氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設計方案

氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設計方案

    隨著過程控制裝置逐漸一體化，生產(chǎn)過程對于控制裝置的控制精度和適應性要求日趨嚴格。在氣動控制技術方面，國外起步早、投入力度大，都成功設計出了性能良好的氣壓控制裝置；而國內(nèi)的氣動技術由于起步較晚，目前大部分還處于仿真與實驗研究階段。在控制算法方面，傳統(tǒng)PID控制因其經(jīng)常性參數(shù)整定不良，對運行工況適應性差而不能很好滿足要求，因此出現(xiàn)了多種控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡控制、雙閉環(huán)混合PID控制、線性二次自校正控制等。本文探討了一種基于氣動調(diào)節(jié)閥的智能測控裝置，集氣動閥門定位器、被控物理量傳感器及調(diào)節(jié)器等于一體，采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法，對被控量進行穩(wěn)定、精確、快速控制。

    1 氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設計方案一體化智能測控裝置的組成原理
    基于氣動調(diào)節(jié)閥的一體化智能測控裝置組成原理如所示。采用單座、套筒式結(jié)構(gòu),配用多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu),執(zhí)行機構(gòu)高度低、重量輕、裝備簡便。氣動壓力調(diào)節(jié)閥閥芯采用籠式套筒閥芯,將氣源壓力變換為閥芯的直線位移,自動的控制調(diào)節(jié)閥開度,達到對管道內(nèi)流體的壓力連續(xù)調(diào)節(jié)。氣動壓力調(diào)節(jié)閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動作快、壓降損失小、閥容量大、流量特性精度高、維護方便等優(yōu)點。整體具有工作平穩(wěn)、允許壓差大、流量特性精度高、噪音低等特點。氣動壓力控制閥適用于允許泄露小、閥前后壓差較大的工作場合
    過程調(diào)節(jié)器接收被控量設定值以及來自被控量傳感器的被控量反饋值，按照設計的控制算法，向閥門開度調(diào)節(jié)器輸出閥門開度指令。閥門的實際開度由閥門開度傳感器檢測得到并反饋至閥門開度調(diào)節(jié)器中。閥門開度調(diào)節(jié)器比較兩個輸入信號后向電磁閥輸出PWM控制信號，通過改變PWM信號的占空比來控制電磁閥的通斷時間，從而控制氣室內(nèi)的氣體壓力。氣動執(zhí)行機構(gòu)將氣室壓力的改變轉(zhuǎn)換為閥桿的直線位移或角位移，以此改變調(diào)節(jié)閥閥芯的位置，即調(diào)節(jié)閥的流通面積，進而控制流入或流出控制系統(tǒng)的物料或能量，實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。

    2氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設計方案 控制系統(tǒng)數(shù)學模型
    以氣體流體的壓力控制為例，假設氣體滿足理想氣體方程，執(zhí)行機構(gòu)選取氣開式薄膜調(diào)節(jié)閥，得到的控制系統(tǒng)雙閉環(huán)組成框圖所示。其中，忽略執(zhí)行機構(gòu)氣室的容積變化，氣體的溫度變化以及閥桿和閥芯加速運動產(chǎn)生的慣性力，可得到執(zhí)行機構(gòu)的簡化數(shù)學模型：
    壓力調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)由氣源、調(diào)節(jié)閥和氣缸組成。忽略氣缸的容積變化以及氣體的溫度變化，可得到氣缸內(nèi)的壓力微分方程：。其中，
    忽略管道的氣體泄漏，流入氣缸氣體的質(zhì)量流量與流過調(diào)節(jié)閥口的氣體質(zhì)量流量相等，根據(jù)理想氣體經(jīng)過收縮噴管的等熵流動過程，得到：同時可得到控制系統(tǒng)的數(shù)學模型框圖，如圖3所示。圖3中，P*和L*分別為壓力設定值（MPa）和閥門開度設定值。

氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設計方案執(zhí)行器技術參數(shù)

    3 氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設計方案控制算法設計及MATLAB仿真
    3.1 控制算法設計
    閥門開度調(diào)節(jié)器采用常規(guī)PID控制算法，其3個參數(shù)固定不變。采用籠式套筒導向、雙密封結(jié)構(gòu)，配用多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)高度低、重量輕、裝備簡便。將氣源壓力變換為閥芯的直線位移，自動的控制調(diào)節(jié)閥開度，達到對管道內(nèi)流體的壓力連續(xù)調(diào)節(jié)。氣動壓力調(diào)節(jié)閥整體具有工作平穩(wěn)、允許壓差大、流量特性精確噪音低等特點。特別適用于允許泄露小、閥前后壓差較大的工作場合。

