付青林

（哈電集團(tuán)哈爾濱電站閥門有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

控制回路的執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)一般是通過(guò)閥門進(jìn)行的，閥門的效果會(huì)影響到整個(gè)控制回路的運(yùn)行狀況?？刂苹芈返恼鹗幀F(xiàn)象有二到三成是由于閥門出現(xiàn)問(wèn)題形成的，比如出現(xiàn)遲滯以及死區(qū)現(xiàn)象。并且遲滯問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)閥門輸出問(wèn)題會(huì)呈現(xiàn)出跳躍性的特點(diǎn)，這就是控量在設(shè)定的閾值附近來(lái)回跳動(dòng)的原因。遲滯補(bǔ)償法就是通過(guò)在控制器中加入補(bǔ)償信號(hào)，從而對(duì)閥門的遲滯現(xiàn)象造成的影響進(jìn)行消除。一般遲滯補(bǔ)償使用的方法是impulsive control以及 dithering control，但是氣動(dòng)閥是不能使用這兩種方式進(jìn)行遲滯補(bǔ)償?shù)?。就目前世界上的補(bǔ)償方式而言，Knocker的遲滯補(bǔ)償方式應(yīng)該是最好的選擇。閥門的遲滯對(duì)于回路引起的震蕩等不良影響也能夠使用PID控制器進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)來(lái)解決。本文就Knocker遲滯補(bǔ)償以及PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的兩種方式進(jìn)行比較，并以此為基礎(chǔ)對(duì)遲滯補(bǔ)償法進(jìn)行了相應(yīng)的改造以期更好的解決方式。

1 定義

閥門遲滯是指接卸在運(yùn)行過(guò)程中由于系統(tǒng)摩擦力對(duì)于整個(gè)閥桿的運(yùn)動(dòng)造成了阻礙。

遲滯閥門的輸入輸出特性曲線如圖l所示。

圖l中：虛線代表的是正常的調(diào)節(jié)閥在輸入輸出時(shí)的特征，通過(guò)圖可以看出輸入以及輸出量是一樣的。途中實(shí)線則是代表了調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)了遲滯現(xiàn)象輸入以及輸出特征。由圖可以看出可以分成四個(gè)區(qū)域，分別是死區(qū)以及遲滯區(qū)，還有滑動(dòng)跳躍區(qū)以及移動(dòng)區(qū)。在A點(diǎn)，閥門因?yàn)檫t滯作用無(wú)法移動(dòng)，在控制器的輸出超過(guò)了遲滯區(qū)以及死去之后，閥門會(huì)突然性的蹦到D區(qū)，然后才能移動(dòng)。遲滯區(qū)就是由于閥門速度運(yùn)動(dòng)過(guò)慢造成的，D到E段閥門還會(huì)再次的出現(xiàn)遲滯，若想使閥門運(yùn)作正常就需要解決遲滯現(xiàn)象。因此可以看出，遲滯的特征一般都會(huì)表現(xiàn)出，在閥門平滑運(yùn)動(dòng)前輸入量變化會(huì)出現(xiàn)靜止后突然性跳動(dòng)的特點(diǎn)，這種跳動(dòng)就是因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)作時(shí)，系統(tǒng)的靜摩擦力過(guò)大造成的。

2 建立遲滯模型

2.1 合理性

回路的震蕩現(xiàn)象就是由于閥門遲滯產(chǎn)生的。如果克服了遲滯，閥門將會(huì)發(fā)生跳動(dòng)，然后繼續(xù)跟隨控制信號(hào)或者在相同方向再次粘滯。在這個(gè)過(guò)程中，被控量將會(huì)超過(guò)設(shè)定值。由于控制回路的負(fù)反饋?zhàn)饔?，控制量將?huì)向相反方向變化，直到閥門再次發(fā)生跳動(dòng)。控制器的這種作用將使得閥門在一個(gè)較小的輸入范圍內(nèi)工作，并引起控制器輸出和被控量在它們的穩(wěn)定值附近振蕩。

根據(jù)以上分析可以看出，閥門通常在控制器輸出范圍(0-100%)的較小區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，直到設(shè)定值變化使得閥門到達(dá)另一個(gè)運(yùn)行區(qū)域。閥門的遲滯會(huì)隨著閥門位置的不同而不同，而由于閥門在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，因此，可以假設(shè)遲滯的大小基本保持不變，這樣可以取遲滯帶d為一個(gè)常數(shù)。遲滯帶d可由控制回路的數(shù)據(jù)得到，且可以認(rèn)為控制器輸出曲線的波峰值與波谷值之差就是d，這與工程中遲滯的定義一致。簡(jiǎn)單遲滯模型可以被認(rèn)為是一種遲延模型，它反映了閥門對(duì)控制器輸出的變化顯示出遲延特性，延遲的大小由遲滯帶d決定。設(shè)計(jì)補(bǔ)償信號(hào)時(shí)，只需估計(jì)出使閥門位置變化的控制器輸出大小，因此，簡(jiǎn)單遲滯模型足以用來(lái)進(jìn)行遲滯補(bǔ)償。

