智能閥門設(shè)計與控制方法研究

邵 曙,潘益茅,呂志翼,宋吉利,洪 衛(wèi)

(1.浙江百得自動化儀表有限公司,浙江 溫州 325000；2.浙江中德自控科技股份有限公司，浙江 溫州 313100; 3.超一閥門有限公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

智能閥門在工業(yè)上的控制應(yīng)用已經(jīng)逐漸取代了機械式閥門控制系統(tǒng)，由于在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用對閥門控制系統(tǒng)有著迫切的要求，對智能閥門控制精度、控制速度和控制靈活度都有極高的標(biāo)準(zhǔn)。近年來，國內(nèi)智能閥門的控制方法使用機械式閥門定位控制較多，然而國外對智能閥門定位控制的研究，故障發(fā)生的頻率較高，使智能閥門在實際因公眾較少使用。

為了滿足智能閥門在工業(yè)生產(chǎn)中極高的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)文獻也有相應(yīng)的研究，文獻[1]提出了一種基于C8055F005的智能閥門控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一體化的思想，使用嵌入式的開發(fā)技術(shù)，實現(xiàn)智能閥門的控制功能，但該系統(tǒng)在自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能上有一定的不足，降低了智能閥門的控制精度，還需后期的改進；文獻[2]提出了一種智能閥門電動控制器系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對硬件電路和系統(tǒng)軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了人機界面操作、閥門故障提示和智能閥門的控制功能，但該系統(tǒng)采用的是開環(huán)控制無刷直流電機，對閥門的控制精度比較低。

基于上述文獻中的不足，本文提出了對智能閥門的設(shè)計與控制方法進行研究，設(shè)計了智能閥門硬件系統(tǒng)，通過對智能閥門的設(shè)定信號與閥門檢測反饋信號進行有效的調(diào)理，實現(xiàn)智能閥門的信號轉(zhuǎn)換，信息采集等功能，接著利用PID控制器和FUZZY-PI復(fù)合算法，進行對智能閥門的控制設(shè)計，最后設(shè)計了智能閥門定位器系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能閥門精準(zhǔn)的定位和控制、自我診斷的功能。

1 智能閥門硬件設(shè)計

本文首先對智能閥門的硬件系統(tǒng)進行了設(shè)計，智能閥門硬件系統(tǒng)主要分為：電氣轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、信號處理模塊和閥位反饋模塊4個部分，智能閥門硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智能閥門硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

信號調(diào)節(jié)模塊通過對傳入的系統(tǒng)固定信號和閥門測試反饋信號執(zhí)行合理、有效處理，采用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號變換成微處理器可以接收的數(shù)字信號，通過微處理器進行比較由信號處理模塊輸入的數(shù)字信號之間的特性關(guān)系，進而對比閥門開度與設(shè)定信號之間的聯(lián)系，并將控制信號傳輸至電氣變換模塊，再由電氣變換模塊將電信號轉(zhuǎn)換成氣壓信號同時傳輸至氣動執(zhí)行機構(gòu)，響應(yīng)調(diào)節(jié)機構(gòu)操作，最后由閥門測試反饋系統(tǒng)進行對閥桿位置的測試，同時將該信號轉(zhuǎn)換為反饋電信號至定位器的調(diào)節(jié)模塊。

智能閥門系統(tǒng)使用的是CAN總線進行通信，CAN總線利用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)總線同時接收到多個節(jié)點發(fā)來的信息時，低優(yōu)先級的節(jié)點選擇不發(fā)送，并且高優(yōu)先級的節(jié)點將繼續(xù)傳輸不受任何影響，從而節(jié)省了大量的傳輸時間。CAN總線可通信至10 km以外的距離，通信速度并且很高，可達到1 Mb/s。CAN總線的節(jié)點數(shù)可達到110個取決于總線驅(qū)動電路，并且擴展標(biāo)識報文不受限制，該系統(tǒng)中采用的LPC2290控制器自帶有兩路的CAN通道。