氣動壓力調(diào)節(jié)閥主要特點如下：
（1） 采用輕型執(zhí)行機構(gòu)，高度及重量均可減小30%。
（2） 閥體內(nèi)表面有多種材料涂復層，避免介質(zhì)直接接觸，承受強閥腐蝕性介質(zhì)的腐蝕。
（3） 閥門關閉時，內(nèi)、外泄漏量為零，特別適合于劇毒介質(zhì)或不允許污染介質(zhì)的閥節(jié)。
（4） 流路簡單，阻力小，額定流量系數(shù)比同口徑單座，套筒調(diào)節(jié)閥大。
    過程調(diào)節(jié)器采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法。將過程控制器的輸入信號與壓力傳感器的反饋信號間的偏差值e以及偏差的變化量Δe作為輸入，通過數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫的模糊推理，得到PID控制器中比例、積分和微分參數(shù)的調(diào)整量，進而完成3個參數(shù)的整定工作，以達到控制調(diào)節(jié)的目的。設e的基本論域為。
    PID的控制參數(shù)整定規(guī)則為：1）當e與Δe同號時，若e的值較大，通過選取較大的Kp，較小的Ki和中等的Kd，能夠使其快速降低；若e的值較小，則選取中等的Kp，較大的Ki和較小的Kd，以達到加強整個系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的目的；2）當e與Δe異號時，若e的值較大，則取適中的Kp與Kd，并減小Ki，以使得動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能同時增強；若e的值較小，則應降低Kp與Kd，并增大Ki，以防止系統(tǒng)在設定值附近出現(xiàn)震蕩。
    采用隸屬度法進行解模糊，得到ΔKp、ΔKi、ΔKd完整的模糊調(diào)整規(guī)則。在線運行時，調(diào)節(jié)器的微處理系統(tǒng)連續(xù)地采集輸入信號和反饋信號，完成偏差及其變化量的計算，并從模糊規(guī)則矩陣和模糊調(diào)整矩陣中得到Kp、Ki、Kd的調(diào)整量，進而達到控制器參數(shù)自整定的目的。
    3.2 氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設計方案MATLAB仿真
    根據(jù)實驗室現(xiàn)有設備得到如下系統(tǒng)對象參數(shù)：A=3.2×10-2m2，B=160N/mm，V0=3.5L，Vc=250L，c=50N·s/m，cq=0.68，W=0.25m，T=300K，ts=0.3s，γ=1.4，ps=0.8MPa，k=50N·mm-1，kL=1.71×10-2kg·s-1·MPa-1，R=287N·m/kg·K，xm=0.15m，電磁閥的純滯后時間為20ms。常規(guī)PID的參數(shù)設定為：Kp=10，Ki=0.03，Kd=0.05；模糊PID控制器的參數(shù)初值設定為：Kp=5，Ki=0.5，Kd=0.03。以0.15MPa目標壓力調(diào)節(jié)為例，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。圖7中，壓力調(diào)節(jié)動態(tài)響應的超調(diào)量低于15%，同時響應速度快，調(diào)節(jié)時間短，系統(tǒng)快速平穩(wěn)地達到穩(wěn)定狀態(tài)，基本滿足了該裝置在穩(wěn)定、精準、快速控制方面的設計要求。

4 氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設計方案裝置技術實現(xiàn)方案簡介
    基于氣動調(diào)節(jié)閥的一體化智能測控裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。整個系統(tǒng)由24VDC電源供電，設定值輸入與控制信號均采用4～20mA標準信號。微處理器采用TI公司出產(chǎn)的MSP430F449超低功耗單片機。MSP430F449帶有60kB的Flash存儲器，可以滿足系統(tǒng)的程序存儲要求，從而減少了外接程序存儲器和地址鎖存器所帶來的電流消耗。人機界面的顯示采用超低功耗的NJU6433芯片定制成專用字符型液晶顯示模塊。采用電磁閥控制氣動閥門具有動作快能耗低的優(yōu)點，同時由于電磁閥質(zhì)量小，即使受到很大的振動也可以正常工作。系統(tǒng)的軟件設計基于KEIL-RVMDK，采用模塊化任務設計方式，實現(xiàn)系統(tǒng)信號檢測、數(shù)據(jù)處理、PWM控制及人機界面的顯示。

主要性能指標

氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設計方案額定流量系數(shù)Kv、額定行程、配用執(zhí)行器型號

5 氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設計方案結(jié)束語

    本文所探討的基于氣動調(diào)節(jié)閥的智能測控裝置，集氣動閥門定位器與被控量測控于一體，采用參數(shù)自整定模糊PID控制，具有控制精度高、響應速度快、穩(wěn)定性較強的優(yōu)點。是一種壓力平衡式調(diào)節(jié)閥，采用籠式套筒導向、雙密封結(jié)構(gòu)，配用多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)高度低、重量輕、裝備簡便。氣動壓力調(diào)節(jié)閥閥芯采用籠式套筒閥芯，將氣源壓力變換為閥芯的直線位移，自動的控制調(diào)節(jié)閥開度，達到對管道內(nèi)流體的壓力連續(xù)調(diào)節(jié)。氣動壓力調(diào)節(jié)閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、動作靈敏、壓降損失小、閥容量大、流量特性精確、維護方便等優(yōu)點。整體具有工作平穩(wěn)、允許壓差大、流量特性精確噪音低等特點。特別適用于允許泄露小、閥前后壓差較大的工作場合。