智能阀门定位器控制方法的研究.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3 卷 第 2 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS J a n ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 4 7 智能阀门定位器控制方法的研究 赵明南 ，杨金堂 ，夏中愈 ，张俊 ，全芳成 ’ 1 ．武汉科技大学机械 自动化学院，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 ； 2 ．武汉钢铁股份有限公司，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要针对采用直行程气缸控制的阀门设计了智能阀门定位器。为研究其控制方法 ，采用 A ME S i m ／ S i mu l i n k联合仿真 ， 在 A ME S i m中建立气动伺服阀控非对称缸的系统模型，以 S函数的形式导入到模糊 自整定增量式 P I D控制系统的 S i mu l i n k 模块中，得到气动伺服系统的响应特性。将有 、无 P I D系统的响应特性进行对比分析，结果表明模糊 自整定增量式 P I D 控制器 可以改善气动伺服系统 的响应性 能 。达到了调节精度高 、调节速度快 的 目的。 关键词智能阀门定位器；直行程气缸 ；联合仿真；增量式 P I D；模糊 自整定 中图分类号 T P 2 7 3 ． 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 2 1 4 1 4 Re s e a r c h o n t he I nt e l l i g e n t Va l v e Po s i t i o ne r Co n t r o l M e t ho d Z HA O Mi n g n a n ，Y A N G J i n t a n g ，X I A Z h o n g y u ，Z H A N G J u n ，Q U A N F a n g c h e n g 1 ． S c h o o l o f Ma c h i n e r y a n d Au t o ma t i o n，Wu h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ． W u ha n Hu b e i 4 3 0 08 1。Ch i n a 2 ． Wu h a n S t e e l P r o c e s s i n g C o mp a n y L i m i t e d ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e s t r a i g h t t r a v e l c y l i n d e r c o n t r o l l e d v a l v e ，t h e i n t e l l i g e n t v a l v e p o s i t i o n e r wa s d e s i g n e d ．T o s t u d y t h e c o n ． t r o l a l g o ri t h m o f v alv e p o s i t i o n e r ，wh i c h w a s a n o n l i n e a r ，t i me v a r y i n g a n d u n k n o wn mo d e l s y s t e m，a s y mme t ric c y l i n d e r p n e u ma t i c s e r - V O s y s t e m mo d e l W as e s t a b l i s h e d b y u s i n g AME S i m ，w h i c h wa s i mp o se d i n t o t h e c o r r e s p o n d i n g i n c r e me n t a l f u z z y s e l f - t u n i n g P I D c o n t r o l s y s t e m S i mu l i n k mo d e l i n t h e f o r m o f S f u n c t i o n t o s t u d y mo d e l s ’ r e s p o n s e s o f t h e p n e u ma t i c s e