智能閥門定位器流量特性非線性修正及控制

王庭康

（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

智能型閥門定位器在冶金、石化、電力等行業(yè)的流量控制中得到廣泛的應(yīng)用。但是，國內(nèi)產(chǎn)品普遍存在流量調(diào)節(jié)的速度慢、流量控制精度低的一些缺點(diǎn)［1］。

作者就流量特性和位置反饋進(jìn)行非線性修正研究，并對控制算法進(jìn)行改進(jìn)，以實現(xiàn)更高精度流量控制。

2 定位器的流量特性

2.1 流量特性概述

流量調(diào)節(jié)閥因閥芯幾何結(jié)構(gòu)不同，而流量特性也不同，主要流量特性包括：直線、等比、拋物線和快開等四種［2-3］。

智能型閥門定位器流量特性表達(dá)了定位器給定信號和閥門開度間的函數(shù)關(guān)系［2］。其原理是定位器根據(jù)給定信號控制壓電閥，然后膜片閥驅(qū)動閥桿運(yùn)動，并保證信號與位移之間的函數(shù)關(guān)系，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥對應(yīng)的流量特性［3］。其實質(zhì)是通過改變閥桿行程與閥位輸入信號的相互關(guān)系，達(dá)到實現(xiàn)智能閥門定位器線性、等百分比和快開流量特性。定位器可以配置在不同調(diào)節(jié)閥上，并通過自主選擇各種流量特性，從而達(dá)到實現(xiàn)不同流量特性的控制目的［3］。

2.2 流量特性曲線擬合

根據(jù)定位器的流量特性數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行曲線擬合，得到流量特性曲線及方程，流量特性曲線如圖1所示。

圖1 四種流量特性的曲線

采用不同擬合次數(shù)，曲線誤差見表1。

表1 流量特性與擬合曲線誤差比較

根據(jù)誤差平方和最小原則，同時考慮運(yùn)算量的大小，選擇四次函數(shù)進(jìn)行曲線擬合。快開特性曲線擬合數(shù)據(jù)不佳，采用指數(shù)擬合的方法［4］。

3 閥位反饋非線性修正

位置傳感器是高可靠旋轉(zhuǎn)型電位器，其作用是將機(jī)械直線位移量變換為角位移量電信號，執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

閥桿直線位移h與角位移θ之間的關(guān)系：

其中，α為連桿與閥桿垂直時轉(zhuǎn)過的角度，H為閥桿全行程的位移，A為連桿固定支點(diǎn)與閥桿之間的尺寸

電位器中間端電信號的采樣值D與角位移θ之間的關(guān)系為：

其中，D0為位置0%時對應(yīng)的采樣值，k為單位角度對應(yīng)的采樣值變化值［4］。

閥桿的直線位移量與轉(zhuǎn)動的角度之間是正切關(guān)系，角位移量與電位器電壓值之間是線性關(guān)系，經(jīng)過非線性修正后，將閥桿直線位移量與反饋量變換為線性關(guān)系。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖

4 控制算法

4.1 開關(guān)控制算法

開關(guān)控制算法是通過計算理想位置信號和位置反饋信號的差值，輸出相應(yīng)壓電閥控制信號，分別實現(xiàn)進(jìn)氣、排氣或保持等三種工作方式。當(dāng)差值大時，壓電閥全部打開，全速進(jìn)氣，迅速運(yùn)動到設(shè)定位置，達(dá)到粗調(diào)目的［5］；當(dāng)接近設(shè)定閥位時，限制PWM控制信號的周期和占空比，實現(xiàn)微調(diào)；為避免頻繁振蕩，可設(shè)定死區(qū)的范圍 ，當(dāng)偏差進(jìn)入死區(qū)范圍，關(guān)閉壓電閥，以使閥位保持在當(dāng)前的位置［5］。

PWM信號和偏差之間的函數(shù)關(guān)系，如公式（3）所示。

開關(guān)控制算法的實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 開關(guān)控制算法實現(xiàn)流程圖

4.2 開關(guān)控制算法的改進(jìn)

壓電閥需高電平保持40ms以上，以保證閥芯可靠開啟；需低電平保持10ms以上，以保證閥芯可靠關(guān)閉，故此，按式（4）對占空比進(jìn)行修正。

其中，da為修正后的占空比，ds為理想占空比，dmax表示最大占空比，dmin表示最小占空比。

薄膜調(diào)節(jié)閥在低閥位時，調(diào)節(jié)速度比較快；而在高閥位時，調(diào)節(jié)速度變慢。在相同的閥位誤差下，使PWM的占空比隨著閥位的升高而加大，改善高閥位時調(diào)節(jié)速度。因此，在上述開關(guān)算法占空比改進(jìn)上，作者又增加了隨閥位線性隨動的占空比調(diào)整算法，具體表達(dá)式如式（5）。

5 實測實驗和誤差分析

實驗輸入信號為4～20mA的電流，輸出為位置反饋電壓信號。分別選擇定位器線性、等比1∶25、等比1∶50、反等比25∶1等流量特性曲線進(jìn)行實驗，對實測的數(shù)據(jù)，使用MATLAB進(jìn)行曲線擬合，如圖4所示。

圖4 實測閥位數(shù)據(jù)擬合曲線

實驗數(shù)據(jù)擬合及誤差分析流程圖如圖5所示，計算結(jié)果如表2所示。

圖5 實驗數(shù)據(jù)擬合及誤差分析流程圖

表2 改進(jìn)前后誤差對比表

從以上數(shù)據(jù)可以看出，誤差主要來源于反饋機(jī)械自身的非線性因素，因此，對閥門定位器的非線性修正，可有效提高流量特性的精度［6］。

6 小結(jié)

作者通過曲線擬合方法，得到了智能型閥門定位器的流量特性函數(shù)方程，并根據(jù)調(diào)節(jié)閥的具體機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，有效地改進(jìn)了開關(guān)控制算法，有效縮短了調(diào)整時間。

證明了閥桿位移與反饋信號之間的非線性關(guān)系，并進(jìn)行了有效地非線性修正，提高了智能型閥門定位器直線、等比和快開流量特性精度，非線性誤差為0.26%，重復(fù)度為0.45%，滯環(huán)誤差為0.46%，達(dá)到更高精度的流量控制要求。

［1］吳亞平,宋彥彥,方毅芳,等.智能閥門定位器的智能特性評測[J].中國儀器儀表. 2017(11):41-45.

［2］王江峰.壓電閥技術(shù)在智能閥門定位器中的應(yīng)用[J].自動化應(yīng)用,2016 (3) :38-39.

［3］楊菲,楊德偉.閥門定位器氣動傳動系統(tǒng)建模與MATLAB 仿真分析[J].機(jī)械制造, 2016(1):22-25.

［4］鄧君,孫宏泉,耿振,等. 基于MSP430的低功耗直行程智能閥門定位器[J]. 中國儀器儀表, 2017(11):39-43.

［5］李焱琪.基于模糊PID控制的智能電氣閥門定位器的實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程, 2016(11):94.

［6］張浩,王昕,王振雷,等.基于模糊Smith 控制的智能閥門定位器[J].實驗室研究與探索, 2017(5):4-9.