氣動壓力調節閥控制設計方案

    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，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，集氣動閥門定位器、被控物理量傳感器及調節器等于一體，采用參數自整定模糊PID控制算法，對被控量進行穩定、精確、快速控制。

    1 氣動壓力調節閥控制設計方案一體化智能測控裝置的組成原理
    基于氣動調節閥的一體化智能測控裝置組成原理如所示。采用單座、套筒式結構,配用多彈簧氣動薄膜執行機構,執行機構高度低、重量輕、裝備簡便。氣動壓力調節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,自動的控制調節閥開度,達到對管道內流體的壓力連續調節。氣動壓力調節閥具有結構緊湊、重量輕、動作快、壓降損失小、閥容量大、流量特性精度高、維護方便等優點。整體具有工作平穩、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，向閥門開度調節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節器中。閥門開度調節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，從而控制氣室內的氣體壓力。氣動執行機構將氣室壓力的改變轉換為閥桿的直線位移或角位移，以此改變調節閥閥芯的位置，即調節閥的流通面積，進而控制流入或流出控制系統的物料或能量，實現過程參數的自動控制。

    2氣動壓力調節閥控制設計方案 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所示。其中，忽略執行機構氣室的容積變化，氣體的溫度變化以及閥桿和閥芯加速運動產生的慣性力，可得到執行機構的簡化數學模型：
    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，
    忽略管道的氣體泄漏，流入氣缸氣體的質量流量與流過調節閥口的氣體質量流量相等，根據理想氣體經過收縮噴管的等熵流動過程，得到：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*分別為壓力設定值（MPa）和閥門開度設定值。

氣動壓力調節閥控制設計方案執行器技術參數

    3 氣動壓力調節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
    閥門開度調節器采用常規PID控制算法，其3個參數固定不變。采用籠式套筒導向、雙密封結構，配用多彈簧氣動薄膜執行機構，執行機構高度低、重量輕、裝備簡便。將氣源壓力變換為閥芯的直線位移，自動的控制調節閥開度，達到對管道內流體的壓力連續調節。氣動壓力調節閥整體具有工作平穩、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。

氣動壓力調節閥主要特點如下：
（1） 采用輕型執行機構，高度及重量均可減小30%。
（2） 閥體內表面有多種材料涂復層，避免介質直接接觸，承受強閥腐蝕性介質的腐蝕。
（3） 閥門關閉時，內、外泄漏量為零，特別適合于劇毒介質或不允許污染介質的閥節。
（4） 流路簡單，阻力小，額定流量系數比同口徑單座，套筒調節閥大。
    過程調節器采用參數自整定模糊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，通過數據庫和規則庫的模糊推理，得到PID控制器中比例、積分和微分參數的調整量，進而完成3個參數的整定工作，以達到控制調節的目的。設e的基本論域為。
    PID的控制參數整定規則為：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穩態性能的目的；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，以使得動態性能和穩態性能同時增強；若e的值較小，則應降低Kp與Kd，并增大Ki，以防止系統在設定值附近出現震蕩。
    采用隸屬度法進行解模糊，得到ΔKp、ΔKi、ΔKd完整的模糊調整規則。在線運行時，調節器的微處理系統連續地采集輸入信號和反饋信號，完成偏差及其變化量的計算，并從模糊規則矩陣和模糊調整矩陣中得到Kp、Ki、Kd的調整量，進而達到控制器參數自整定的目的。
    3.2 氣動壓力調節閥控制設計方案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目標壓力調節為例，系統仿真結果如圖7所示。圖7中，壓力調節動態響應的超調量低于15%，同時響應速度快，調節時間短，系統快速平穩地達到穩定狀態，基本滿足了該裝置在穩定、精準、快速控制方面的設計要求。

4 氣動壓力調節閥控制設計方案裝置技術實現方案簡介
    基于氣動調節閥的一體化智能測控裝置硬件結構如圖8所示。整個系統由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公司出產的MSP430F449超低功耗單片機。MSP430F449帶有60kB的Flash存儲器，可以滿足系統的程序存儲要求，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點，同時由于電磁閥質量小，即使受到很大的振動也可以正常工作。系統的軟件設計基于KEIL-RVMDK，采用模塊化任務設計方式，實現系統信號檢測、數據處理、PWM控制及人機界面的顯示。

主要性能指標

氣動壓力調節閥控制設計方案額定流量系數Kv、額定行程、配用執行器型號

5 氣動壓力調節閥控制設計方案結束語

    本文所探討的基于氣動調節閥的智能測控裝置，集氣動閥門定位器與被控量測控于一體，采用參數自整定模糊PID控制，具有控制精度高、響應速度快、穩定性較強的優點。是一種壓力平衡式調節閥，采用籠式套筒導向、雙密封結構，配用多彈簧氣動薄膜執行機構，執行機構高度低、重量輕、裝備簡便。氣動壓力調節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，自動的控制調節閥開度，達到對管道內流體的壓力連續調節。氣動壓力調節閥具有結構緊湊、重量輕、動作靈敏、壓降損失小、閥容量大、流量特性精確、維護方便等優點。整體具有工作平穩、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。