r v o s y s t e m． C o mp a ri n g t wo k i n d s o f r e s p o n s e c h a r a c t e ri s t i c s ， t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f u z z y s e l f - t u n i n g i n c r e me n t a l P I D c o n t r o l l e r c a n i mp r o v e t h e r e s p o n s e p e rf o rm a n c e o f t h e p n e u m a t i c s e r v o s y s t e m a n d a c h i e v e t h e g o al o f t h e h i g h p r e c i s i o n a n d h i．g h s p e e d i n t h e a d j u s t m e n t p r o c e s s ． Ke y wo r d s I n t e l l i g e n t v a l v e p o s i t i o n e r ；S t r a i g h t t r a v e l c y l i n d e r ；C o s i mu l a t i o n ；I n c r e me n t al PI D ；F u z z y s e l f - t u n i n g 均热炉采用高 温空气燃烧技 术 ．具 有极限利用烟 气余热和极大降低 N O ． 排放 的优点 ，烟气 中的热量 回收率可达烟气总热量的 7 0 ％～ 8 0 ％。充分提高了能 源的利用率。烟道控制直接影响着炉温控制的能源利 用率和温度控制的稳定性。阀门定位器的作用是使阀 门可以及时克服环境及干扰信号的影响。更加快速准 确定位在系统设定 的开度 值范围内 ．进而提高阀 门系 统的实时性 、准确性及鲁棒性 。文中设 计的智能阀 门 定位器实现 了 C S P均热 炉排 烟风 门控 制 系统 的分 离 式设计．使主要控制设备分离至良好环境中处于巡检 受控状态 ，降低设备故 障发生率 8 0 ％．均热炉温控 达标率提高 1 ％～ 2 ％ J 。 1 智能阀门定位器工作原理 智能 阀门定位器采用 以微处理芯片为核心的控制 电路，接收系统传来的设定阀门开度的电信号．同时 接收来 自调节阀阀杆反馈回来的反映实时阀门开度的 电信号。两信号通过 A ／ D转换输入控制芯片．通过 运算 比较 ，输 出偏差 信号去控制电磁阀。从 而通过控 制进入 调节阀执行 机构的压缩空气量 ，控 制对执 行机 构 活塞 杆的推动 ，最 终实现阀芯的准确定 位。 图 1 智能阀门定位器控制原理 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 2 9 作者简介赵明南 1 9 8 8 一 ，女，硕士研究生，主要从事智能设计及过程 自动控制方面的研究。E - m a i l 7 1 5 0 8 8 1 5 0 q q c o m 。 1 4 2 机床与液压 第 4 3卷 2 执行机构分析 现使用 的执行机构为直行程气缸 ，其内部 的齿 轮 齿条等机械机构将直行程转换为角行程 ，因此齿轮 的转角表征 阀门开度 ，其 内部传 动机构 简图如图 2 所 示 ，齿轮轴直径为 6 0 m m。 图2 气缸内部传动机构 3 控制方法研究 3 ． 1 气动 系统模 型 在 A M E S i m中建立气动系统子模型，然后经过 系统 编译 、参数设 置 等 生成 供 S i m u l i n k使 用 的 S函 数 ，加入 系统 的 S i m u l i n k模 型 中 ． 从 而实现 A ME S i m 与 S i m u l i n k的联合建模与仿真⋯。无 P I D控制的系统 模 型如图 3所示 ，带有模糊 自整定 P I D控制的气动系 统模 型如 图 4所示 。 图 3 无 P I D控制气动 系统模 型 图 4 A ME S i m环境下 的气动系统模型 现使用 的气缸活塞 直径为 2 0 0 m m，活 塞杆直径 为 4 2 m m，气 缸行 程 为 0 ． 3 m，气缸 质 量为 2 ． 8 k g ， 气源压力为 0 ． 7 MP a ，传动齿轮直径为 6 0 m m。用信 号源来模拟执行机构驱动的负载阻力信号源设置为 常量 1 1 5 0 ．则经过 由信号 到力 的转 换 ．执 行机构 活 塞杆就能得 到一 个恒 为 1 1 5 0 N的 阻力 ，增 益 为 5 ， 其他参数为默认值。 