0 引言
隨著過程控制裝置逐漸一體化,生產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,如日本SMC、德國FESTO等公司都成功設計出了性能良好的氣壓控制裝置;而國內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PID控制因其經常性參數整定不良,對運行工況適應性差而不能很好滿足要求,因此出現了多種先進控制算法,如神經網絡控制、雙閉環混合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節閥的智能測控裝置,集氣動閥門定位(wei)器(qi)、被控物理量傳感器(qi)及調節器(qi)等(deng)于一(yi)體(ti),采(cai)用參(can)數自整定模糊(hu)PID控制算法,對被控量進行(xing)穩(wen)定、精確、快速(su)控制。
1 一體化智能測控裝置的組成原理
基于氣動調節閥的一體(ti)化(hua)智能測控裝置組成原理如圖(tu)1所示。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/11/20141110100954647.png)
圖1 一體化智能測控裝置組成原理
過程調節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(kai)度(du)調節(jie)器輸出(chu)閥(fa)門開(kai)度(du)指(zhi)令(ling)。閥(fa)門的(de)(de)(de)實(shi)際開(kai)度(du)由閥(fa)門開(kai)度(du)傳感器檢測得(de)到并反饋至閥(fa)門開(kai)度(du)調節(jie)器中。閥(fa)門開(kai)度(du)調節(jie)器比(bi)較兩個(ge)輸入(ru)信號后向電磁閥(fa)輸出(chu)PWM控(kong)制(zhi)信號,通過改變(bian)(bian)PWM信號的(de)(de)(de)占(zhan)空比(bi)來控(kong)制(zhi)電磁閥(fa)的(de)(de)(de)通斷時(shi)間,從而控(kong)制(zhi)氣(qi)室內的(de)(de)(de)氣(qi)體壓(ya)力。氣(qi)動(dong)執(zhi)行機構(gou)將氣(qi)室壓(ya)力的(de)(de)(de)改變(bian)(bian)轉(zhuan)換為閥(fa)桿的(de)(de)(de)直線位(wei)移或角位(wei)移,以(yi)此改變(bian)(bian)調節(jie)閥(fa)閥(fa)芯的(de)(de)(de)位(wei)置,即調節(jie)閥(fa)的(de)(de)(de)流(liu)通面(mian)積,進而控(kong)制(zhi)流(liu)入(ru)或流(liu)出(chu)控(kong)制(zhi)系統(tong)的(de)(de)(de)物料(liao)或能量(liang),實(shi)現過程參數的(de)(de)(de)自動(dong)控(kong)制(zhi)。
2 控制系統數學模型
以氣體流體的壓力控制為例,假設氣體滿足理想氣體方程,執行機構選取氣開式薄膜調節閥,得到的控制系統雙閉環組成框圖如圖2所示。其中,I*p為壓力設定值的電流信號(A);U*L為閥門開度設定值的電壓信號(V);UP為壓力反饋值的電壓信號(V);UL為閥門開度反饋值的電壓信號(V);Uc為閥位控制的電壓信號(V);P0為(wei)氣壓信號(MPa);L為(wei)閥(fa)門開(kai)度,其值(zhi)(zhi)為(wei)閥(fa)芯位(wei)移(yi)與閥(fa)芯總行程的比(bi)值(zhi)(zhi),用百(bai)分比(bi)表示;Pc為(wei)調(diao)節(jie)得到的氣缸壓力值(zhi)(zhi)(MPa)。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/11/20141110101004007.png)
圖2 控制(zhi)系統(tong)組成框圖
忽略(lve)執(zhi)行(xing)機構(gou)氣室的(de)容積變(bian)化(hua)(hua),氣體的(de)溫度(du)變(bian)化(hua)(hua)以(yi)及閥桿(gan)和(he)閥芯加速運動(dong)產生的(de)慣性力,可(ke)得到執(zhi)行(xing)機構(gou)的(de)簡化(hua)(hua)數學模(mo)型:
(1)
(2)
式中,e-τs為純滯后環節,表明電磁閥的PWM控制存在死區,A為薄膜面積(m2),B為彈簧剛度(N/mm),c為粘性摩擦系數(N·s/m),k為閥芯流體力增量比(N/mm),R為空氣氣體常數(N·m/kg·K),T為氣體的溫度(K),ts為PWM周期(s),V0為執行機構氣室容(rong)積(ji)(L)。
壓力調節環節由氣源、調節閥和氣缸組成。忽略氣缸的容積變化以及氣體的溫度變化,可得到氣缸內的壓力微分方程:
。其中,γ為空氣絕熱指數,
和Vc分別為氣缸內壓力(MPa)的變化量和缸體容積(L),Qin為流入氣缸氣體的質量流量(kg·s-1);Qout=kLpc,為氣缸的氣體泄漏質量流量(kg·s-1),其值與缸內壓力成比例關系,kL的單位為(kg·s-1·MPa-1)。
忽略管(guan)道的(de)氣(qi)體(ti)泄漏,流(liu)入氣(qi)缸氣(qi)體(ti)的(de)質量流(liu)量與流(liu)過調節閥口的(de)氣(qi)體(ti)質量流(liu)量相等,根據理(li)想氣(qi)體(ti)經過收縮(suo)噴管(guan)的(de)等熵流(liu)動(dong)過程,得到(dao):
(3)
式中,cq為流量系數,W為閥芯的面積梯度(m),xm為閥芯的最大行程(m),ps為氣(qi)源壓力(li)(MPa)。
