智能閥門定位器是智能電氣調(diào)節(jié)閥的控制核心，其中的閥位控制算法是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥閥桿位置精確定位和閥門開(kāi)度精確調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)算法具有算法簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但是存在參數(shù)調(diào)整困難，無(wú)法適應(yīng)不同閥芯、不同行程調(diào)節(jié)閥精確定位的控制要求。為此將傳統(tǒng)五節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制與PID控制算法相結(jié)合，研究實(shí)現(xiàn)了一種閥位自適應(yīng)控制算法。通過(guò)系統(tǒng)初始化程序?qū)崿F(xiàn)了控制參數(shù)的初始整定并在閥位控制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了PID控制參數(shù)的自適應(yīng)微調(diào)。閥門定位控制試驗(yàn)結(jié)果表明：該閥位自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)了閥位的準(zhǔn)確控制，閥位定位精度滿足±1%FS的設(shè)計(jì)要求。

　　智能電氣調(diào)節(jié)閥作為智能電氣執(zhí)行單元，已廣泛應(yīng)用于石化、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)機(jī)械氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥相比，智能電氣調(diào)節(jié)閥具有節(jié)能、高效、自動(dòng)化水平高、組態(tài)應(yīng)用方便等突出優(yōu)點(diǎn)。智能閥門定位器是智能電氣調(diào)節(jié)閥的核心控制部件，其控制性能的優(yōu)劣決定了電氣調(diào)節(jié)閥的控制精度和調(diào)節(jié)品質(zhì)。在閥門定位控制策略中，傳統(tǒng)的五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制算法具有算法簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但是存在參數(shù)調(diào)整困難，無(wú)法適應(yīng)不同閥芯結(jié)構(gòu)、不同行程要求時(shí)電氣調(diào)節(jié)閥精確定位的控制要求。為此引入一種基于五節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)控制結(jié)合自適應(yīng)PID的閥門定位控制算法，試驗(yàn)表明，該算法滿足大行程閥門定位控制要求。

1、智能閥門定位器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　智能閥門定位器由微控制器(包括CPU、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器)、電流檢測(cè)電路、閥位反饋電流輸出電路、控制電流輸出電路、電磁調(diào)節(jié)閥和氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位置(行程)傳感器及測(cè)量電路等部分組成。智能閥門定位器的工作原理不同于過(guò)去的噴嘴擋板式定位器，給定值和實(shí)際值的比較是電信號(hào)的平衡，不再是力的平衡。用微控制器的調(diào)節(jié)控制程序取代了機(jī)械力平衡控制過(guò)程，可消除力轉(zhuǎn)換及機(jī)械傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的易受溫度、振動(dòng)干擾等問(wèn)題。智能閥門定位器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能閥門定位器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　智能閥門定位器的主控制器(虛線框內(nèi))和氣動(dòng)執(zhí)行器(虛線框外)組成一個(gè)反饋控制回路，閥門位置為被控參數(shù)，將位置傳感器獲得的閥位反饋值與通過(guò)輸入電流檢測(cè)電路得到的閥位給定值比較，則得到閥門位置偏差，然后采用閥位控制算法計(jì)算出控制電流并輸出到IP單元、電磁調(diào)節(jié)閥以及氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)(俗稱膜頭)來(lái)控制閥門動(dòng)作方向和開(kāi)度大小，最終使執(zhí)行機(jī)構(gòu)拖動(dòng)閥桿和閥芯上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閥位控制。其中，電氣調(diào)節(jié)閥的閥位給定信號(hào)為4～20mA輸入信號(hào)，它既是閥位給定信號(hào)又是閥門定位器的外供電源。此外，閥門定位器采用兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)監(jiān)視閥門是否超過(guò)位置上限和下限。

　　閥門定位器利用剛性非振蕩的連桿將閥門閥桿與位置(行程)傳感器連接，將電氣調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開(kāi)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)閥位參數(shù)的檢測(cè)。位置傳感器是一種裝有球軸承和耐磨電阻薄片的電位器式傳感器，特別適用于長(zhǎng)期連續(xù)動(dòng)作而不損壞的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合。

　　電磁調(diào)節(jié)閥由電磁線圈和永磁體閥芯組成，電磁調(diào)節(jié)閥根據(jù)輸入電流的方向和大小決定閥芯位置和閥門開(kāi)度，從而控制膜頭氣室的進(jìn)氣或出氣以及通氣量，該電磁調(diào)節(jié)閥為典型的兩位三通閥，其中間通氣孔與膜頭的氣室相通，其右側(cè)通氣孔與進(jìn)氣管線相連，其左側(cè)通氣孔與排氣管線相連。當(dāng)電磁調(diào)節(jié)閥的閥芯處于中間位置，進(jìn)氣口和出氣口同時(shí)閉合，膜頭保壓;當(dāng)電磁調(diào)節(jié)閥的閥芯處于右側(cè)位置，膜頭排氣降壓;當(dāng)電磁調(diào)節(jié)閥的閥芯處于左側(cè)位置，膜頭充氣升壓;當(dāng)電磁調(diào)節(jié)閥的閥芯處于其它位置，膜頭充氣調(diào)壓。該電磁調(diào)節(jié)閥具備開(kāi)、關(guān)、保壓、調(diào)節(jié)4種狀態(tài)，均由閥門定位控制器的輸出電流信號(hào)(0～2mA)控制。