4 P I D控制的设计 4 ． 1 增 量式 P I D 位置式 P I D控制算法的表达 式为 k k k e k k 。 e k e k 一e k一 ，0 1 式 中k 。 、k 、k 分别为表征其 比例 P 、积分 I 和微分 D作 用程度 的参数 。 增量式 P I D控制算法 的输 出为控制量 的增量， 即 A u k k e k 一e k一1 k l e k k e k 一2 e k一1 e k一2 位置式 P I D算法计算时需要对 e 进行累加 ，计算 机运算工作量很大 。而且 ，由于计算 机输 出 的 “ k 对应 的是 执行 机 构 的实 际位 置 ，如果 计算 机 出现 故 障， k 的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅 度变 化。文 中涉及 的控制 阀门的执行机构气缸需要 的 不是控制量 的绝对值 ，而是控制量 的增量 ，因此采用 P I D的增量算法_ 3 ] 。 4 ． 2模糊 自整 定增 量式 P I D 4 ． 2 ． 1 输入输 出变量的确立 系统设定信号与反馈信号的偏差为 e ，偏差变化 率为 e c 。均为模糊 控制器 的输入 ，P I D控 制器 的 3个 参数 k 、k ； 、k 为模糊控 制器 的输 出_ 4 ] 。P I D模 块 的 输出为控制信号。模糊 自整定 P I D控制原理如图 5 所 示 图 5 模糊 自整定 P I D工作原理 由于控制器输入的是电压信号，而开启／ 关闭电 磁 阀需要 的是 5 V ／ 0 V的脉冲电压 ，因此在控制 器与 被控对象之间还需要进行信号转换。通过 M A T L A B S i m u l i n k 模块建立的信号转换模块如图 6 所示。 第 2期 赵明南 等智能阀门定位器控制方法的研究 1 4 3 R e pea t i ng S e q u e n c e 图6 信号转换模块 根据 P WM的控制原理 ，首先 对控 制器输 出 的信 号 取绝对值 。然后 用 零 阶保 持器 对输 人 信 号进 行采 样 ，将采样得到的信号与三角波 此信号可以根据 对 象性质进 行选 择 进 行 比较 。当 u k ≥C k 时 ， 比较模块 输 出为 1 ，否则 比较 模块输 出为 0 。然后经 过 A M E S i m中的增 益环 节放 大后 。即可 获得 5 V ／ 0 V 的脉冲电压信号 。从而将输人的电压信号转换成了 5 V ／ 0 V 的脉冲电压信号，实现了信号转换 ] 。 4 ． 2 ． 2 精确量 的模糊化 此控制 系统 中 e 、e c 表示设 定信 号与反 馈信 号的 偏差及偏差变化率 ．电压信 号范围为 0 ～ 5 V，为保证 定位 精 度 达 到 8 0 ％ 以 上 ，设 其 基 本 论 域 为[ 一6 ， 6 ] ，设其误差论域为[ - 3 ， 3 ] ， 因此偏差的量化 因子为 2 ；同理计算误差变化率量化因子为 0 ． 3 ，将 e 和 e c 的论域 离散成 7个 等级 即负大 N B 、负 中 N M 、负小 N S 、零 Z O 、正 小 P S 、正 中 P 、正 大 船 等 7 个语 言变 量 ， 然后 由e 、e c 隶 属函数根据最大值 法得 出相 应 的模 糊 变量。用 S i m u l i n k中的 F u z z y 模 块 编辑 e 、e c 、A k 。 、A k i 、A k d 的隶 属函数 ，其论域均为 [ _ 3 ，3 ] ，且均服从 于正态分 布 。 4 ． 2 ． 3 模糊控制 规则 的制定 P I D参数 的整定必须考虑到在不 同时刻 3个参数 的作用 ，模糊控制算法在第 K个控制周期只提供 P I D 控制器 3 个增益的变化量 ，则下一个控制周期的 P I D 参数为 k p k pak k i ．i} Ak i k d k Ak d k 、k 、k 的确定采用凑试法 ，不添加模糊 自整 定环 节 ，图 7 所示 为其控制 系统 。根据参数对 系统控 制过 程的影响趋势 ，对参数整定实行先 比例后积分再 微分 的整定 步骤 ，根 据查 阅资料 总结 k 是 由小 向大 调节 ，k i 是 由大 向小调节 ，k 是 由小 向大调节 _ 6 ] 。 图 7 采 用试凑法的增量式 P I D控制系统 1 调节 k 值 ，即令 k ． 3 0 0 0 ，k 0 ，将 比例 参数 由小 变大 ，并观察相应 的系统 响应 ，之至得 到反 应快 、超调 量小的响应 曲线 。 2 在进行 k ； 值调节时，将已经调节好的比例 系数略为缩小 一般缩小为原值的0 ． 