（杭州富陽良工儀表有限公司，浙江富陽 311400）

近年來隨著我國工業(yè)建設(shè)的發(fā)展，在冶金、石油、化工等多個領(lǐng)域中電動調(diào)節(jié)閥具有較廣的應用，而電動調(diào)節(jié)閥的性能是與驅(qū)動系統(tǒng)直接相關(guān)的。隨著電力、電子技術(shù)，微電子技術(shù)，微機控制技術(shù)的發(fā)展，人們對于電動調(diào)節(jié)閥的動態(tài)性能要求逐漸提高，為使鋼廠循環(huán)發(fā)電工程中調(diào)節(jié)閥獲取穩(wěn)定快速的控制效果，本研究提出可用于電動調(diào)節(jié)閥參數(shù)模糊自整定PID控制法，并將該方法用于其控制系統(tǒng)中取代原有的PID控制。

1.設(shè)計驅(qū)動系統(tǒng)

在本研究中進行電動調(diào)節(jié)閥及驅(qū)動系統(tǒng)使用的驅(qū)動電機為驅(qū)動電機，其具有良好的反轉(zhuǎn)響應和啟停響應特性，本研究所設(shè)計的控制器可增加溫度檢測和紅外遙控模塊，可用于一些特殊場合中。電動調(diào)節(jié)閥的驅(qū)動系統(tǒng)包括，控制器、傳動機構(gòu)、電動機、限位機構(gòu)、聯(lián)機機構(gòu)、位移傳感器、手動裝置等。如圖1所示。

圖1 控制信號結(jié)構(gòu)圖

通過上位機發(fā)出信號后能夠傳遞給控制器，控制器能夠控制電機等。同時可通過同步齒形帶，能夠?qū)恿ψ饔脗鬟f到絲桿，并與驅(qū)動系統(tǒng)輸出軸進行連接，進一步帶動閥桿移動，以實現(xiàn)閥門開度的控制，在處于斷電條件下，可通過手動操作進行調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)和開關(guān)功能。

控制器能夠?qū)⑾到y(tǒng)反饋信號與設(shè)定信號進行比較，進一步實現(xiàn)電機的運轉(zhuǎn)?？刂破鞴δ苣K在產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本方面，可使用基于單片機STC89C52RC，將其作為控制器的核心，其是一種低功耗和高速運轉(zhuǎn)的單片機，內(nèi)部還有可編程控制看門口，電路可用于閥門控制等。一些重要的工業(yè)控制場合中電動機、驅(qū)動模塊能夠驅(qū)動步進電機進行運轉(zhuǎn)，其可通過光電耦合電路、功率放大電路以及PMM8713PT分配器的控制。反饋回路是由信號放大電路、位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的，通過檢測能夠及時反饋閥門實時信號。由于該執(zhí)行機構(gòu)中，通常會作用于溫差相對較大的場合，因此需要及時監(jiān)測溫度，另外，該控制器中包含了溫度檢測模塊。人機對話接口可按照信號傳輸?shù)姆较蛟O(shè)置輸入和輸出部分，人機對話接口輸入部分，其包含的功能，特別是鍵盤的輸入，具體為現(xiàn)場、遠控、停止以及手動/自動切換，紅外遙控包括開關(guān)閥門，閥門開度設(shè)置、停止等功能。人機對話接口輸出，包括LCD顯示屏，能夠用于閥門實時開度情況、目標設(shè)定值、溫度等參數(shù)的顯示。故障報警模塊可用于一些運行異常情況的報警，是利用蜂鳴器發(fā)出報警信號，并及時停止電機的運轉(zhuǎn)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊可接入上會機與RS232通訊接口進行串行通信。

2.設(shè)計參數(shù)模糊自整定PID的控制器

如圖2所示為參數(shù)模糊自整定PID控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 PID控制器的結(jié)構(gòu)示意圖

在該圖中Fuzzy控制器能夠作為雙輸入-三輸出?？刂破?，其輸入只能夠為給定位置以及閥桿實時位置差值與差值的變化率ec。輸出則為PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的變化量，可使用13個模糊數(shù)用于表示輸入、輸出變量模糊論域。模糊子集對NB、NM、NS、PS、Z、PM、PB各個字節(jié)代表意義為負大、負中、負小、零、正大、正中、正小，模糊推理可選擇Mamdani型推理系統(tǒng)及隸屬度函數(shù)，使用三角形隸屬度函數(shù)，根據(jù)專家經(jīng)驗構(gòu)建控制規(guī)則，在解模糊中可使用面積平方法。