　　采用電磁調(diào)節(jié)閥控制氣動(dòng)閥門的優(yōu)點(diǎn)是電磁調(diào)節(jié)閥動(dòng)作速度快，所需電流非常小，使得閥門定位器具有低功耗的特點(diǎn)。因此，該定位器采用二線制4～20mA電流供電方式即可，無(wú)需增加輔助電源，其防爆等級(jí)為本安防爆，可用于防爆工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。電磁調(diào)節(jié)閥的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量很小，既使受到很大振動(dòng)，也可正常工作。在閥門開(kāi)度設(shè)定值穩(wěn)定狀態(tài)下，采用電磁調(diào)節(jié)閥和智能閥門定位器的電氣調(diào)節(jié)閥操作的耗氣量很小，僅是噴嘴擋板式氣動(dòng)閥門耗氣量的2%，顯著節(jié)約了能耗。

2、基于五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)和自適應(yīng)PID的閥門定位控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)結(jié)合自適應(yīng)PID的閥門定位控制算法原理簡(jiǎn)單，控制特性較好，實(shí)現(xiàn)也不復(fù)雜，適于采用低檔微控制器的低端應(yīng)用系統(tǒng)。其控制動(dòng)作過(guò)程和控制策略如下：

　　(1)首先采集給定的閥位設(shè)定值W，該設(shè)定值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后被微控制器采集;

　　(2)微控制器根據(jù)用戶設(shè)定的控制方式以及在自整定過(guò)程中得到的參數(shù)對(duì)閥位設(shè)定值W進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，如正反作用轉(zhuǎn)換、分程控制轉(zhuǎn)換和流量特性轉(zhuǎn)換等;

　　(3)當(dāng)前閥位信號(hào)Y經(jīng)連桿機(jī)構(gòu)反饋、電位器式傳感器檢測(cè)和A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后送給微控制器;

　　(4)在微控制器中，將當(dāng)前閥位信號(hào)Y經(jīng)濾波、標(biāo)度變換和非線性修正后，與設(shè)定值W進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)E;

　　(5)根據(jù)誤差信號(hào)E的正負(fù)決定動(dòng)作方向，即決定是進(jìn)氣還是排氣，而根據(jù)E的絕對(duì)值的大小決定動(dòng)作類型和控制策略：在偏差E較大的區(qū)域，微控制器發(fā)出較大的連續(xù)信號(hào)，使IP單元中電磁調(diào)節(jié)閥持續(xù)開(kāi)通，閥位快速改變(高速區(qū));在偏差E較低的區(qū)域，微控制器采用參數(shù)自適應(yīng)PID控制策略而發(fā)出脈沖信號(hào)，使電磁調(diào)節(jié)閥斷續(xù)開(kāi)通，緩慢改變閥位(短步區(qū));在偏差E低于設(shè)定的死區(qū)大小時(shí)，不輸出信號(hào)，閥門位置保持不變。

　　在上述控制策略中，PID參數(shù)首先在系統(tǒng)初始化程序中進(jìn)行初始整定，然后在閥門定位控制過(guò)程中根據(jù)誤差信號(hào)大小及其變化速率進(jìn)行自適應(yīng)微調(diào)，PID參數(shù)經(jīng)自適應(yīng)調(diào)整后再次投入運(yùn)行。

3、閥位控制試驗(yàn)結(jié)果

　　系統(tǒng)采用Cygnal高檔8位微控制器C8051F021作為控制核心，其最高運(yùn)算速度可達(dá)5MIPS，運(yùn)算速度能夠滿足自適應(yīng)閥門定位控制算法的運(yùn)算需求。對(duì)于具有不同閥芯填料和不同摩擦特性的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，采用五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)結(jié)合自適應(yīng)PID的控制算法對(duì)閥門位置進(jìn)行定位控制試驗(yàn)。試驗(yàn)中分別設(shè)定閥門開(kāi)度為0%、20%、40%、60%、80%、100%，同時(shí)采用百分表測(cè)量并記錄調(diào)節(jié)閥閥桿的實(shí)際位置即閥門的實(shí)際位置。由于調(diào)節(jié)閥的最大行程為13.4mm，因此，上述閥門位置設(shè)定值分別對(duì)應(yīng)閥門實(shí)際位置為0mm、2.68mm、5.36mm、8.04mm、10.72mm、13.4mm.如表1所示為針對(duì)13.4mm行程、閥芯采用最大摩擦填料時(shí)的沿正反行程兩個(gè)方向的閥門定位控制試驗(yàn)結(jié)果，從表中可見(jiàn)，對(duì)于每個(gè)設(shè)定閥位以及閥桿實(shí)際位置，閥門定位控制靜態(tài)誤差均在±1%FS以內(nèi)，滿足閥門定位器自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

表1 沿正反行程兩個(gè)方向的閥門定位控制試驗(yàn)結(jié)果

4、結(jié)束語(yǔ)

　　采用五接點(diǎn)開(kāi)關(guān)結(jié)合參數(shù)自適應(yīng)PID的閥門定位控制算法實(shí)現(xiàn)了閥門位置的準(zhǔn)確控制，無(wú)需頻繁且不定期地對(duì)閥門定位器控制參數(shù)進(jìn)行人工調(diào)整和調(diào)校，實(shí)現(xiàn)了算法中控制參數(shù)的實(shí)時(shí)在線自適應(yīng)調(diào)整，顯著提高了閥門定位控制系統(tǒng)的定位精度和魯棒性。