智能閥門定位器是智能電氣調(diào)節(jié)閥的控制核心，其中的閥位控制算法是實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥閥桿位置精確定位和閥門開度精確調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的五接點開關(guān)算法具有算法簡單、響應(yīng)速度快的特點，但是存在參數(shù)調(diào)整困難，無法適應(yīng)不同閥芯、不同行程調(diào)節(jié)閥精確定位的控制要求。為此將傳統(tǒng)五節(jié)點開關(guān)控制與PID控制算法相結(jié)合，研究實現(xiàn)了一種閥位自適應(yīng)控制算法。通過系統(tǒng)初始化程序?qū)崿F(xiàn)了控制參數(shù)的初始整定并在閥位控制過程中實現(xiàn)了PID控制參數(shù)的自適應(yīng)微調(diào)。閥門定位控制試驗結(jié)果表明：該閥位自適應(yīng)控制算法實現(xiàn)了閥位的準確控制，閥位定位精度滿足±1%FS的設(shè)計要求。

　　智能電氣調(diào)節(jié)閥作為智能電氣執(zhí)行單元，已廣泛應(yīng)用于石化、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域。與傳統(tǒng)機械氣動調(diào)節(jié)閥相比，智能電氣調(diào)節(jié)閥具有節(jié)能、高效、自動化水平高、組態(tài)應(yīng)用方便等突出優(yōu)點。智能閥門定位器是智能電氣調(diào)節(jié)閥的核心控制部件，其控制性能的優(yōu)劣決定了電氣調(diào)節(jié)閥的控制精度和調(diào)節(jié)品質(zhì)。在閥門定位控制策略中，傳統(tǒng)的五接點開關(guān)控制算法具有算法簡單、響應(yīng)速度快的特點，但是存在參數(shù)調(diào)整困難，無法適應(yīng)不同閥芯結(jié)構(gòu)、不同行程要求時電氣調(diào)節(jié)閥精確定位的控制要求。為此引入一種基于五節(jié)點開關(guān)控制結(jié)合自適應(yīng)PID的閥門定位控制算法，試驗表明，該算法滿足大行程閥門定位控制要求。

1、智能閥門定位器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　智能閥門定位器由微控制器(包括CPU、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器)、電流檢測電路、閥位反饋電流輸出電路、控制電流輸出電路、電磁調(diào)節(jié)閥和氣動執(zhí)行機構(gòu)、位置(行程)傳感器及測量電路等部分組成。智能閥門定位器的工作原理不同于過去的噴嘴擋板式定位器，給定值和實際值的比較是電信號的平衡，不再是力的平衡。用微控制器的調(diào)節(jié)控制程序取代了機械力平衡控制過程，可消除力轉(zhuǎn)換及機械傳動過程中產(chǎn)生的易受溫度、振動干擾等問題。智能閥門定位器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能閥門定位器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　智能閥門定位器的主控制器(虛線框內(nèi))和氣動執(zhí)行器(虛線框外)組成一個反饋控制回路，閥門位置為被控參數(shù)，將位置傳感器獲得的閥位反饋值與通過輸入電流檢測電路得到的閥位給定值比較，則得到閥門位置偏差，然后采用閥位控制算法計算出控制電流并輸出到IP單元、電磁調(diào)節(jié)閥以及氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)(俗稱膜頭)來控制閥門動作方向和開度大小，最終使執(zhí)行機構(gòu)拖動閥桿和閥芯上下運動實現(xiàn)閥位控制。其中，電氣調(diào)節(jié)閥的閥位給定信號為4～20mA輸入信號，它既是閥位給定信號又是閥門定位器的外供電源。此外，閥門定位器采用兩個限位開關(guān)監(jiān)視閥門是否超過位置上限和下限。

　　閥門定位器利用剛性非振蕩的連桿將閥門閥桿與位置(行程)傳感器連接，將電氣調(diào)節(jié)閥的實際開度轉(zhuǎn)換成電信號，從而實現(xiàn)閥位參數(shù)的檢測。位置傳感器是一種裝有球軸承和耐磨電阻薄片的電位器式傳感器，特別適用于長期連續(xù)動作而不損壞的工業(yè)應(yīng)用場合。

　　電磁調(diào)節(jié)閥由電磁線圈和永磁體閥芯組成，電磁調(diào)節(jié)閥根據(jù)輸入電流的方向和大小決定閥芯位置和閥門開度，從而控制膜頭氣室的進氣或出氣以及通氣量，該電磁調(diào)節(jié)閥為典型的兩位三通閥，其中間通氣孔與膜頭的氣室相通，其右側(cè)通氣孔與進氣管線相連，其左側(cè)通氣孔與排氣管線相連。當(dāng)電磁調(diào)節(jié)閥的閥芯處于中間位置，進氣口和出氣口同時閉合，膜頭保壓;當(dāng)電磁調(diào)節(jié)閥的閥芯處于右側(cè)位置，膜頭排氣降壓;當(dāng)電磁調(diào)節(jié)閥的閥芯處于左側(cè)位置，膜頭充氣升壓;當(dāng)電磁調(diào)節(jié)閥的閥芯處于其它位置，膜頭充氣調(diào)壓。該電磁調(diào)節(jié)閥具備開、關(guān)、保壓、調(diào)節(jié)4種狀態(tài)，均由閥門定位控制器的輸出電流信號(0～2mA)控制。