3.建模仿真分析

第一，系統(tǒng)建模在步進模型中利用步進電機能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)為角位移，在工業(yè)領(lǐng)域中應用較廣的是混合式步進電機，如下所示為兩相混合式步進電機電壓方程以及其運動方程:

在上述公式中，A、B兩組繞組端電壓為Va和Vb，A、B兩相繞組電流為ia和Ib表示，L和R表示A、B兩相間互感，電機轉(zhuǎn)動慣量為J，黏制摩擦系數(shù)用B表示，轉(zhuǎn)子齒指數(shù)為NF，轉(zhuǎn)子的輸出角度為θ，永磁體鉸鏈磁通量為?m，極距角用λ表示。在本研究中可以假設(shè)電感L與A、B兩線之間的互感與轉(zhuǎn)子輸出角度無直接聯(lián)系，在處于單向通電過程中，可假設(shè)極距角為0，并進行線性化處理，通過對公式進行拉普拉斯列轉(zhuǎn)換，而可獲得步進電機單向勵磁過程中，角位移響應傳遞函數(shù)，如下所示：

在該公式中目標值的機械角用θi表示，θo表示控制量機械角，用ωn表示固有角的頻率。第二，傳動系統(tǒng)的建模在本組中，傳動系統(tǒng)是由帶輪減速機構(gòu)、電機軸以及絲桿傳動的機構(gòu)構(gòu)成的，可獲得電機軸動力學方程，如下所示：

在該公式中電機軸等效轉(zhuǎn)動慣量用J1表示，黏性阻尼系數(shù)用B表示，阻力矩用M1表示，驅(qū)動力矩用M表示，電機軸輸出轉(zhuǎn)角用θ1表示，電機軸扭轉(zhuǎn)剛度用K表示。針對帶輪減速機構(gòu)以及絲桿構(gòu)建動力學方程如下所示：

在該方程中絲桿軸等效轉(zhuǎn)動慣量用J2表示，輸入轉(zhuǎn)矩為M2，絲杠軸黏性阻尼系數(shù)為B2，輸出角為θ2，傳動比為i，導程為L，絲桿—效率為s，閥門推力用FL表示，通過對上述公式進行拉布拉斯變換，可獲得絲桿轉(zhuǎn)角，進一步能夠獲得閥桿位移傳遞函數(shù)，在該函數(shù)中閥桿位移用H表示。第三，傳感器的模型構(gòu)件，由于位移傳感器受本身因素的限制，可將其作為比例環(huán)節(jié)，同時用K1來表示增益。

4.仿真分析

當電動調(diào)節(jié)閥閥門開度設(shè)為10mm，根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，在允許誤差帶的范圍中采用傳統(tǒng)PID進行控制時，其調(diào)節(jié)時間為0.55s，而采用模糊參數(shù)自整定PID控制器時，調(diào)節(jié)時間為0.23s，相比傳統(tǒng)的PID控制器自整定PID控制器穩(wěn)定響應過程要短，使用傳統(tǒng)PID進行調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)輸出會存在明顯超調(diào)的問題，而使用模糊PID進行調(diào)解時，系統(tǒng)未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。根據(jù)系統(tǒng)跟蹤正弦輸入信號響應曲線，通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)PID控制器，模糊參數(shù)自整定PID控制器響應速度較快，穩(wěn)定信號能夠?qū)崿F(xiàn)良好跟蹤。未來也可將驅(qū)動PWM電路與運放集成與同一塊MCU中，使硬件更加簡化，同時能夠使永磁同步電機作為電動執(zhí)行器電動流量調(diào)節(jié)閥，以此提高其精度[1]。

5.小結(jié)

當前電動調(diào)節(jié)閥驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展，通過研究提出，可使用基于單片機STC89C52RC控制器作為核心，可實現(xiàn)溫度檢測、上位機通信、紅外監(jiān)控、LED顯示、鍵盤輸入、電機驅(qū)動等相關(guān)功能，并且根據(jù)目前市場上新型電機電動調(diào)節(jié)閥驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，電動調(diào)節(jié)閥模糊自整定PID控制器及能夠融合模糊控制以及傳統(tǒng)PID控制器的優(yōu)點，通過研究發(fā)現(xiàn)，相比傳統(tǒng)的PID控制器，采用模糊自整定PID控制其超載量較小，能夠縮短調(diào)節(jié)時間，在調(diào)節(jié)過程中平穩(wěn)信號，具有良好的響應特性，能夠為提升調(diào)節(jié)閥所控系統(tǒng)及動態(tài)性能奠定基礎(chǔ)。