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、被控(kong)物理量傳感器及調節(jie)器等于一體(ti),采用參數自整定模(mo)糊PID控(kong)制(zhi)算法,對被控(kong)量進行(xing)穩定、精確、快速控(kong)制(zhi)。
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化智能測控裝置(zhi)組成原理如圖1所示。
圖(tu)1 一體化智能測控(kong)裝置組(zu)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)(kai)度(du)(du)調(diao)(diao)節器輸(shu)出閥(fa)(fa)(fa)門(men)開(kai)(kai)度(du)(du)指令。閥(fa)(fa)(fa)門(men)的(de)(de)(de)(de)實際開(kai)(kai)度(du)(du)由閥(fa)(fa)(fa)門(men)開(kai)(kai)度(du)(du)傳(chuan)感器檢(jian)測得到(dao)并反(fan)饋至(zhi)閥(fa)(fa)(fa)門(men)開(kai)(kai)度(du)(du)調(diao)(diao)節器中。閥(fa)(fa)(fa)門(men)開(kai)(kai)度(du)(du)調(diao)(diao)節器比(bi)較兩(liang)個(ge)輸(shu)入信(xin)(xin)號(hao)后(hou)向(xiang)電(dian)磁閥(fa)(fa)(fa)輸(shu)出PWM控制(zhi)信(xin)(xin)號(hao),通(tong)過改(gai)(gai)變PWM信(xin)(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)占空比(bi)來控制(zhi)電(dian)磁閥(fa)(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)通(tong)斷(duan)時間,從而(er)控制(zhi)氣(qi)(qi)室(shi)內的(de)(de)(de)(de)氣(qi)(qi)體壓力。氣(qi)(qi)動執(zhi)行機構將(jiang)氣(qi)(qi)室(shi)壓力的(de)(de)(de)(de)改(gai)(gai)變轉換為(wei)閥(fa)(fa)(fa)桿的(de)(de)(de)(de)直線位移或(huo)(huo)角位移,以此改(gai)(gai)變調(diao)(diao)節閥(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)芯(xin)的(de)(de)(de)(de)位置,即(ji)調(diao)(diao)節閥(fa)(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)流(liu)通(tong)面積,進(jin)而(er)控制(zhi)流(liu)入或(huo)(huo)流(liu)出控制(zhi)系統的(de)(de)(de)(de)物(wu)料或(huo)(huo)能量,實現過程參數的(de)(de)(de)(de)自動控制(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(qi)(qi)壓(ya)信號(MPa);L為(wei)閥門開度(du),其值為(wei)閥芯位移與閥芯總行程的比(bi)值,用百分比(bi)表示;Pc為(wei)調節得到(dao)的氣(qi)(qi)缸壓(ya)力值(MPa)。
圖2 控制系統組成框圖
忽略執(zhi)行(xing)機構氣室(shi)的容積變化,氣體的溫(wen)度變化以及閥(fa)桿和(he)閥(fa)芯加速運(yun)動產生的慣性力,可(ke)得到(dao)執(zhi)行(xing)機構的簡化數學模型(xing):
(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(ji)構(gou)氣室容積(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(lve)管(guan)道的(de)(de)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)泄漏,流(liu)入氣(qi)缸氣(qi)體(ti)(ti)(ti)的(de)(de)質(zhi)量(liang)流(liu)量(liang)與流(liu)過調節閥口的(de)(de)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)質(zhi)量(liang)流(liu)量(liang)相等,根(gen)據理想(xiang)氣(qi)體(ti)(ti)(ti)經過收縮噴管(guan)的(de)(de)等熵流(liu)動過程,得到:
(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為氣源壓力(MPa)。
假設氣(qi)缸內的(de)壓(ya)力與氣(qi)源的(de)比值恒定小(xiao)于0.528,可得壓(ya)力調節環節的(de)簡化(hua)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(bie)為壓力(li)設(she)(she)定值(MPa)和閥門開度設(she)(she)定值。
圖3 控制系統(tong)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(fa)門開度調(diao)節器采(cai)用(yong)常規PID控制算法(fa),其(qi)3個參數固定不變。
過(guo)程(cheng)調節器采用參(can)數(shu)自整(zheng)(zheng)定模糊(hu)PID控制(zhi)(zhi)算(suan)法(fa)。將(jiang)過(guo)程(cheng)控制(zhi)(zhi)器的(de)輸(shu)入信(xin)(xin)號與壓力傳感(gan)器的(de)反(fan)饋信(xin)(xin)號間的(de)偏(pian)差(cha)值e以及偏(pian)差(cha)的(de)變化量Δe作為輸(shu)入,通過(guo)數(shu)據庫(ku)和規則(ze)庫(ku)的(de)模糊(hu)推理,得到PID控制(zhi)(zhi)器中比例(li)、積分(fen)和微分(fen)參(can)數(shu)的(de)調整(zheng)(zheng)量,進(jin)而完成3個參(can)數(shu)的(de)整(zheng)(zheng)定工作,以達到控制(zhi)(zhi)調節的(de)目的(de)。設e的(de)基(ji)本論(lun)域為[-5,5],Δe的(de)基(ji)本論(lun)域為[-0.5,0.5],ΔKp的(de)基(ji)本論(lun)域為[-3,3],ΔKi的(de)基(ji)本論(lun)域為[-0.3,0.3],ΔKd的(de)基(ji)本論(lun)域為[-0.03,0.03]。以上5個變量的(de)模糊(hu)子集(ji)均(jun)取為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},量化論(lun)域為{-6,-4,-2,0,2,4,6}。