　　采用電磁調(diào)節(jié)閥控制氣動閥門的優(yōu)點是電磁調(diào)節(jié)閥動作速度快，所需電流非常小，使得閥門定位器具有低功耗的特點。因此，該定位器采用二線制4～20mA電流供電方式即可，無需增加輔助電源，其防爆等級為本安防爆，可用于防爆工業(yè)現(xiàn)場。電磁調(diào)節(jié)閥的另一個優(yōu)點是質(zhì)量很小，既使受到很大振動，也可正常工作。在閥門開度設(shè)定值穩(wěn)定狀態(tài)下，采用電磁調(diào)節(jié)閥和智能閥門定位器的電氣調(diào)節(jié)閥操作的耗氣量很小，僅是噴嘴擋板式氣動閥門耗氣量的2%，顯著節(jié)約了能耗。

2、基于五接點開關(guān)和自適應(yīng)PID的閥門定位控制算法設(shè)計與實現(xiàn)

　　五接點開關(guān)結(jié)合自適應(yīng)PID的閥門定位控制算法原理簡單，控制特性較好，實現(xiàn)也不復(fù)雜，適于采用低檔微控制器的低端應(yīng)用系統(tǒng)。其控制動作過程和控制策略如下：

　　(1)首先采集給定的閥位設(shè)定值W，該設(shè)定值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后被微控制器采集;

　　(2)微控制器根據(jù)用戶設(shè)定的控制方式以及在自整定過程中得到的參數(shù)對閥位設(shè)定值W進行轉(zhuǎn)換處理，如正反作用轉(zhuǎn)換、分程控制轉(zhuǎn)換和流量特性轉(zhuǎn)換等;

　　(3)當(dāng)前閥位信號Y經(jīng)連桿機構(gòu)反饋、電位器式傳感器檢測和A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送給微控制器;

　　(4)在微控制器中，將當(dāng)前閥位信號Y經(jīng)濾波、標度變換和非線性修正后，與設(shè)定值W進行比較，得到誤差信號E;

　　(5)根據(jù)誤差信號E的正負決定動作方向，即決定是進氣還是排氣，而根據(jù)E的絕對值的大小決定動作類型和控制策略：在偏差E較大的區(qū)域，微控制器發(fā)出較大的連續(xù)信號，使IP單元中電磁調(diào)節(jié)閥持續(xù)開通，閥位快速改變(高速區(qū));在偏差E較低的區(qū)域，微控制器采用參數(shù)自適應(yīng)PID控制策略而發(fā)出脈沖信號，使電磁調(diào)節(jié)閥斷續(xù)開通，緩慢改變閥位(短步區(qū));在偏差E低于設(shè)定的死區(qū)大小時，不輸出信號，閥門位置保持不變。

　　在上述控制策略中，PID參數(shù)首先在系統(tǒng)初始化程序中進行初始整定，然后在閥門定位控制過程中根據(jù)誤差信號大小及其變化速率進行自適應(yīng)微調(diào)，PID參數(shù)經(jīng)自適應(yīng)調(diào)整后再次投入運行。

3、閥位控制試驗結(jié)果

　　系統(tǒng)采用Cygnal高檔8位微控制器C8051F021作為控制核心，其最高運算速度可達5MIPS，運算速度能夠滿足自適應(yīng)閥門定位控制算法的運算需求。對于具有不同閥芯填料和不同摩擦特性的氣動調(diào)節(jié)閥，采用五接點開關(guān)結(jié)合自適應(yīng)PID的控制算法對閥門位置進行定位控制試驗。試驗中分別設(shè)定閥門開度為0%、20%、40%、60%、80%、100%，同時采用百分表測量并記錄調(diào)節(jié)閥閥桿的實際位置即閥門的實際位置。由于調(diào)節(jié)閥的最大行程為13.4mm，因此，上述閥門位置設(shè)定值分別對應(yīng)閥門實際位置為0mm、2.68mm、5.36mm、8.04mm、10.72mm、13.4mm.如表1所示為針對13.4mm行程、閥芯采用最大摩擦填料時的沿正反行程兩個方向的閥門定位控制試驗結(jié)果，從表中可見，對于每個設(shè)定閥位以及閥桿實際位置，閥門定位控制靜態(tài)誤差均在±1%FS以內(nèi)，滿足閥門定位器自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。

表1 沿正反行程兩個方向的閥門定位控制試驗結(jié)果

4、結(jié)束語

　　采用五接點開關(guān)結(jié)合參數(shù)自適應(yīng)PID的閥門定位控制算法實現(xiàn)了閥門位置的準確控制，無需頻繁且不定期地對閥門定位器控制參數(shù)進行人工調(diào)整和調(diào)校，實現(xiàn)了算法中控制參數(shù)的實時在線自適應(yīng)調(diào)整，顯著提高了閥門定位控制系統(tǒng)的定位精度和魯棒性。