執(zhí)行機(jī)構(gòu)高度低、重量輕、裝備簡(jiǎn)便。氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥閥芯采用籠式套筒閥芯,將氣源壓力變換為閥芯的直線位移,自動(dòng)的控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度,達(dá)到對(duì)管道內(nèi)流體的壓力連續(xù)調(diào)節(jié)。氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動(dòng)作快、壓降損失小、閥容量大、流量特性精度高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。整體具有工作平穩(wěn)、允許壓差大、流量特性精度高、噪音低等特點(diǎn)。氣動(dòng)壓力控制閥適用于允許泄露小、閥前后壓差較大的工作場(chǎng)合
    過(guò)程調(diào)節(jié)器接收被控量設(shè)定值以及來(lái)自被控量傳感器的被控量反饋值，按照設(shè)計(jì)的控制算法，向閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)器輸出閥門開(kāi)度指令。閥門的實(shí)際開(kāi)度由閥門開(kāi)度傳感器檢測(cè)得到并反饋至閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)器中。閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)器比較兩個(gè)輸入信號(hào)后向電磁閥輸出PWM控制信號(hào)，通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比來(lái)控制電磁閥的通斷時(shí)間，從而控制氣室內(nèi)的氣體壓力。氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)將氣室壓力的改變轉(zhuǎn)換為閥桿的直線位移或角位移，以此改變調(diào)節(jié)閥閥芯的位置，即調(diào)節(jié)閥的流通面積，進(jìn)而控制流入或流出控制系統(tǒng)的物料或能量，實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。

    2氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計(jì)方案 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
    以氣體流體的壓力控制為例，假設(shè)氣體滿足理想氣體方程，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選取氣開(kāi)式薄膜調(diào)節(jié)閥，得到的控制系統(tǒng)雙閉環(huán)組成框圖所示。其中，忽略執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室的容積變化，氣體的溫度變化以及閥桿和閥芯加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，可得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型：
    壓力調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)由氣源、調(diào)節(jié)閥和氣缸組成。忽略氣缸的容積變化以及氣體的溫度變化，可得到氣缸內(nèi)的壓力微分方程：。其中，
    忽略管道的氣體泄漏，流入氣缸氣體的質(zhì)量流量與流過(guò)調(diào)節(jié)閥口的氣體質(zhì)量流量相等，根據(jù)理想氣體經(jīng)過(guò)收縮噴管的等熵流動(dòng)過(guò)程，得到：同時(shí)可得到控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型框圖，如圖3所示。圖3中，P*和L*分別為壓力設(shè)定值（MPa）和閥門開(kāi)度設(shè)定值。

氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計(jì)方案執(zhí)行器技術(shù)參數(shù)

    3 氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計(jì)方案控制算法設(shè)計(jì)及MATLAB仿真
    3.1 控制算法設(shè)計(jì)
    閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)器采用常規(guī)PID控制算法，其3個(gè)參數(shù)固定不變。采用籠式套筒導(dǎo)向、雙密封結(jié)構(gòu)，配用多彈簧氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)高度低、重量輕、裝備簡(jiǎn)便。將氣源壓力變換為閥芯的直線位移，自動(dòng)的控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，達(dá)到對(duì)管道內(nèi)流體的壓力連續(xù)調(diào)節(jié)。氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥整體具有工作平穩(wěn)、允許壓差大、流量特性精確噪音低等特點(diǎn)。特別適用于允許泄露小、閥前后壓差較大的工作場(chǎng)合。

氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥主要特點(diǎn)如下：
（1） 采用輕型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，高度及重量均可減小30%。
（2） 閥體內(nèi)表面有多種材料涂復(fù)層，避免介質(zhì)直接接觸，承受強(qiáng)閥腐蝕性介質(zhì)的腐蝕。
（3） 閥門關(guān)閉時(shí)，內(nèi)、外泄漏量為零，特別適合于劇毒介質(zhì)或不允許污染介質(zhì)的閥節(jié)。
（4） 流路簡(jiǎn)單，阻力小，額定流量系數(shù)比同口徑單座，套筒調(diào)節(jié)閥大。
    過(guò)程調(diào)節(jié)器采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法。將過(guò)程控制器的輸入信號(hào)與壓力傳感器的反饋信號(hào)間的偏差值e以及偏差的變化量Δe作為輸入，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)的模糊推理，得到PID控制器中比例、積分和微分參數(shù)的調(diào)整量，進(jìn)而完成3個(gè)參數(shù)的整定工作，以達(dá)到控制調(diào)節(jié)的目的。設(shè)e的基本論域?yàn)椤?br/>    PID的控制參數(shù)整定規(guī)則為：1）當(dāng)e與Δe同號(hào)時(shí)，若e的值較大，通過(guò)選取較大的Kp，較小的Ki和中等的Kd，能夠使其快速降低；若e的值較小，則選取中等的Kp，較大的Ki和較小的Kd，以達(dá)到加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的目的；2）當(dāng)e與Δe異號(hào)時(shí)，若e的值較大，則取適中的Kp與Kd，并減小Ki，以使得動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能同時(shí)增強(qiáng)；若e的值較小，則應(yīng)降低Kp與Kd，并增大Ki，以防止系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩。
    采用隸屬度法進(jìn)行解模糊，得到ΔKp、ΔKi、ΔKd完整的模糊調(diào)整規(guī)則。在線運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)器的微處理系統(tǒng)連續(xù)地采集輸入信號(hào)和反饋信號(hào)，完成偏差及其變化量的計(jì)算，并從模糊規(guī)則矩陣和模糊調(diào)整矩陣中得到Kp、Ki、Kd的調(diào)整量，進(jìn)而達(dá)到控制器參數(shù)自整定的目的。
    3.2 氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計(jì)方案MATLAB仿真
    根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備得到如下系統(tǒng)對(duì)象參數(shù)：A=3.2×10-2m2，B=160N/mm，V0=3.5L，Vc=250L，c=50N·s/m，cq=0.68，W=0.25m，T=300K，ts=0.3s，γ=1.4，ps=0.8MPa，k=50N·mm-1，kL=1.71×10-2kg·s-1·MPa-1，R=287N·m/kg·K，xm=0.15m，電磁閥的純滯后時(shí)間為20ms。常規(guī)PID的參數(shù)設(shè)定為：Kp=10，Ki=0.03，Kd=0.05；模糊PID控制器的參數(shù)初值設(shè)定為：Kp=5，Ki=0.5，Kd=0.03。以0.15MPa目標(biāo)壓力調(diào)節(jié)為例，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。圖7中，壓力調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量低于15%，同時(shí)響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時(shí)間短，系統(tǒng)快速平穩(wěn)地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，基本滿足了該裝置在穩(wěn)定、精準(zhǔn)、快速控制方面的設(shè)計(jì)要求。

4 氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計(jì)方案裝置技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)介
    基于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的一體化智能測(cè)控裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。整個(gè)系統(tǒng)由24VDC電源供電，設(shè)定值輸入與控制信號(hào)均采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。微處理器采用TI公司出產(chǎn)的MSP430F449超低功耗單片機(jī)。MSP430F449帶有60kB的Flash存儲(chǔ)器，可以滿足系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)要求，從而減少了外接程序存儲(chǔ)器和地址鎖存器所帶來(lái)的電流消耗。人機(jī)界面的顯示采用超低功耗的NJU6433芯片定制成專用字符型液晶顯示模塊。采用電磁閥控制氣動(dòng)閥門具有動(dòng)作快能耗低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于電磁閥質(zhì)量小，即使受到很大的振動(dòng)也可以正常工作。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于KEIL-RVMDK，采用模塊化任務(wù)設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、PWM控制及人機(jī)界面的顯示。

主要性能指標(biāo)

氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計(jì)方案額定流量系數(shù)Kv、額定行程、配用執(zhí)行器型號(hào)

5 氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計(jì)方案結(jié)束語(yǔ)

    本文所探討的基于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的智能測(cè)控裝置，集氣動(dòng)閥門定位器與被控量測(cè)控于一體，采用參數(shù)自整定模糊PID控制，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。是一種壓力平衡式調(diào)節(jié)閥，采用籠式套筒導(dǎo)向、雙密封結(jié)構(gòu)，配用多彈簧氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)高度低、重量輕、裝備簡(jiǎn)便。氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥閥芯采用籠式套筒閥芯，將氣源壓力變換為閥芯的直線位移，自動(dòng)的控制調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，達(dá)到對(duì)管道內(nèi)流體的壓力連續(xù)調(diào)節(jié)。氣動(dòng)壓力調(diào)節(jié)閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動(dòng)作靈敏、壓降損失小、閥容量大、流量特性精確、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。整體具有工作平穩(wěn)、允許壓差大、流量特性精確噪音低等特點(diǎn)。特別適用于允許泄露小、閥前后壓差較大的工作場(chǎng)合。