智能阀门定位器的非对称一维模糊控制器设计.pdf

自动化与仪器仪表2 0 1 2年第 1 期 总第 1 5 9期 智能阀门定位器的非对称一维模糊控制器设计。 张媛媛 ， 徐科军。 ， 姜鹏 ， 胡小玲。 t 安徽大学电气工程与 自动化学院 安徽合肥， 2 3 0 0 3 9 合肥 工业大学电气与 自动化工程学院 安徽合肥， 2 3 0 0 0 9 摘 要调节 阀具有 大滞后特性 ， 且进气和排气 过程 的静摩擦 力 同 。 针对上述控制难点 ， 设计 了非对称 维模 糊控制算法 的阀门定位器 ， 根据给定 电压 与阀位 反馈 电压的偏差符号 ， 判 断执行进气或排气动作 。 模糊控制 器采用两段式量化因子和 比例因子及非均匀性划分的模糊予集；以偏差值 作为输入信号 ， 输出信号是P w i波 的占 空比值 。 基于 d S P A C E 实时仿真系统实现智能阀门定位器， 实验结果表 明阀门在不同起始 阀位处 ， 都能够快速无超 调的响应 不同幅度的给 定输 入信号 。 关键词智能阀门定位器非对称模糊控制器；d S P A C E实时仿真系统 As t r a e t Re g t d a t mgv a l v eh a sl a r g et i med e l a yc h a r a c t e r i s t i c ， a n di t s s ta t i cf r i c t i o no f d r a wi n gi na i r a n dd r a wi n go u t a i ri sd i ff e r e n t ． I nv i e w o f t h e s a i dd i ffi c u l t i e s ， a l l a s y mme t r i co n e - d ime n s i o n a l f u z z y c o n t r o l l e r f o ri n t e l l i g e n t v a l v ep o s i t i o n e r wa sd e s i g n e d ． Ac c o r d i n g t o d e v i a t i o n s i g n o f s e t t i n g v o l t a g e a n d v a l v e edb ack v o l t a g e ， c o n t r o l l e r c anj u d g e t o d r a w i n g i n o r d r a w i n g o u t a i r ． F u z z y c o n t r o l l e r a d o p t e dt wo - s t e p q u a n t i z a t i o nf a c torand s c a l ef a c tor , andd i v i s i o nme t h o do fi t sf u z z y s u b s e t wa sh e t e r o g e n e i t y ． I n p u t s i gn a l o ff u z z y c o n tr o l l e r Was d e v i a t i o nandi t s o u t p u t s i g n a l Wasd u ty r a t i o no f P WM． I n t e l l i g e n t v a l v e p o s i ti o n erWas r e a l i z e d b a s e do nd S P AC E r e a l t i me s i mu l a ti o n s y s t e m． E x p e r i me n t a l r e s u l ts s h o we dtha t r e g u l a t i n gv a l v e C an a l s oh a d r a p i dandn o n - o v e r s h o o t r e s p o n s e c a p a b i l i ti es at d i ffe r e n t s t a r t i n gp o s i t i o n , e v e ni f a mp l i t u d eo f s e t t i n gi n p u t s i g n a l Was diffe r e n t ． Ke ywo r d s I n t e l l i g e n t v alv ep o s i t i o n er ； As y mme t r i cf u z z y c o n t r o l l e r； d SP ACE r e a l ti me s im u l a t i o n s y s t e m 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 O 0 卜9 2 2 7 2 0 1 2 0 卜0 0 5 7 _ 0 3 0 引 言 调节 阀普遍应 用于化 、 冶金 、电力和 制药等行业 ， 智 能阀门定位器 作为调节 阀的大脑 ， 对 调节 阀的控制性能 起着决定性的作用。 