此智能閥門定位器硬件系統(tǒng)設(shè)計有4個按鍵，因為采用的主控制器LPC2290有足夠的I/O接口，因此每個按鍵獨自對應(yīng)一個GPIO口進行輸入，利用字符型液晶顯示屏LCD1602，實現(xiàn)清晰的人機交互界面。為了提高閥門定位器的控制精準(zhǔn)率，該系統(tǒng)選用壓電閥作為控制器件，采用陶瓷片在電壓影響下發(fā)生彎曲變形原理而造成的一種兩位式控制閥，進而實現(xiàn)IP的轉(zhuǎn)換。

2 基于PID控制器和FUZZY-PI復(fù)合算法的智能閥門控制

本文利用PID控制器和FUZZY-PI復(fù)合算法，進行對智能閥門的控制設(shè)計，通過PID控制的基本原理和穩(wěn)定邊界法整定PID控制參數(shù)的過程，完成PID控制器的設(shè)計，再結(jié)合FUZZY-PI復(fù)合算法實現(xiàn)智能閥門的偏差判別與條件控制和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與信號的轉(zhuǎn)換。完成智能閥門控制需要3個步驟。

步驟一：智能閥門控制中PID控制器的設(shè)計。

設(shè)

r

(

t

)表示為設(shè)定值，

y

(

t

)表示為輸出值，將設(shè)定值與輸出值進行比較構(gòu)成控制偏差

e

(

t

)=

r

(

t

)-

y

(

t

)，將偏差其值進行邏輯計算后，通過線性組合計算出控制量。

PID控制器數(shù)學(xué)模型方程式為：

(1)

將PID控制器的數(shù)學(xué)模型表達式化簡可表示為：

(2)

式(1)～(2)中，

u

(

t

)表示控制器的輸出，

e

(

t

)表示控制器輸入偏差，

K

、

K

、

K

分別表示為表征其比例(

P

)、積分(

I

)和微分(

D

)作用的參數(shù)。在比例部分，比例系數(shù)

K

負責(zé)提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度，進而使系統(tǒng)的控制精確度提高。

K

越大，控制反應(yīng)速度將越快，但會產(chǎn)生系統(tǒng)不穩(wěn)定的影響；如果

K

取值較小，會使控制精確度降低，并且系統(tǒng)控制的反應(yīng)速度變慢，進而影響調(diào)節(jié)時間，因此，比例系數(shù)

K

的選取應(yīng)結(jié)合實際情況，適當(dāng)?shù)倪M行取值，使系統(tǒng)性能更優(yōu)越。積分部分可以消除系統(tǒng)偏差，當(dāng)

T

比較大時，不宜采用積分的方式，雖然系統(tǒng)不能產(chǎn)生振蕩，但是消除偏差利用的時間較長，當(dāng)

T

比較小時，采用積分的方式作用較強，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生超出范圍，但消除偏差所利用的時間較短。系統(tǒng)進行微分可以調(diào)整閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及系統(tǒng)響應(yīng)的速度，

T

較大，微分越強，

T

越小，微分作用則越弱，在

T

選取適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)下，能夠減弱超調(diào)，加快調(diào)節(jié)速度，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高系統(tǒng)控制精準(zhǔn)度。基于上述的分析，將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大

T

=∞，微分時間

T

=0，比例度帶

δ

取值較大時，將系統(tǒng)啟動運行，等系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，將比例度

δ

逐漸減小，直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩過程，記錄臨界值比例帶

δ

和臨界振蕩周期

T

的值，進而運算出調(diào)節(jié)器各個參數(shù)的值，即

K

、

K

和

K

的值。

步驟二：智能閥門模糊控制。

設(shè)模糊控制輸入設(shè)定值的誤差用

x

表示，誤差變化率用

y

表示，輸出控制量用

z

表示。

x

、

y

、

z

的語言值的集合分別設(shè)為：

(3)

(4)

(5)

(6)

總的模糊關(guān)系為：

(7)

(8)

采用Mamdani的極大極小推理法：

(9)

(10)

(11)

對輸入變量

e

的論域取值為：

X

={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，其中模糊子集記為：

E

={

NB

,

NS

,

NO

,

PS

,

PB

},式中

NB

,

NS

,

NO

,

PS

,

PB

五個值分別代表：負大、負小、零、正小、正大，其中，

PB

的隸屬度函數(shù)為：

(12)