假設氣缸內的壓(ya)力(li)與氣源的比值恒定小(xiao)于0.528,可得壓(ya)力(li)調節環(huan)節的簡化模型:
(4)
(5)
同時可得到控制系統的數學模型框圖,如圖3所示。圖3中,P*和L*分別為壓力設定(ding)值(zhi)(MPa)和閥門開度設定(ding)值(zhi)。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/11/20141110101101725.png)
圖3 控制系統數(shu)學模型組圖
3 控制算法設計及MATLAB仿真
3.1 控制算法設計
閥門開度調節器(qi)采用常規PID控(kong)制(zhi)算法,其3個參數固定不變。
過程調(diao)(diao)節(jie)器采用參(can)(can)數(shu)自整(zheng)(zheng)定(ding)模糊PID控(kong)制(zhi)(zhi)算法(fa)。將過程控(kong)制(zhi)(zhi)器的(de)(de)(de)輸入信號(hao)與壓力傳(chuan)感器的(de)(de)(de)反饋(kui)信號(hao)間的(de)(de)(de)偏差(cha)值e以及偏差(cha)的(de)(de)(de)變化量Δe作(zuo)為(wei)(wei)輸入,通(tong)過數(shu)據庫和規則庫的(de)(de)(de)模糊推(tui)理(li),得到PID控(kong)制(zhi)(zhi)器中比例、積分和微分參(can)(can)數(shu)的(de)(de)(de)調(diao)(diao)整(zheng)(zheng)量,進而完成3個參(can)(can)數(shu)的(de)(de)(de)整(zheng)(zheng)定(ding)工作(zuo),以達到控(kong)制(zhi)(zhi)調(diao)(diao)節(jie)的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。設e的(de)(de)(de)基本(ben)論(lun)(lun)(lun)域為(wei)(wei)[-5,5],Δe的(de)(de)(de)基本(ben)論(lun)(lun)(lun)域為(wei)(wei)[-0.5,0.5],ΔKp的(de)(de)(de)基本(ben)論(lun)(lun)(lun)域為(wei)(wei)[-3,3],ΔKi的(de)(de)(de)基本(ben)論(lun)(lun)(lun)域為(wei)(wei)[-0.3,0.3],ΔKd的(de)(de)(de)基本(ben)論(lun)(lun)(lun)域為(wei)(wei)[-0.03,0.03]。以上5個變量的(de)(de)(de)模糊子集(ji)均取(qu)為(wei)(wei){NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},量化論(lun)(lun)(lun)域為(wei)(wei){-6,-4,-2,0,2,4,6}。
PID的(de)(de)(de)(de)控制參數整(zheng)(zheng)定規則(ze)為:1)當e與Δe同(tong)號時(shi),若(ruo)e的(de)(de)(de)(de)絕(jue)對值較(jiao)大(da)(da),通過選(xuan)取(qu)較(jiao)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)Kp,較(jiao)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)Ki和(he)中(zhong)(zhong)等的(de)(de)(de)(de)Kd,能(neng)(neng)夠使其(qi)快速降低;若(ruo)e的(de)(de)(de)(de)絕(jue)對值較(jiao)小(xiao),則(ze)選(xuan)取(qu)中(zhong)(zhong)等的(de)(de)(de)(de)Kp,較(jiao)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)Ki和(he)較(jiao)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)Kd,以達到加(jia)強(qiang)整(zheng)(zheng)個系統(tong)穩態(tai)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de);2)當e與Δe異號時(shi),若(ruo)e的(de)(de)(de)(de)絕(jue)對值較(jiao)大(da)(da),則(ze)取(qu)適中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)Kp與Kd,并(bing)減小(xiao)Ki,以使得動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)(neng)和(he)穩態(tai)性(xing)能(neng)(neng)同(tong)時(shi)增強(qiang);若(ruo)e的(de)(de)(de)(de)絕(jue)對值較(jiao)小(xiao),則(ze)應降低Kp與Kd,并(bing)增大(da)(da)Ki,以防止系統(tong)在設定值附近(jin)出現震蕩。
按照上述整定規則建立Kp、Ki、Kd的(de)模糊控(kong)制規則,分別如圖(tu)4~圖(tu)6所示。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/11/20141110101111272.png)
圖4 ΔKp模糊控制規則