德国西门子公司的SI P A R T P S 2型、 美 国罗斯蒙特 Y T C 2 3 0 0 型、日本山武A V P 3 0 0 型、 瑞十A B B公司 T Z I D C型等阀门定位器 占据国内外大部分市场 ， 产品性能 优 良， 价格 昂贵 ， 其 控制方法未见详细 报道。国产智 能阀 门定位 器较为突 出的产品为 中国重庆川 I 仪 自动化 公司 的 H V P型产品， 其采用脉冲宽度控制压 电阀的动作时间。 国内高校近年来丌展 了阀 门定位 器的相 关研究 1作 。 南京工程学院采用增量式积分分离的P I D算法⋯ ，由于被 控 对象具有非线性特性 ，当模型失配时 ， 难 以取得理想摔 制效果。 杭州电子科技大学采用变结构控制算法 ， 算法 思路并未详述。 西北1 - 业大学 采用模糊 P I D算法， 研究 结果表 明将模糊控 制应 用在 阀门定位 器上是一种 有效的 尝试 。 调节 阀具有 大滞后特 性 ， 进气 和排气 过程 中的静摩 擦力 不 同， 并且在 全行程 范 围内其动态特 性 的 致性较 差 。良好的控制算法要 能够 保证， 在不 同起 始阀位处 ， 阀 门都能够快速无超调的响应不 同幅度的给 定信号变化。由 于模糊控 制具有 良好 的鲁棒性 ， 并能够体现专家经验， 本 文基于 d S P A C E实时仿真系统设计并实现非对称 一维模糊 控 制器 。 收稿 日期2 0 1 1 1 0 2 0 ，基金项 目 本文受 “ 安徽大学 2 0 1 0年青年骨干教师基金 安徽 大学博士启动基金 ；安徽大学青年研 究基金” 资助 1 智能阀门定位器的工作原理 智能 电气 阀门定位 器 以微 处理器为核 心 ，利用新 型 压 电阀代替传统定位器 中的喷嘴、挡板调压系统实现对输 出气源压力 的调节。具体工作原理如 图 1所示 。 图1 智能阀门定位器的 作原理图 由阀杆位 置传感器检 测 阀门的实际开度 信号 ，通过 A／D转换变 为数字信号， 与给定信号进行比较 ， 计算二者 的偏差值。若偏差值超 出定位精度 ， 则C P U输出指令使压 电阀执 行开或关动作。当给 定信号大于 阀位反馈信号时 ， 进气压电阀 V一1 打开， 输出气源压力增大， 执行机构气 室 压力增加 ， 阀 门开度变大 ， 此 为进气 过程反之 ， 当给 定信号小于阀位反馈信号时， 排气压电阀 V一 2 打开 ， 通 过消音器排气， 减小输出气源压力 ， 执行机构气室压力减 小 ， 阀『 J 开度变 小， 此为排气过程。 简言之， 就是通过C P u 输出4 路数字P W M波控制 2 个压电阀动作， 调节输出气源压 力的大小， 使给定信号与 阀位反馈信号达到新 的平衡 。 压 57 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 智能阀门定位器 的非对称一维模糊控制器设计 张媛媛 ， 等 电阀的T作原理 ，可以借助 二极管 的工作 原理形象化解 释。 当压电阀V 一 1 受到0 和 1 两路数字信号控制时， V 一 1 阀开 启， 执行进气动作；若受到 1和0两路数字信号控制时， v l阀关闭。 同样， 当压电阀V 一 2 受到0和 1 两路数字信号控 制时， V 一 2阀开启 ， 执行排气T作。 综合而言， 即C P U输出 O 1l O数字信号时， 压电阀执行进气动作；C P U输出l 0 0 l数 7信号时， 压 电阀执行排气动作； C P U 输 出1 0 1 0 数字信号 时， 压 电阀执行保持动作 。 2 开环动态实验 选择配有P o w e r P C 7 5 0 单处理器的D S 1 0 0 5 型d S P A C E 实 时仿真系统， d S P A C E 系统可 以实现与M A T L A B ／ S i m u l i n k 的 无缝链接 。 安装A ／ D转换板卡D S 2 0 0 4 ， 用来采集阀位反馈 信息 安装I ／ 0 板卡D S 4 0 0 2 ， 产生4路可调占空比的P W M波。 利用C 0 n t r o 1 d e s k 编写存线监控界面， 调节参数并保存数 据。 P W M波的周期设定为固定值， 例如 1 00 m S。 根据偏差电 压的符号判断控制进气或排气。 例如， 若 占空比值为0 ． 