李 飛，荊學(xué)東，范友君

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201418）

0 引言

智能閥門定位器是閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心部件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、制藥、輕工等各行業(yè)中。目前閥門主要有壓電式和噴油擋嘴式兩種定位器。我國(guó)智能閥門定位器的起步比較晚，目前也得到了一定的發(fā)展，如天津大學(xué)和浙江大學(xué)研制的基于Hart協(xié)議的智能閥門定位器[1～4]，重慶川儀的HVP型智能閥門定位器都代表我國(guó)目前智能閥門定位器的發(fā)展現(xiàn)狀[5]。

對(duì)于氣缸的位置控制，傳統(tǒng)的PID控制算法雖然其算法簡(jiǎn)單，但其在控制精度方面有所不足，而且氣缸在進(jìn)入微氣量控制時(shí)，速度還是比較大，容易發(fā)生超調(diào)；對(duì)于負(fù)載比較輕的閥，可能會(huì)產(chǎn)生振蕩，而無(wú)法滿足對(duì)閥門精確控制的要求[6～8]。為此本文針對(duì)直行程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出了帶正負(fù)PWM脈沖與PID相結(jié)合的控制算法，正負(fù)PWM脈沖在進(jìn)入微調(diào)區(qū)時(shí)候，給氣缸輸入的是微氣量，利用微氣量的累積就，從而實(shí)現(xiàn)氣缸的精確定位。

1 壓電閥的工作原理

智能閥門定位器的核心部件是壓電閥，控制電路通過(guò)一定的控制算法對(duì)壓電閥進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)閥門的準(zhǔn)確定位。在壓電閥中，基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，制成了I/P轉(zhuǎn)換閥。

本課題設(shè)計(jì)的智能閥門定位器中壓電模塊采用的是賀爾碧格公司所生產(chǎn)的P11系列的壓電閥，此壓電閥具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，切換時(shí)間僅為2ms，且可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)。壓電閥的示意圖如圖1所示。

圖1 壓電閥的工作示意圖

壓電閥中由壓電陶瓷片在電場(chǎng)的作用下發(fā)生形變，從而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)閥的關(guān)閉。壓電閥在掉電的狀態(tài)是圖1中PV：OFF的模式，此時(shí)壓電陶瓷片作用在進(jìn)氣口2，切斷氣源，1和3先導(dǎo)腔連通，輸出口1經(jīng)排氣口3通大氣。當(dāng)壓電閥通電工作時(shí)，壓電陶瓷片上翹，工作狀態(tài)是圖1的PV：ON狀態(tài)，排氣口3被堵住，1和2連通構(gòu)成一個(gè)整體，相當(dāng)于一個(gè)兩位三通的換向閥，去控制氣動(dòng)閥門的開(kāi)關(guān)。在閥門定位器對(duì)氣缸進(jìn)行微調(diào)時(shí)，用正負(fù)PWM脈沖對(duì)壓電閥I和壓電閥II進(jìn)行控制，不斷的進(jìn)行開(kāi)和關(guān)的狀態(tài)，從而對(duì)進(jìn)氣量進(jìn)行精確控制。

2 壓電閥的控制系統(tǒng)

2.1 正負(fù)PWM的硬件設(shè)計(jì)

壓電式智能閥門定位的硬件電路中主要控制模塊是壓電閥驅(qū)動(dòng)電路，壓電閥將控制指令轉(zhuǎn)換為氣動(dòng)位移量，當(dāng)控制偏差很大時(shí)，閥門定位器輸出一個(gè)連續(xù)的信號(hào)；而當(dāng)控制的偏差叫小的時(shí)候，閥門定位器輸出脈沖信號(hào)，當(dāng)偏差在死區(qū)范圍內(nèi)，則沒(méi)有控制信號(hào)輸出。壓電閥的特點(diǎn)是行程較短、功耗要低而且工作壽命要長(zhǎng)，由于其質(zhì)量很小能輸出很窄的脈沖信號(hào)，因此控制精度也比較高。它的控制電路如圖3所示。采用STC12C5A60S2芯片的P1.0、P1.3、P1.4三個(gè)腳輸出電壓信號(hào)，單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖2所示，單片機(jī)通過(guò)控制Mosfet開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一組可調(diào)的正負(fù)PWM脈沖信號(hào)，進(jìn)而控制壓電閥的ON和OFF。

圖2 STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

圖3 壓電閥驅(qū)動(dòng)電路

壓電閥控制系統(tǒng)進(jìn)入PWM脈沖控制的波形原理圖如圖4所示。

圖4 壓電閥的正負(fù)PWM脈沖控制方式

2.2 正負(fù)PWM脈沖的PID控制算法

傳統(tǒng)的PID控制算法，由于切換到PWM信號(hào)沒(méi)有減速過(guò)程，執(zhí)行過(guò)程中執(zhí)行器的速度較快，在PWM控制以后還具有比較快的速度，往往會(huì)產(chǎn)生振蕩或者超調(diào)等。為了更好的控制執(zhí)行器的速度，施加了一個(gè)負(fù)方向的PWM脈沖，從而實(shí)現(xiàn)快速降速的效果。

設(shè)反饋值和給定值的偏差設(shè)為θ，設(shè)給定值為s（常量）。閥門定位器輸入標(biāo)準(zhǔn)電流（4mA～20mA），該電流信號(hào)對(duì)應(yīng)的是閥門的相應(yīng)的開(kāi)度4mA對(duì)應(yīng)的開(kāi)度是零開(kāi)度，20mA對(duì)應(yīng)開(kāi)度是全開(kāi)，此電流信號(hào)通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換電路，把電流信號(hào)換算成0～5V的電流信號(hào)送到單片機(jī)中，信號(hào)的反饋值為b，b值是通過(guò)角位移傳感器根據(jù)閥門的當(dāng)前位置而產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，電流信號(hào)通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，送到單片機(jī)中。在單片機(jī)中θ與b的值進(jìn)行比較，因此θ的值為：