PS

的隸屬度函數(shù)為：

(13)

利用中位數(shù)判決法，進行對論域元素計算，所對應(yīng)論域元素

U

作為判決輸出，滿足：

(14)

當(dāng)加權(quán)系數(shù)

k

(

i

=1,2,…,

I

)選取適當(dāng)值時，模糊量的判決輸出方程式為：

(15)

誤差語言變量

E

所取的模糊子集的論域為：

X

={-

n

，-

n

+1,…,0,…,

n

-1,

n

}

(16)

誤差變化變率語言變量

Ec

所取的模糊子集的論域為：

Y

={-

m

,-

m

+1,…,0,…,

m

-1,

m

}

(17)

控制量語言變量

U

所取的模糊子集的論域為：

Z

={-

l

,-

l

+1,…,0,

l

-1,

l

}

(18)

進行模糊處理過之后的量化因子誤差和誤差變化用公式表示為：

K

=

n/e

(19)

(20)

控制量進行輸出的比例因子方程式為：

K

=

u

/l

(21)

式(19)～(21)中，基于

K

,

K

,

K

各自對系統(tǒng)性能的影響情況，進行參數(shù)調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)散時，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)散的程度以較大的幅度減小

K

，當(dāng)系統(tǒng)振蕩時，根據(jù)振蕩的程度試單減小

K

，當(dāng)系統(tǒng)存在的誤差取值較穩(wěn)定時，依據(jù)相對誤差的大小進行合適的增加

K

，同時以較小幅度增大

K

，當(dāng)系統(tǒng)運行反映時間較長時，依據(jù)運行反應(yīng)的時間以適當(dāng)較小的幅度進行減小

K

，當(dāng)超調(diào)范圍較大時，依據(jù)超調(diào)范圍的大小合適地加大

K

。

步驟三：智能閥門的Fuzzy-PI復(fù)合控制。

假設(shè)

e

表示閥門開度偏差，

ec

表示閥門開度偏差變化率，

u

,

u

,

u

,

u

表示電磁閥開啟時間，將偏差劃分為：正大偏差、正偏差、負偏差、負大偏差四區(qū)，當(dāng)在正大偏差范圍內(nèi)，即

e

≥

e

時，取

e

=

e

；當(dāng)在正偏差范圍內(nèi)，即

e

≥

e

≥0時，

e

不變；當(dāng)在負偏差范圍內(nèi)，即-

e

≥

e

≥-

e

時，

e

不變；當(dāng)在負大偏差范圍內(nèi)，即-

e

≥

e

時，取

e

=-

e

。

綜上所述，采用PID控制器和FUZZY-PI復(fù)合算法，利用FUZZY-PI復(fù)合控制同時結(jié)合PID控制的優(yōu)點，考慮到偏差判別與條件控制、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)與信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了智能閥門的精準(zhǔn)控制。

3 智能閥門定位器的設(shè)計

由于工業(yè)上對智能閥門對調(diào)節(jié)閥控制精度和穩(wěn)定性的要求很高，因此本文設(shè)計了一種智能閥門定位器系統(tǒng)，該智能閥門定位器以MSP430單片機為核心，包括采樣模塊、外部數(shù)字指令、電源模塊、人機交換模塊、閥位輸出與報警模塊、調(diào)節(jié)和執(zhí)行機構(gòu)六個模塊，智能閥門定位器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能閥門定位器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該智能閥門定位器不僅能夠精確定位，還可以自我診斷、自我調(diào)節(jié)等多種功能。該智能閥門定位器系統(tǒng)將接收到的4～20 mA設(shè)定信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送至微處理器進行處理，同時將閥門開度信息通過位移傳感器轉(zhuǎn)化為電信號反饋給微處理器，微處理器將數(shù)字信號與電信號進行比較，若偏差不在正常范圍內(nèi)，采用電磁閥切斷狀態(tài)的方式。

該系統(tǒng)的中央控制單元采用的是MSP430F5438微控制器，該微控制器具有16位的RISC結(jié)構(gòu)，有超低功耗低的優(yōu)點，并且有5種時鐘源、512 kB的FLASH ROM和66 kB的RAM、12位8通道以及SPIUART通信接口。