6 ， 日 _ 需要执行进气动作， 则d S P A C E 实时仿真系统必须在每个 P W M 周期的前6 0 m s 输出进气信号 0 1 1 0 ， 后4 0 m s 输出保持信 号 1 0 1 0 。 在H A2型石墨填料阀门上分别进行进气和排气的 1 0 0 ％ 占卒 比值的丌环动态实验 ， 实验 曲线如图2和图3 所示， 虚 线代表给定输入信号的突变 ， 实线代表 阀位反馈信号 。 可 见， 进气 时被控对象的纯延时更大且动态 响麻更慢，这是 冈为阀 『 J 定位器产生进气动 作前需要克服较大的静摩擦 力；反馈 曲线 的初始斜 率较大 ， 是因为 一旦静摩擦力被克 服 ， 将导致 阀位迅速变化 。 而排气动作 ， 则是从压力 大的 气室 向大气中排气 ， 其静摩擦力小 ， 故 阀位反馈 曲线 的纯 延时小， 动态响应快速。 在不 同起始 阀位处 ， 阀门的动 态 特性 也 完伞相 同。 篇幅所限， 再列 图。 图2进气的开环实验数据 图3排气的丌环实验数据 3 控制方法 综上所述 ， 无法建立 一 个统一的数学模型 。叮以采取 分段控制 的方法，在不同的偏差范围 内，采取 同 占窄比 值 ，但是分段点难 以确定 。 被托 剥象 图4 阀门定位器控制系统设计原理图 设计简便 的非对称 一维模糊控 制器，采用两段 式量 化 冈子和 比例 因子 。 根据进气和排气时不 同的特性， 对模 58 糊控制器 的输入量输 出量进行非对称模糊子集划分 。 根掂 模糊隶属度 函数和模糊规则进行模糊决策 ， 得到模糊 制 量 ， 最后利用重心 法的解模糊运 算，得到模糊控制器输 出 的占空比值 。 编程实现控制器最终输 出4路可调 卒比的 P W M波， 控制两个压电阀动作，阀 定 器 的设计原理 如 图4所示。 3 ． 1 模糊子集和隶属度函数 设定偏差的模糊 予集的论域为 { 3， 3 }， 卒比值 的 论域是{ 0 ， l } 。 e 的语言变量设定为 { N B ， N M 2 ， N M 1 ， N S ， z ， P S ， P M 1 ， P M 2 ， P B } ， U 的语言变量设为{ S ， M 1 ， M 2 ， B } 。 隶属度 函数 曲线 的形状越 陡， 分 辨率利控制灵 敏度 也就越高 。 在偏差大的区域 ， 选择低分辨率的 态分们形 状隶属度函数 曲线，即PB和 N B。 存其它区域， 为使模糊控 制 器能够反应 灵敏 ， 选 择 曲线斜率 大的三角形 隶属度 函 数 。 此外， 设定了范围很窄的模糊了集 N S 、 P S 、 z ， 如 5 所 水，目的是使控制更为精细 。 根据 工程师 的经验和 对被控对 象的定性 认识 ， 拧制 量 u的模糊子集同样也采取非均匀性划分方式 。 B 处的』 I 态分布函数曲线 比S处的曲线陡，可以在B处输出史大 的 控制量， 如 图6所示。 图5 偏差e 的模糊子集划分 图6 控制最u 的模糊子集划分 3 ． 2 模糊规则 经过推理和调试 ， 制定 了模糊控制规则表 ， 如表 1所 示 。由于进气 过程缓慢 ，当偏差为正值时，应使模糊规则 尽量选取大的控制量 ， 加快 阀f j 定位器 的动态响应，即当 偏差为P M 1 、 P M 2 、 P B时都对应B控制量输出。 排气时， 选取 的控制量较小，是为了防 【 } 阀门定位器的响应信号出现超 调 量 。 表1 模糊规则表 e NB N M2 NMl NS Z0 u B M2 Ml Ml S 3 ．3 两段式量化 因子和比例因子 量化 因子和比例因予也对控制效果发挥重要作用 。 当误 差较大时 ，需采 用 “ 粗调 ” 对 过程进行摔制 。选取较 小的量化 因子K e， 降低对输入量 e的分辨率，以获得较半 稳 的控制效果， 保证系统 的稳定性；同时选取较大 的比例 因子 K U， 加快系统 的响应速度。 当误差较小时， 系统接近 稳态 ， 应采取 “ 细调 ” 。 增大量化因子K e， 提高系统对输入 量e的敏感度 ， 同时缩小量化因子K U， 防 l f 系统产生超调 和振荡， 使系统尽快进入稳态 。 采用 简便的两段式设计 方法 设冠量化 冈了剁 比例 冈 子的。 当偏差大于给定值的0 ． 3倍时 认为偏差较大 ， 取 较小的K e 和较大的K U ；当偏差小于给定值 的0 ． 3 倍时 认 为偏差较小 ， 则取较大 的K e和较小的K U。 量化冈予和 比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 自动化与仪器仪表2 0 1 2年第 1期 总第 1 5 9期 例 因子 的数值经过 多次 实验修 改确定 ， 程序流程 图如 图7 所示。 这种设计 能够使量化因子和 比例 因子随着给定值的 变化幅度 而 自适应调整， 从而实现不 同幅度的给定信号输 入时 ， 阀门都快速且无超调 的响应 。 