8 ，然后减小 k ； 值 ，使得 系统在保持 良好动态性能的情况下 ，静差 得 到消除 之后较大 的系统 ，k 需要调大些。 在此过程 中 ，可 以根据 系统 的响应 曲线 的好坏反 复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过 程和整定参数 。最终确定 的值为 2 0 ，k 的值为 5 ， 的值为 1 。 有关的专业文献归纳了系统在被控制过程中对于 不 同的 l e l和 I e c l，参数 △ △ ； 、△ j } 的整定原 3 对 于一般 的系统 ，k 0 、1 或 2 。只有部分 则 ，如表 1 所示 。 表 1 A k 。 ，A k ，A k d的模糊控制规则表 1 4 4 机床与液压 第 4 3卷 4 ． 3 模糊 自整定 P I D仿真 1 搭建 模糊 控 制 系统 。在 S i m u l i n k中将 进 行 模糊化 、模糊控制 、精确化 的各模块相连 ，经模糊控 制后输出的 、△ i 、 ，再与 k 、k ； 、k 分别叠 加得调整后的参数 ，为便于模块封装将其进行集合输 出用 d P I D表示 。 2 编程实现增量式 P I D 。根据增量式 P I D的运 算法则 编辑 M A T L A B 中的 M 函数 ，命 名 为 P I D Mf a n 3 ，将模糊 自整 定 后 的 K K、 即 d P I D及 e 作为采集 变量 输入 P I D M f a n 3函数 ，输 出为增 量 式 P I D的输 出 U 。 3 完成 A ME S i m与 S i m u l i n k的连接。将上述各 模块进行封装连接 ，同时将 A M E S i m中建立 的系统模 型以 S函数 的形式导人进来 ，连接完成 的模糊 自整定 增量式 P I D控制器如 图 8所示 l 7 ] 。 Cont r ol l er1 ．r’厂] ●-r ■C J 一 一 I J 一 一 _ M E S im ．．1 一 i 广 阴I [ J 。⋯ Ou t 一 r ⋯ l I 一| 。 ．A c t i v e Q i g a n g _ _ - - I r 1 臣 I 图 8 模糊 自整定增量式 P I D控制系统 5仿 真结 果分 析 整定 P I D控 制技 术 ．不 仅很 好 地解 决 了该 控制 系统 取仿真时间 1 0 S ，无 P I D控制的阀门开度特性 如图 9 所示 ，带有模糊控制 自整定 P I D的阀门开度特 性如图 1 0 所示 。 2 5 ， 、 2 O l 5 察 。 。 5 O 10 8 6 2 0 0 2 4 6 8 1 0 0 2 4 6 8 1 0 时 间， s 时 间， s 图 9 无 P I D时的阀 门开度特性 图 1 0 采用模糊 自整定 增量式 P I D时的 阀门开度特性 由图9可知当不采用 P I D控制器时．在给定设 定值情况下 。调节前期存在较大超调量，且有振动现 象 。最终经过大约 5 s 的时间系统达到稳定。由图 1 O 可知 在采 用模 糊 自整 定增 量式 P I D控 制 时 。系 统 调节 过程稳定 ．不存在超调现象及振动现象 ，且调节 迅速 ，经过 大约 1 S 的时间系统达到稳定 。 6结论 该智能阀门定位器的控制系统因为采用了模糊 自 的非线性 、实时性 问题 ．而且具有 良好 的鲁棒性 和一 定的 自诊 断性 。实际 应用 表 明 该 系统 具有 结 构简 单 、可靠性 高 、功 能更加完善 、适应性好 和方便安装 调试等特点 。 参考文献 [ 1 ]王素凤， 高欣． 工业锅炉用智能气动阀门定位控制器的 研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 2 8 0 8 3 ． [ 2 ]郑泽森． 智能液压阀门定位器控制方法研究[ D] ． 济南 山东大学 ， 2 0 1 3 1 7 ． [ 3 ]巴少男 ， 袁锐波 ， 刘森 ， 等． 基 于 A ME S i m和 Ma t l a b ／ S i m u l i n k联合仿真的模糊 P I D控制气动伺服系统研究 『 J ] ． 科学技术与工程， 2 0 1 0 9 2 2 2 0 2 2 2 1 ． [ 4 ]杨海峰， 罗璨， 李留柱 ， 等． 基于 A M E S i m和 S i m u l i n k的 气动位置伺服系统 P I D控制[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 9 4 4 7 - 4 9 ． f 5 ]郝继飞， 邢青青， 张琳． 基于 S - 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