2.2 簡(jiǎn)單模型具有局限性

在閥門克服遲滯而發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，簡(jiǎn)單模型很難體現(xiàn)出控制器在此時(shí)產(chǎn)生的輸出量變化，這是由于物理上的缺陷造成的。并且簡(jiǎn)單的模型很容易對(duì)于閥門動(dòng)態(tài)出現(xiàn)忽略，但是，在閉環(huán)前提下，這種遲滯補(bǔ)償足夠解決問(wèn)題。

3 解決方法

Gerry和Ruel于2001年提出了應(yīng)對(duì)遲滯的在線實(shí)用方法，即減小或去除控制器的積分作用，以存在穩(wěn)態(tài)誤差 代價(jià)來(lái)減少的振蕩。而遲滯補(bǔ)償?shù)乃惴梢酝ㄟ^(guò)加入補(bǔ)償信號(hào)到控制器，得到?jīng)]有穩(wěn)態(tài)誤差 的結(jié)果。Hagglund于2002提出了一種很好的補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ磳nocker信號(hào)加入到控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行遲滯補(bǔ)償，這可能是目前最好的遲滯補(bǔ)償方法。

綜上所述，Knocker補(bǔ)償信號(hào)的原理如下：補(bǔ)償信號(hào)在閥門的變化上可以進(jìn)行提前的位置調(diào)整，即提前使得閥門產(chǎn)生變化，補(bǔ)償信號(hào)越大，閥門的位置的變化也就越大，反之，越小的補(bǔ)償信號(hào)，閥門的變化將越是不明顯。當(dāng)閥門位置不改變時(shí)，也就是說(shuō)補(bǔ)償信號(hào)沒(méi)有作用?？刂破鞯妮敵鲎兓适怯绊懷a(bǔ)償信號(hào)符號(hào)的基礎(chǔ)原因，補(bǔ)償?shù)脑砭褪橇铋y門提前在正確的方向運(yùn)動(dòng)，以抵消遲滯作用的不良影響。如此看來(lái)，三個(gè)信號(hào)參數(shù)的變化會(huì)影響到Knocker法的補(bǔ)償效果。

3.2 改進(jìn)方法

在實(shí)際工程中，被控量是允許有一定變化的，因此，可以考慮犧牲一些被控量的穩(wěn)定性，減少閥門位置的變化次數(shù)。給補(bǔ)償信號(hào)設(shè)定一個(gè)閾值條件，即當(dāng)控制器輸出uc(t)的變化超過(guò)一定閾值θu時(shí)，補(bǔ)償信號(hào)才起作用，uk(t)的表達(dá)式為：|uc(t)-ulast|>θu，t≤tp+hk+t

閥門的這種頻繁動(dòng)作使得被控量來(lái)不及發(fā)生較大變化，從而消除了控制回路的振蕩，不存在穩(wěn)態(tài)誤差。然而這顯然會(huì)使閥門磨損得很快，縮短閥門的使用壽命。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)把Knocker遲滯補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ诳刂齐姀S汽溫中和PID調(diào)節(jié)法以及減小積分作用進(jìn)行了全面的比較，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出在遲滯情況出現(xiàn)時(shí)，對(duì)閥門進(jìn)行積分作用的減弱可以對(duì)控制量的波動(dòng)情況可以減小，但是在穩(wěn)態(tài)上回出現(xiàn)誤差，并且調(diào)節(jié)的時(shí)間也相應(yīng)較長(zhǎng)，在允許出現(xiàn)誤差的情況下，可以對(duì)閥門進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。從本文中可以看出，遲滯補(bǔ)償?shù)姆绞诫m然不會(huì)造成穩(wěn)態(tài)誤差現(xiàn)象，并且可以最快的調(diào)整輸出量到設(shè)定值，但是由于閥門會(huì)被頻繁的動(dòng)作，因此會(huì)使得閥門壽命大大縮短。通過(guò)對(duì)二者進(jìn)行了相應(yīng)的比較提出了新的補(bǔ)償方式，并且證實(shí)了其可以應(yīng)用于工業(yè)的控制回路中，并且具有推廣價(jià)值。

[1]Desborough L D，MillerRM.Increasing customer value of industri·81 control performance monitoring--Honeywell's experience[C]∥AIChE symposium series，200l：172-179.

[2]張國(guó)良.模糊控制及其 Matlab 應(yīng)用[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2002：98-102.