當(dāng)θ的值是正值，表示閥門是正行程階段；相反，若θ的值為負(fù)值，則表示閥門處于反行程階段?？梢愿鶕?jù)式(1)中θ值得正負(fù)來(lái)判斷閥門的運(yùn)動(dòng)方向，在經(jīng)過(guò)相應(yīng)的控制算法，對(duì)執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)有效的控制。我們采用的如圖5的電氣控制方式。

圖5 帶正負(fù)PWM脈沖的PID控制法

氣動(dòng)控制系統(tǒng)具有嚴(yán)重的非線性，為了提高控制精度，在其控制過(guò)程中可進(jìn)行分段進(jìn)行控制。θ代表誤差（設(shè)定值-反饋值），e1代表正行程時(shí)PWM的切換點(diǎn)（開(kāi)度的5%），e2代表反行程時(shí)的PWM切換點(diǎn)（開(kāi)度的5%），ξ代表的是死區(qū)范圍（開(kāi)度的0.5%），0.5%是閥門開(kāi)度可允許的誤差。在控制過(guò)程中系統(tǒng)首先對(duì)設(shè)定值和反饋值進(jìn)行采樣，依據(jù)采樣值計(jì)算誤差和運(yùn)動(dòng)方向，然后再判斷誤差范圍，如果誤差的絕對(duì)值大于e1和e2的絕對(duì)值，則只采用PID控制，如果誤差大于ξ小于e1，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)方向是正行程，則采用PID與正負(fù)PWM脈沖的方式進(jìn)行控制；如果誤差小于-ξ大于e2，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)方向是反行程，則采用PID與正負(fù)PWM脈沖的方式進(jìn)行控制；如果誤差在死區(qū)范圍內(nèi)，閥位進(jìn)行保持。

3 參數(shù)自整定

圖6 系統(tǒng)的控制流程圖

帶正負(fù)PWM脈沖的PID控制算法其控制原理比較簡(jiǎn)單，控制效果也比較好，實(shí)現(xiàn)也比較容易，其適用于微控制器對(duì)其進(jìn)行控制[9]?？刂频倪^(guò)程如圖6所示。該控制系統(tǒng)中，首先給定一個(gè)閥位的值s，微控制器根據(jù)相應(yīng)的控制方式通過(guò)自整定達(dá)到設(shè)定的值s，如通過(guò)分段控制、正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)和流量特性等；而閥門的當(dāng)前位置是由角位移傳感器測(cè)量得到的即為反饋值吧b，此信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、標(biāo)度的轉(zhuǎn)換和非線性修正與給定值s進(jìn)行比較后產(chǎn)生誤差信號(hào)θ；系統(tǒng)根據(jù)誤差信號(hào)的正負(fù)判定是正向還是反向，從而決定是進(jìn)氣還是排氣，并根據(jù)θ的大小決定控制策略，如果誤差信號(hào)較大則系統(tǒng)采用的是連續(xù)的信號(hào)，給壓電閥持續(xù)供電使其快速進(jìn)氣或者排氣，若誤差信號(hào)較小微控制器采用PID控制策略發(fā)出

PWM脈沖信號(hào)，使壓電閥持續(xù)的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了微調(diào)，若誤差小到一定區(qū)域則就處于死區(qū)，即系統(tǒng)判定為閥門位置到了給定的位置，而微控制器不進(jìn)行動(dòng)作輸出信號(hào)，閥門位置保持不變。在上述控制策略中結(jié)合了帶正負(fù)PWM脈沖的PID自整定參數(shù)法，系統(tǒng)的參數(shù)都要進(jìn)行初始化，然后在控制過(guò)程中根據(jù)誤差信號(hào)變化率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，PID參數(shù)經(jīng)過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)后再次進(jìn)入循環(huán)?；趥鹘y(tǒng)的PID算法和本文中提出的帶正負(fù)脈沖的PID控制算法分別通過(guò)自整定確定相應(yīng)的參數(shù)。以

HA1D型氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥為例，其行程范圍為38cm。該調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)為[5]：

以式(2)傳遞函數(shù)為模型，輸入單位階躍信號(hào)后，對(duì)兩種控制算法進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 傳統(tǒng)的PID控制算法

圖8 帶PWM脈沖的PID控制算法

傳統(tǒng)PID控制算法與帶正負(fù)PWM脈沖的PID算法相比較，傳統(tǒng)的PID控制超調(diào)是0.25，而帶正負(fù)PWM脈沖的PID控制超調(diào)是0.1。傳統(tǒng)的PID控制需要30s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而帶正負(fù)PWM脈沖的PID控制需要時(shí)間是15s左右。因此說(shuō)明傳統(tǒng)的PID控制比帶正負(fù)PWM脈沖的PID控制算法魯棒性和穩(wěn)定性差，且超調(diào)大反應(yīng)時(shí)間慢。

4 結(jié)論

智能閥門定位器是一個(gè)典型的非線性控制系統(tǒng)，在滿行程它的動(dòng)態(tài)性能比較差。本文設(shè)計(jì)的壓電閥驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生正負(fù)PWM脈沖，正負(fù)PWM脈沖與參數(shù)自適應(yīng)的

PID控制算法相結(jié)合的方法對(duì)閥門位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，在正負(fù)PWM控制時(shí)能夠有效的對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行減速，使閥位平緩的過(guò)度到死區(qū)范圍，明顯提高了閥門定位控制系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性以及閥門的控制精度，還減小了超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。

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