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/11/20141110101117991.png)
圖5 ΔKi模糊控制規則
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/11/20141110101124866.png)
圖6 ΔKd模糊控制規則
采用最大隸屬度法進行解模糊,得到ΔKp、ΔKi、ΔKd完整(zheng)(zheng)的(de)(de)(de)模(mo)糊調(diao)整(zheng)(zheng)規則。在線運行時,調(diao)節器(qi)的(de)(de)(de)微處理系統連續地采集(ji)輸入信(xin)號和(he)反饋(kui)信(xin)號,完成(cheng)偏差及其變化量(liang)的(de)(de)(de)計(ji)算,并從模(mo)糊規則矩(ju)陣和(he)模(mo)糊調(diao)整(zheng)(zheng)矩(ju)陣中得到(dao)Kp、Ki、Kd的(de)(de)(de)調(diao)整(zheng)(zheng)量(liang),進而達到(dao)控制器(qi)參數自整(zheng)(zheng)定的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。
3.2 MATLAB仿真
根據實驗室現有設備得到如下系統對象參數: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PID的參數設定為:Kp=10,Ki=0.03,Kd=0.05;模糊PID控制器的參數初值設定為:Kp=5,Ki=0.5,Kd=0.03。以0.15MPa目標壓(ya)(ya)力調節(jie)為例,系(xi)統仿真結果如(ru)圖7所示。圖7中,壓(ya)(ya)力調節(jie)動(dong)態響應的超(chao)調量(liang)低于(yu)15%,同(tong)時(shi)(shi)響應速(su)度快(kuai),調節(jie)時(shi)(shi)間短(duan),系(xi)統快(kuai)速(su)平穩地達到穩定(ding)狀態,基本滿足(zu)了該(gai)裝置在穩定(ding)、精準、快(kuai)速(su)控制方面(mian)的設計要求。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/11/20141110101132538.png)
圖7 一體化智能測控裝(zhuang)置應用仿真圖
4 裝置技術實現方案簡介
基于(yu)(yu)氣(qi)動(dong)調節(jie)閥的(de)(de)(de)一體化智(zhi)能(neng)測(ce)控(kong)裝置硬(ying)件(jian)結(jie)構如(ru)圖8所示。整個系統(tong)由24VDC電(dian)(dian)源供電(dian)(dian),設定(ding)(ding)值輸入與控(kong)制(zhi)信號均采(cai)用(yong)(yong)4~20mA標準信號。微處理器(qi)(qi)采(cai)用(yong)(yong)TI公司出(chu)產的(de)(de)(de)MSP430F449超低功(gong)耗(hao)單片機(ji)。MSP430F449帶(dai)有(you)(you)60kB的(de)(de)(de)Flash存儲器(qi)(qi),可以(yi)滿足(zu)系統(tong)的(de)(de)(de)程序(xu)存儲要(yao)求,從而減(jian)少了外接程序(xu)存儲器(qi)(qi)和地址(zhi)鎖存器(qi)(qi)所帶(dai)來的(de)(de)(de)電(dian)(dian)流消耗(hao)。人機(ji)界(jie)面的(de)(de)(de)顯(xian)示采(cai)用(yong)(yong)超低功(gong)耗(hao)的(de)(de)(de)NJU6433芯片定(ding)(ding)制(zhi)成專用(yong)(yong)字符型液晶(jing)顯(xian)示模(mo)塊。采(cai)用(yong)(yong)電(dian)(dian)磁閥控(kong)制(zhi)氣(qi)動(dong)閥門具有(you)(you)動(dong)作快能(neng)耗(hao)低的(de)(de)(de)優點(dian),同時由于(yu)(yu)電(dian)(dian)磁閥質量(liang)小,即使(shi)受(shou)到很大的(de)(de)(de)振動(dong)也可以(yi)正常工作。系統(tong)的(de)(de)(de)軟件(jian)設計(ji)基于(yu)(yu)KEIL-RVMDK,采(cai)用(yong)(yong)模(mo)塊化任務設計(ji)方式(shi),實現系統(tong)信號檢測(ce)、數據處理、PWM控(kong)制(zhi)及人機(ji)界(jie)面的(de)(de)(de)顯(xian)示。
![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/11/20141110101139694.png)
圖(tu)(tu)8 一體(ti)化智能測控(kong)裝置硬件結(jie)構圖(tu)(tu)
5 結束語
本(ben)文所探討的(de)基(ji)于氣動調(diao)節閥的(de)智(zhi)能(neng)測(ce)控(kong)(kong)裝置,集氣動閥門定(ding)位器與被控(kong)(kong)量測(ce)控(kong)(kong)于一(yi)體,采用參數自(zi)整定(ding)模(mo)糊PID控(kong)(kong)制(zhi),具有控(kong)(kong)制(zhi)精度高、響應速度快、穩定(ding)性較強的(de)優點。