由于模糊控制器本质 上是P D控制 ， 能实现无差控制， 故在控制器 中设计了死 区 ， 避免 阀位反馈信号在稳态值 附近 来回振荡。 死 区的上 下限设定为给定值 的0 ． 0 0 3 ， 小于满量程的0 ． 5 ％， 满足 精 度要求 。 图7 模糊控制器 的程序流程图 4 闭环实验 基于d S P A C E 实时仿真系统搭建了在线闭环实验平台。 实验装置主要包括 计算机 、 d S P A C E系统 、 气泵 、 调节 阀、 压 电阀、 阀位传感器。 实验装置流程 图如图8所示 ， 双线表 示物理连接 ， 单线表示电气连接。 给定值由C o n t r o l d e s k 界 面的监控平台在线设置， d S P A C E的A ／ D 板卡采集实际阀位 信息 ， 基于 d S P A C E 系统实现的智能阀门定位器输出占空比 值 ， 并编程实现 I ／ 0 板卡输 出相应 占空 比值 的4路P W M波， 控制两个 压 电阀工作 ， 执 行进气 、 排气 或保 持动作 ， 作用 于调节 阀， 改变气 室压力 ， 导致 阀位变化 。 I 传 感 纛 _l 司 ] 医 鎏 驾 颦 ‘ 商i／o - 图8 实验装置流程图 对HA 2石墨填料的阀门进行 闭环 实验，在不同的起始 阀位处进行了幅度不同的正、 负阶跃实验 ， 输入 的给定信 号分别选取满量程的5 ％ 、 i 0 ％ 和 5 0 ％， 对采集到的阀位反馈 信 号， 进行 巴特沃 斯低通 滤波器 消噪处理 ， 两种 曲线如图 9 ～图 1 l 的a、 b子图所示， 虚线为给定电压值 ， 实线为阀位 反馈 电压值 。叮见， 阀位信号能够快速无超 调地跟踪给定 信号 的变 化 。 1 2 1 0 8 呈0 ． 6 善 0 4 n 2 a 正阶跃实验图 b 负阶跃实验图 图9 给定电压5 ％ 阶跃变化 a 正阶跃实验图 b 负阶跃实验图 图1 O 给定电压1 0 ％ 阶跃变化 图1 I 给定电压5 0 ％ 阶跃变化 5 结束语 基于 d S P A C E 实时仿真系统实现智能阀门定位控制器， 在 不 同起始 阀位 处进 行 了多幅值给定信 号阶跃 变化的 闭 环 实验 。 实验结果表 明， 阀门定位器具有快速无超调 的动 态 响应特性 。 综合全文得 到以下两点结论 1 根据被控对象 的动态特性 ， 设计模糊控 制器 时， 采 用非均匀性划分的模糊子集， 制定具有针对性 的模糊控 制规则 ，能够 取得 良好效果 。 2 采用分段式量化 因子和 比例因子的一维模糊控制 器 ， 设计简便 ， 计算量小， 能够提高模糊控制器的实时性 。 参考 文献 [ 1 ]印书范， 刘汉忠． 低功耗二线制智能阀门控制器的设计 [ J ] ． 中国 制造业信息化， 2 0 0 9 ， 3 8 1 7 4 0 4 4 ． [ 2 ]尚群立， 蒋 鹏． 智能电气阀门定位器的研制[ J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 7 ， 2 8 4 7 1 8 7 2 1 ． [ 3 ]冯卫星， 樊泽明， 王 亮． 智能阀门定位器P I D 参数自整定及控制 算法设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 1 4 3 1 4 5 ． [ 4 ]樊泽明， 冯卫星， 王 亮， 王 棋． 智能阀门定位器P I D 单参数模糊 自 适应控制设计[ J ] ． 西安工业大学学报， 2 0 0 7 ， 2 7 6 5 6 3 5 6 6 ． [ 5 ]王亮， 冯卫星， 樊泽 明． 智能电气阀门定位器的设计与 自适应 控制 [ J ] ． 计算机测量与控制， 2 0 1 0 ， 1 8 1 1 2 5 1 4 2 5 1 6 ， 2 5 2 6 ． [ 6 ]杨涤． 系统实时仿真开放环境与应用[ M ] ． 北京 清华大学出版 社， 3 5 0 4 3 0 ． [ 7 ]薛 阳， 彭光正， 贺保国， 伍清河． 气动位置伺服系统的非对称模 糊P I D 控制 [ J ] ． 控制理论与应用， 2 0 0 4 ， 2 0 1 1 2 9 1 3 3 ． [ 8 ]方千山， 王永初． 模糊控制器因子的自寻优 [ J ] ． 电子测量与仪器 学报， 2 0 0 2 ， 1 6 3 2 8 3 1 [ 9 ] E J 1 I I ， 赵锦成， 齐晓慧． 模糊控制器设计中量化因子、 比例因 子的选择[ J ] ． 四川兵工学报， 2 0 0 9 ， 3 0 1 6 1 6 3 ． 59 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m