國內(nèi)諸多閥門定位器產(chǎn)品使用五步開關(guān)控制算法，但在低閥位控制時振蕩次數(shù)多，高閥位控制時調(diào)整時間長，因而對五步開關(guān)控制算法進行改進。將改進后算法的控制效果與五步開關(guān)控制算法控制效果進行對比，算法改進后調(diào)整時間減小1.6s，超調(diào)量減小12.8%，實現(xiàn)了更快速準確的閥門定位。

　　智能閥門定位器作為氣動調(diào)節(jié)閥的主要附件之一，可以改善閥門的特性，提高控制的精度、速度和增加控制的靈活性。智能閥門定位器具有控制精度高、可靠性好、流量特性易修改及具有診斷和檢測功能等優(yōu)點，在石油、化工、電力及冶金等工業(yè)企業(yè)的流量控制中發(fā)揮著不可替代的作用。

　　我國在智能閥門定位器的研究過程中，取得了一些成果�？刂扑惴ㄊ侵悄荛y門定位系統(tǒng)的核心，算法的優(yōu)劣將直接影響閥的定位精度和定位速度。在國內(nèi)的很多閥門定位器產(chǎn)品中，控制算法采用五步開關(guān)控制算法。筆者針對閥門定位器五步開關(guān)控制算法的研究和改進，旨在實現(xiàn)更好的控制效果。

1、智能閥門定位器控制系統(tǒng)

　　1.1、智能閥門定位器工作原理

　　定位器的工作原理如圖1所示。定位器接收4～20mA的標準電流信號，轉(zhuǎn)換為閥位設(shè)定值，執(zhí)行機構(gòu)的直線或轉(zhuǎn)角實際位移通過連接裝置轉(zhuǎn)換為角度位移，并由位置傳感器測得，反饋至微處理器，微處理器將實際閥位反饋值和設(shè)定值進行比較，檢測到偏差后，根據(jù)偏差大小和方向輸出脈寬調(diào)制指令到壓電閥，壓電閥按控制指令調(diào)節(jié)膜頭進氣量和排氣量。

圖1 智能閥門定位器控制系統(tǒng)框圖

1.2、壓電閥工作原理

　　壓電閥是控制主板的直接控制對象，其性能參數(shù)如下：

　　工作電壓 24VDC；工作電流 小于10μA；維持電流 0μA；響應(yīng)時間 小于20ms；電容 小于100nF；工作氣壓 12～800kPa；流量 130L/min；工作溫度 -30～+60℃。

　　壓電閥模塊采用兩個開關(guān)式壓電閥(PV1和PV2)和兩個單向閥構(gòu)成控制氣路。主控制器通過控制算法，輸出PWM控制壓電閥的動作，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的進氣、排氣與保持狀態(tài)。進氣、排氣與保持狀態(tài)對應(yīng)壓電閥的狀態(tài)見表1。

表1 壓電閥得失電控制狀態(tài)

2、控制算法

2.1、五步開關(guān)控制算法

　　五步開關(guān)控制算法，即Bang-Bang控制和正向PWM相切換的方法，根據(jù)閥位設(shè)定信號與閥位反饋信號之間的偏差大小，采用相應(yīng)的PWM信號控制壓電閥，從而實現(xiàn)排氣、進氣和保持狀態(tài)。當閥位偏差較大時，壓電閥全開，調(diào)節(jié)閥全速進氣，閥位迅速到達設(shè)定位置，實現(xiàn)粗調(diào);當閥位接近設(shè)定位置時，在一定范圍內(nèi)按設(shè)定的周期和占空比，輸出PWM控制信號，進行微調(diào);為避免調(diào)節(jié)閥在設(shè)定位置附近頻繁的振蕩，設(shè)定死區(qū)范圍ε，當偏差位于死區(qū)范圍內(nèi)時，關(guān)閉壓電閥，使閥位保持當前位置。

　　PWM控制信號和閥位偏差之間的關(guān)系為：

　　五步開關(guān)控制算法流程如圖2所示。

圖2 五步開關(guān)控制算法流程

　　2.2、改進的五步開關(guān)控制算法

　　理想情況下，開關(guān)閥的等效開口截面積與占空比之間的關(guān)系是線性的，但由于壓電閥的滯后性和閥芯慣性，高電平持續(xù)40ms以上才能保證閥芯開啟，低電平持續(xù)10ms以上才能保證閥芯關(guān)閉。占空比修正公式為：

　　式中da———修正輸出占空比;ds———期望輸出占空比;dmin———壓電閥動作的最小占空比;dmax———壓電閥動作最大占空比。

　　根據(jù)氣動薄膜調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)效果的特點，高閥位時，氣室和氣源壓差變小，相對于低閥位而言，在相同的充氣脈沖時間內(nèi)充入的氣體更少。為改善高閥位時響應(yīng)速度，使PWM的占空比隨閥位的升高而加大。在五步開關(guān)算法占空比的基礎(chǔ)上，添加隨閥位反饋線性變化的占空比，改進后的五步開關(guān)算法占空比的計算公式為：

d*=da+KdPV (3)

3、實驗效果對比

　　國內(nèi)樂清市自動化儀表九廠生產(chǎn)的智能閥門定位器SEPP4000采用五步開關(guān)控制算法，當設(shè)定值由10%變化至90%時，閥位反饋電位器輸出對應(yīng)的電壓范圍是788～632mV;當設(shè)定值由90%變化至10%時，閥位反饋電位器輸出對應(yīng)的電壓范圍是632～784mV。

　　進行空載下閉環(huán)控制試驗，將改進后的五步開關(guān)控制算法的控制效果與標準五步開關(guān)控制算法的控制效果進行對比。閥位反饋信號響應(yīng)曲線如圖3～6所示。

圖3 標準五步算法進氣狀態(tài)下響應(yīng)曲線

圖4 改進五步算法進氣狀態(tài)下響應(yīng)曲線

圖5 標準五步算法排氣狀態(tài)下響應(yīng)曲線

圖6 改進五步算法排氣狀態(tài)下響應(yīng)曲線

　　調(diào)整時間與超調(diào)量的比較見表2。

表2 控制效果比較

　　通過比較發(fā)現(xiàn)，改進后的五步開關(guān)控制算法調(diào)整時間更短，在高閥位時表現(xiàn)更為明顯。

4、結(jié)束語

　　根據(jù)氣動薄膜調(diào)節(jié)閥的特點，低閥位時，氣室進氣少，氣壓小，由于氣體的可壓縮性，調(diào)整時間短但更容易出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象;高閥位時，調(diào)整時間長，氣室進氣多，氣壓相對穩(wěn)定。筆者通過五步開關(guān)控制算法的改進，經(jīng)過實驗效果對比，有效縮短了調(diào)整時間，減小了超調(diào)量，控制效果更理想。對PWM占空比的修正，是解決氣動薄膜調(diào)節(jié)閥高低閥位控制效果缺點的有效方法，可作為智能閥門定位器控制算法研究之借鑒。