調(diào)節(jié)閥具有大滯后特性，且進(jìn)氣和排氣過程的靜摩擦力不同。針對(duì)上述控制難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了非對(duì)稱一維模糊控制算法的閥門定位器，根據(jù)給定電壓與閥位反饋電壓的偏差符號(hào)，判斷執(zhí)行進(jìn)氣或排氣動(dòng)作。模糊控制器采用兩段式量化因子和比例因子及非均勻性劃分的模糊子集;以偏差值作為輸入信號(hào)，輸出信號(hào)是PWM波的占空比值�；�于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能閥門定位器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：閥門在不同起始閥位處，都能夠快速無超調(diào)的響應(yīng)不同幅度的給定輸入信號(hào)。

　　調(diào)節(jié)閥普遍應(yīng)用于化工、冶金、電力和制藥等行業(yè)，智能閥門定位器作為調(diào)節(jié)閥的大腦，對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制性能起著決定性的作用。德國(guó)西門子公司的SIPARTPS2型、美國(guó)羅斯蒙特YTC2300型、日本山武AVP300型、瑞士ABB公司TZIDC型等閥門定位器占據(jù)國(guó)內(nèi)外大部分市場(chǎng)，產(chǎn)品性能優(yōu)良，價(jià)格昂貴，其控制方法未見詳細(xì)報(bào)道。國(guó)產(chǎn)智能閥門定位器較為突出的產(chǎn)品為中國(guó)重慶川儀自動(dòng)化公司的HVP型產(chǎn)品，其采用脈沖寬度控制壓電閥的動(dòng)作時(shí)間。

　　國(guó)內(nèi)高校近年來開展了閥門定位器的相關(guān)研究工作。南京工程學(xué)院采用增量式積分分離的PID算法，由于被控對(duì)象具有非線性特性，當(dāng)模型失配時(shí)，難以取得理想控制效果。杭州電子科技大學(xué)采用變結(jié)構(gòu)控制算法，算法思路并未詳述。西北工業(yè)大學(xué)采用模糊PID算法，研究結(jié)果表明將模糊控制應(yīng)用在閥門定位器上是一種有效的嘗試。

　　調(diào)節(jié)閥具有大滯后特性，進(jìn)氣和排氣過程中的靜摩擦力不同，并且在全行程范圍內(nèi)其動(dòng)態(tài)特性的一致性較差。良好的控制算法要能夠保證，在不同起始閥位處，閥門都能夠快速無超調(diào)的響應(yīng)不同幅度的給定信號(hào)變化。由于模糊控制具有良好的魯棒性，并能夠體現(xiàn)專家經(jīng)驗(yàn)，本文基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱一維模糊控制器。

1、智能閥門定位器的工作原理

　　智能電氣閥門定位器以微處理器為核心，利用新型壓電閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)定位器中的噴嘴、擋板調(diào)壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出氣源壓力的調(diào)節(jié)。具體工作原理如圖1所示。

