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智能电气阀门系统控制优化方法研究

[关键词:常熟定位器,阀门定位器,空气过滤减压器,毛布跑偏控制器   时间:2017-7-10 5:38:46   人气:  ]

 随着科学计算的发展,工业生产的自动化技术也不断提高,调节阀作为电气自动控制系统中的重要部分,其性能的高低和总体电气控制系统的控制精度以及产品质量具有较强的关联性。阀门定位器是智能电气阀的关键部件,其能够有效解决阀杆的摩擦力以及介质的不均衡干扰,进而提高调节阀的控制效率和准确性。阀门定位器在工业生产中具有重要的作用,随着过程控制技术的发展,定位器的性能也应逐渐增强。当前越来越多的公司,如ABB、FISHER公司等生产出了智能化的电气阀门定位器,这些智能定位器具有自主化、简便化等优势。

    当前的智能电气阀门定位器大都依据力平衡理论进行设计。通过重复调整不同的弹簧螺钉实现力均衡,最终对流量进行有效的控制。电气定位器的结构较为单一,并且容易受到温度、振动变化的干扰,对安装检修技术的要求较高;并且需要对定位器零点,以及行程进行多次调整。智能电气阀门定位器控制模型,需要操作人员现场对部件的气腔体积、气源的变化性、电气转换模块的非线性等参数进行调整,存在效率低、误差大以及时间滞后等问题。因此,需要新一代的智能电气阀门定位器解决这些问题。

    1智能电气阀门定位器工作原理分析

    智能阀门定位器主要用于调控控制阀,采集控制器输出的电流控制信号,通过气压信号调控阀门。调控阀产生动作后,阀杆会产生一定的位移,并将相关的信号传递到阀门定位器。定位器对输入控制信号和阀位反馈信号进行对比分析,如果两种信号不同,则促使阀门的驱动部件进行工作,直至两种信号相同为止。如果两种信号相同,则驱动部件不会对阀位进行调节。智能电气阀门定位器具有控制精度高、自主分析性强、效率高等优势。

    智能电气阀门定位器的工作原理用图1描述,关键的控制电路是单片机,其可采集控制器的阀门开度信号(4~20mA),获取该信号同实际的开度反馈信号差,按照该信号差的方向以及大小产生电压信号并对电气动放大器PV1以及PV2进行控制。

    随着电子技术的不断发展,单片机的集成度也不断增强,进而提高总体部件的运行效率和准确性;以单片机为基础的系统中主要采用PID控制算法完成定位控制;但是随着设备复杂程度的增加,这种控制方法的弊端逐渐显现。主要是由于气压经过单向阀A以及B的开关对阀门膜头的进气以及出气量进行调控,促使阀芯的位置发生变化,从而对气氛的开度进行适当的调控,实现阀门的准确定位。如果正信号误差较大,则产生的一系列信号将会导致单向阀A快速开启,单向阀B闭合,使得阀门膜头的气压增加,否则负信号误差较大时,产生的信号使得阀快速A闭合,阀B快速开启,使得阀门膜头气压降低,惯性增大。如果信号差是零,则产生的信号使得阀A和B都闭合,此时阀门膜头气压的稳定性被破坏,形成控制信号模糊化,控制超调现象,影响控制精度。

    2改进的动态自主PID控制方法

    由于误差的存在,导致传统的PID控制过程存在过控制现象。本文在传统的控制方法基础上,提出了一种基于融合去模糊化的PID控制方法。

    2.1去除动态PID信号模糊性

    在传统的PID控制中,由于误差的存在,使得控制信号存在模糊性,为了去除这种模糊性,可设置动态PID控制器系统的误差是E,系统误差表达式为e(t)、误差波动率EC,表达式为e(t),K为调节系数,可得:

    (1)

    (2)

    则能够得到融合改进调整函数的控制律是:

    U=βE+(1-β)EC(3)

    式(3)中,β表示相应的比例系数,式(2)中Kec(t)表示微分系数,进而能够获取调整函数是

    β=β0+Kβ|E‖E|max(4)

    式(4)中,β0用于描述|E|时调整因子,0≤β≤0.5,0≤β≤1,Kβ是常数0≤Kβ≤(1-β0)。

    式(4)能够依据误差的大小自主调控误差以及误差的波动性对控制作用的权重。融合改进调整函数的动态PID控制器的结构图用图2描述。

    通过图2所示控制器能够对调整函数进行在线自主调控,误差e同u间的控制规范具有动态性,误差e同控制u间的控制规范是一种动态的PID控制规范。

    依据相关的控制经验可得,Δkp、Δki、Δkd的波动范围分别是(-0.4,0.4)、(-0.08,0.08)、(-0.25,0.25),需要将这些参量归一化到范围(-5,5)中。设置系统e’,ec’,Δkp、Δki、Δkd的波动区域是模糊集的论域是e’,ec’,Δkp、Δki、Δkd={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}模糊子集是e’,ec’,Δkp、Δki、Δkd={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB},按照相关的控制经验可塑造Δkp、Δki、Δkd的模糊标准表,设置e’,ec’,Δkp、Δki、Δkd满足正态分布,明确论域中不同元素对模糊变量的隶属度,建立模糊控制表。利用重心法去模糊化,获得PID参数的修正值,采用查询表的方式在微控器中实现。

    (5)

    对上述分析的控制器参数e’、ec’、Δkp,Δki,Δkd,如果只通过人工方法无法获取这些参数的最优组合,通过改进方法能够获取这些参数的取值。通常将时间同绝对误差的积作为分析控制器参数性能的指标函数,则有:

    (6)

    式(6)中,J用于描述误差加权时间后的积分面积大小,其可描述系统的响应效率、控制时间以及超调量的大小,并且能够降低系统的波动性。通常可采用式(6)描述的指标对控制器参数e’、ec’、Δkp、Δki、Δkd进行寻优,依据性能指标规范,对控制器参数进行调整,最终获取最佳的组合值。通过上述分析的指标函数能够及时调整函数β,并且需要改进β0以及Kβ两个参数,依据如下规范对其进行寻优:0≤β0≤0.5,0≤Kβ≤(1-β00≤Kβ≤(1-β0),最终完成对控制器参数的优化,通过最优的智能电气阀门定位器控制参数组合,实现对控制器数据信号的准确调控。

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