智能閥門定位器采用直流24 V作為電源，電磁閥是24 V驅(qū)動且對電壓波動敏感，因此采用24 V電壓進行穩(wěn)壓處理，通過光耦控制通斷24 V電源來實現(xiàn)系統(tǒng)輸出的24 V報警信號，經(jīng)過穩(wěn)壓二極管和光耦隔離后輸入到單片機。

智能閥門定位器的電氣轉(zhuǎn)換單元由4個兩位三通電磁閥構(gòu)成，通過單片機的I/O口驅(qū)動光耦，講過光耦驅(qū)動三極管進行驅(qū)動電磁閥。實現(xiàn)智能閥門定位器的精確定位與自我診斷、自調(diào)整功能。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證本文研究的智能閥門設(shè)計與控制的有效性，做了相關(guān)實驗進行驗證，首先對實驗平臺進行搭建，本文采用空載狀態(tài)下進行實驗，無介質(zhì)的反作用力以及平衡力，實驗平臺是在LabVIEW軟件上進行搭建的，本次實驗環(huán)境參數(shù)如表1所示。

表1 實驗環(huán)境參數(shù)

本次實驗搭建的實驗架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 實驗架構(gòu)示意圖

實驗平臺搭建好之后，進行實驗的數(shù)據(jù)是采用某工程智能閥門檢測出的數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)

首先進行對智能閥門控制速度進行測試，測試結(jié)果并與文獻[1]和文獻[2]進行對比，實驗結(jié)果對比圖如圖4所示。

圖4 實驗結(jié)果對比圖

由圖4所示，實線表示的是本文研究的系統(tǒng)在智能閥門控制趨于穩(wěn)定時所消耗的時間，在4 s時刻，智能閥門控制趨于穩(wěn)定并且接近于1；長虛線表示的是文獻[1]在智能閥門控制趨于穩(wěn)定時所消耗的時間，在4.7 s時刻，智能閥門控制趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在0.92，與本文研究的系統(tǒng)相比略有不足；短虛線表示的是文獻[2] 在智能閥門控制趨于穩(wěn)定時所消耗的時間，在5 s時刻，智能閥門控制趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值在1.02，與本文研究的系統(tǒng)相比存在不足；由此可見本研究的系統(tǒng)在智能閥門控制上反應(yīng)的速度較快，并且穩(wěn)定性較好。

基于對智能閥門控制速度測試的實驗上，進行對智能閥門控制精度進行測試，實驗結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 實驗結(jié)果對比圖

由圖5所示，本文研究的系統(tǒng)對智能閥門控制精確度進行測試時，智能閥門控制的精確度均在80%以上，并且控制的精確度最高可達95%；文獻[1]在智能閥門控制精確度實驗測試時，智能閥門控制的精確度均在60%以上，并且控制精確度最高可達82%；文獻[2]在智能閥門控制精確度實驗測試時，智能閥門控制的精確度均在60%以上，并且控制精確度最高可達79%；由此可見，本文研究的系統(tǒng)在對智能閥門控制精確度上有一定的優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

為了滿足工業(yè)生產(chǎn)中對智能閥門控制精度、控制速度和控制精確度極高的標(biāo)準(zhǔn)，本文進行了對智能閥門設(shè)計與控制方法的研究，設(shè)計了智能閥門硬件系統(tǒng)，包括電氣轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、信號處理模塊和閥位反饋模塊4個部分，采用以主控制器LPC2290為核心，以及A/D轉(zhuǎn)換器和CAN總線進行通信，實現(xiàn)了智能閥門的控制功能，為了提高智能閥門控制的精確度，本文利用PID控制器和FUZZY-PI復(fù)合算法，進行對智能閥門的控制設(shè)計，實現(xiàn)智能閥門的高精度控制，最后設(shè)置了智能閥門定位器系統(tǒng)，實現(xiàn)智能閥門的高精度定位與自我診斷的功能。

本文研究的系統(tǒng)還存在著一定的缺陷，在調(diào)節(jié)閥填料與閥桿之間存在動靜摩擦力，導(dǎo)致閥門運動時產(chǎn)生粘滯現(xiàn)象，因此，還需更深一步的研究，解決該問題。