PID的(de)(de)控制參數整定規(gui)則(ze)為:1)當e與Δe同號(hao)時(shi),若(ruo)e的(de)(de)絕(jue)對(dui)值(zhi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大,通過(guo)選(xuan)取(qu)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大的(de)(de)Kp,較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)的(de)(de)Ki和(he)中(zhong)等(deng)的(de)(de)Kd,能夠使其快速(su)降低;若(ruo)e的(de)(de)絕(jue)對(dui)值(zhi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao),則(ze)選(xuan)取(qu)中(zhong)等(deng)的(de)(de)Kp,較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大的(de)(de)Ki和(he)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao)的(de)(de)Kd,以達到加強整個(ge)系統穩(wen)態性能的(de)(de)目的(de)(de);2)當e與Δe異號(hao)時(shi),若(ruo)e的(de)(de)絕(jue)對(dui)值(zhi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大,則(ze)取(qu)適中(zhong)的(de)(de)Kp與Kd,并減小(xiao)Ki,以使得動態性能和(he)穩(wen)態性能同時(shi)增(zeng)強;若(ruo)e的(de)(de)絕(jue)對(dui)值(zhi)較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)小(xiao),則(ze)應降低Kp與Kd,并增(zeng)大Ki,以防止系統在(zai)設定值(zhi)附近出現震(zhen)蕩。
按照上述整定規則建立Kp、Ki、Kd的模糊控制規則,分(fen)別(bie)如圖(tu)4~圖(tu)6所示(shi)。
圖4 ΔKp模糊控制規則
圖5 ΔKi模糊控制規則
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(wan)整(zheng)(zheng)的(de)(de)模(mo)糊調整(zheng)(zheng)規則(ze)(ze)。在線(xian)運行時,調節器的(de)(de)微處理系統連續(xu)地采集(ji)輸入(ru)信號和反饋信號,完(wan)成(cheng)偏差及其變化量的(de)(de)計算,并從(cong)模(mo)糊規則(ze)(ze)矩(ju)陣和模(mo)糊調整(zheng)(zheng)矩(ju)陣中得到Kp、Ki、Kd的(de)(de)調整(zheng)(zheng)量,進而達到控制器參數自整(zheng)(zheng)定的(de)(de)目(mu)的(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)力調節為例(li),系統仿(fang)真(zhen)結(jie)果如圖7所示。圖7中,壓(ya)力調節動態響應(ying)的超調量低于15%,同時響應(ying)速度(du)快,調節時間短,系統快速平穩(wen)地達到穩(wen)定狀態,基本滿足(zu)了該裝置在穩(wen)定、精準、快速控制方面的設計要求。
圖7 一體化智能測控(kong)裝置應用仿真圖
4 裝置技術實現方案簡介
基(ji)于氣(qi)(qi)動(dong)調節(jie)閥(fa)的一體化智能(neng)測(ce)控裝(zhuang)置硬件(jian)結構如圖8所示(shi)。整個系(xi)統(tong)(tong)由(you)24VDC電(dian)源供電(dian),設(she)定(ding)值輸入與控制(zhi)信號(hao)均采(cai)用4~20mA標準信號(hao)。微處(chu)理器采(cai)用TI公(gong)司出(chu)產的MSP430F449超(chao)低(di)功耗(hao)(hao)單(dan)片機(ji)(ji)。MSP430F449帶有(you)60kB的Flash存儲器,可以滿(man)足(zu)系(xi)統(tong)(tong)的程(cheng)序(xu)存儲要求(qiu),從(cong)而減少(shao)了外(wai)接程(cheng)序(xu)存儲器和(he)地(di)址(zhi)鎖存器所帶來的電(dian)流消耗(hao)(hao)。人機(ji)(ji)界面(mian)的顯(xian)示(shi)采(cai)用超(chao)低(di)功耗(hao)(hao)的NJU6433芯片定(ding)制(zhi)成專(zhuan)用字(zi)符型(xing)液晶顯(xian)示(shi)模塊。采(cai)用電(dian)磁閥(fa)控制(zhi)氣(qi)(qi)動(dong)閥(fa)門具(ju)有(you)動(dong)作快能(neng)耗(hao)(hao)低(di)的優點,同時由(you)于電(dian)磁閥(fa)質量(liang)小,即使受到很大的振(zhen)動(dong)也可以正常工作。系(xi)統(tong)(tong)的軟(ruan)件(jian)設(she)計(ji)基(ji)于KEIL-RVMDK,采(cai)用模塊化任務設(she)計(ji)方式,實現系(xi)統(tong)(tong)信號(hao)檢測(ce)、數據(ju)處(chu)理、PWM控制(zhi)及(ji)人機(ji)(ji)界面(mian)的顯(xian)示(shi)。
圖8 一體化智能測控裝置(zhi)硬件結構圖
5 結束語
本文所探討的(de)基(ji)于氣(qi)(qi)動(dong)調節(jie)閥(fa)的(de)智能(neng)測控(kong)裝置(zhi),集氣(qi)(qi)動(dong)閥(fa)門定(ding)位(wei)器(qi)與被控(kong)量(liang)測控(kong)于一(yi)體,采用參(can)數自整(zheng)定(ding)模糊PID控(kong)制,具有(you)控(kong)制精度高、響應速度快(kuai)、穩定(ding)性較(jiao)強的(de)優點。