智能閥門定位器控制算法的改進
國內諸多閥門定位器產品使用五步開關控制算法，但在低閥位控制時振蕩次數多，高閥位控制時調整時間長，因而對五步開關控制算法進行改進。將改進后算法的控制效果與五步開關控制算法控制效果進行對比，算法改進后調整時間減小1.6s，超調量減小12.8%，實現了更快速準確的閥門定位。
智能閥門定位器作為氣動調節閥的主要附件之一，可以改善閥門的特性，提高控制的精度、速度和增加控制的靈活性。智能閥門定位器具有控制精度高、可靠性好、流量特性易修改及具有診斷和檢測功能等優點，在石油、化工、電力及冶金等工業企業的流量控制中發揮著不可替代的作用。
我國在智能閥門定位器的研究過程中，取得了一些成果。控制算法是智能閥門定位系統的核心，算法的優劣將直接影響閥的定位精度和定位速度。在國內的很多閥門定位器產品中，控制算法采用五步開關控制算法。筆者針對閥門定位器五步開關控制算法的研究和改進，旨在實現更好的控制效果。
1、智能閥門定位器控制系統
1.1、智能閥門定位器工作原理
定位器的工作原理如圖1所示。定位器接收4～20mA的標準電流信號，轉換為閥位設定值，執行機構的直線或轉角實際位移通過連接裝置轉換為角度位移，并由位置傳感器測得，反饋至微處理器，微處理器將實際閥位反饋值和設定值進行比較，檢測到偏差后，根據偏差大小和方向輸出脈寬調制指令到壓電閥，壓電閥按控制指令調節膜頭進氣量和排氣量。
圖1 智能閥門定位器控制系統框圖
1.2、壓電閥工作原理
壓電閥是控制主板的直接控制對象，其性能參數如下：
工作電壓 24VDC；工作電流 小于10μA；維持電流 0μA；響應時間 小于20ms；電容 小于100nF；工作氣壓 12～800kPa；流量 130L/min；工作溫度 -30～+60℃。
壓電閥模塊采用兩個開關式壓電閥(PV1和PV2)和兩個單向閥構成控制氣路。主控制器通過控制算法，輸出PWM控制壓電閥的動作，從而實現調節閥的進氣、排氣與保持狀態。進氣、排氣與保持狀態對應壓電閥的狀態見表1。
表1 壓電閥得失電控制狀態
2、控制算法
2.1、五步開關控制算法
五步開關控制算法，即Bang-Bang控制和正向PWM相切換的方法，根據閥位設定信號與閥位反饋信號之間的偏差大小，采用相應的PWM信號控制壓電閥，從而實現排氣、進氣和保持狀態。當閥位偏差較大時，壓電閥全開，調節閥全速進氣，閥位迅速到達設定位置，實現粗調;當閥位接近設定位置時，在一定范圍內按設定的周期和占空比，輸出PWM控制信號，進行微調;為避免調節閥在設定位置附近頻繁的振蕩，設定死區范圍ε，當偏差位于死區范圍內時，關閉壓電閥，使閥位保持當前位置。
PWM控制信號和閥位偏差之間的關系為：
五步開關控制算法流程如圖2所示。
圖2 五步開關控制算法流程
2.2、改進的五步開關控制算法
理想情況下，開關閥的等效開口截面積與占空比之間的關系是線性的，但由于壓電閥的滯后性和閥芯慣性，高電平持續40ms以上才能保證閥芯開啟，低電平持續10ms以上才能保證閥芯關閉。占空比修正公式為：
式中da———修正輸出占空比;ds———期望輸出占空比;dmin———壓電閥動作的最小占空比;dmax———壓電閥動作最大占空比。
根據氣動薄膜調節閥調節效果的特點，高閥位時，氣室和氣源壓差變小，相對于低閥位而言，在相同的充氣脈沖時間內充入的氣體更少。為改善高閥位時響應速度，使PWM的占空比隨閥位的升高而加大。在五步開關算法占空比的基礎上，添加隨閥位反饋線性變化的占空比，改進后的五步開關算法占空比的計算公式為：
d*=da+KdPV (3)
3、實驗效果對比
國內樂清市自動化儀表九廠生產的智能閥門定位器SEPP4000采用五步開關控制算法，當設定值由10%變化至90%時，閥位反饋電位器輸出對應的電壓范圍是788～632mV;當設定值由90%變化至10%時，閥位反饋電位器輸出對應的電壓范圍是632～784mV。
進行空載下閉環控制試驗，將改進后的五步開關控制算法的控制效果與標準五步開關控制算法的控制效果進行對比。閥位反饋信號響應曲線如圖3～6所示。
圖3 標準五步算法進氣狀態下響應曲線
圖4 改進五步算法進氣狀態下響應曲線
圖5 標準五步算法排氣狀態下響應曲線
圖6 改進五步算法排氣狀態下響應曲線
調整時間與超調量的比較見表2。
表2 控制效果比較
通過比較發現，改進后的五步開關控制算法調整時間更短，在高閥位時表現更為明顯。
4、結束語
根據氣動薄膜調節閥的特點，低閥位時，氣室進氣少，氣壓小，由于氣體的可壓縮性，調整時間短但更容易出現超調現象;高閥位時，調整時間長，氣室進氣多，氣壓相對穩定。筆者通過五步開關控制算法的改進，經過實驗效果對比，有效縮短了調整時間，減小了超調量，控制效果更理想。對PWM占空比的修正，是解決氣動薄膜調節閥高低閥位控制效果缺點的有效方法，可作為智能閥門定位器控制算法研究之借鑒。