圖1 智能閥門定位器的工作原理圖

　　由閥桿位置傳感器檢測(cè)閥門的實(shí)際開度信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，與給定信號(hào)進(jìn)行比較，計(jì)算二者的偏差值。若偏差值超出定位精度，則CPU輸出指令使壓電閥執(zhí)行開或關(guān)動(dòng)作。當(dāng)給定信號(hào)大于閥位反饋信號(hào)時(shí)，進(jìn)氣壓電閥(V-1)打開，輸出氣源壓力增大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力增加，閥門開度變大，此為進(jìn)氣過程;反之，當(dāng)給定信號(hào)小于閥位反饋信號(hào)時(shí)，排氣壓電閥(V-2)打開，通過消音器排氣，減小輸出氣源壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室壓力減小，閥門開度變小，此為排氣過程。簡(jiǎn)言之，就是通過CPU輸出4路數(shù)字PWM波控制2個(gè)壓電閥動(dòng)作，調(diào)節(jié)輸出氣源壓力的大小，使給定信號(hào)與閥位反饋信號(hào)達(dá)到新的平衡。壓電閥的工作原理，可以借助二極管的工作原理形象化解釋。當(dāng)壓電閥V-1受到0和1兩路數(shù)字信號(hào)控制時(shí)，V-1閥開啟，執(zhí)行進(jìn)氣動(dòng)作;若受到1和0兩路數(shù)字信號(hào)控制時(shí)，V-1閥關(guān)閉。同樣，當(dāng)壓電閥V-2受到0和1兩路數(shù)字信號(hào)控制時(shí)，V-2閥開啟，執(zhí)行排氣工作。綜合而言，即CPU輸出0110數(shù)字信號(hào)時(shí)，壓電閥執(zhí)行進(jìn)氣動(dòng)作;CPU輸出1001數(shù)字信號(hào)時(shí)，壓電閥執(zhí)行排氣動(dòng)作;CPU輸出1010數(shù)字信號(hào)時(shí)，壓電閥執(zhí)行保持動(dòng)作。

2、開環(huán)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

　　選擇配有PowerPC750單處理器的DS1005型dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，dSPACE系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與MATLAB/Simulink的無縫鏈接。安裝A/D轉(zhuǎn)換板卡DS2004，用來采集閥位反饋信息;安裝I/O板卡DS4002，產(chǎn)生4路可調(diào)占空比的PWM波。利用Controldesk編寫在線監(jiān)控界面，調(diào)節(jié)參數(shù)并保存數(shù)據(jù)。PWM波的周期設(shè)定為固定值，例如100ms。根據(jù)偏差電壓的符號(hào)判斷控制進(jìn)氣或排氣。例如，若占空比值為0.6，且需要執(zhí)行進(jìn)氣動(dòng)作，則dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)必須在每個(gè)PWM周期的前60ms輸出進(jìn)氣信號(hào)0110，后40ms輸出保持信號(hào)1010。

　　在HA2型石墨填料閥門上分別進(jìn)行進(jìn)氣和排氣的100%占空比值的開環(huán)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)曲線如圖2和圖3所示，虛線代表給定輸入信號(hào)的突變，實(shí)線代表閥位反饋信號(hào)�？梢姡�進(jìn)氣時(shí)被控對(duì)象的純延時(shí)更大且動(dòng)態(tài)響應(yīng)更慢，這是因?yàn)殚y門定位器產(chǎn)生進(jìn)氣動(dòng)作前需要克服較大的靜摩擦力;反饋曲線的初始斜率較大，是因?yàn)橐坏╈o摩擦力被克服，將導(dǎo)致閥位迅速變化。而排氣動(dòng)作，則是從壓力大的氣室向大氣中排氣，其靜摩擦力小，故閥位反饋曲線的純延時(shí)小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速。在不同起始閥位處，閥門的動(dòng)態(tài)特性也不完全相同。篇幅所限，不再列圖。

圖2 進(jìn)氣的開環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 排氣的開環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3、控制方法

　　綜上所述，無法建立一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型�？梢圆扇》侄慰刂频姆椒ǎ�在不同的偏差范圍內(nèi)，采取不同占空比值，但是分段點(diǎn)難以確定。

圖4 閥門定位器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

　　設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便的非對(duì)稱一維模糊控制器，采用兩段式量化因子和比例因子。根據(jù)進(jìn)氣和排氣時(shí)不同的特性，對(duì)模糊控制器的輸入量輸出量進(jìn)行非對(duì)稱模糊子集劃分。根據(jù)模糊隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量，最后利用重心法的解模糊運(yùn)算，得到模糊控制器輸出的占空比值。編程實(shí)現(xiàn)控制器最終輸出4路可調(diào)占空比的PWM波，控制兩個(gè)壓電閥動(dòng)作，閥門定位器的設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。

3.1、模糊子集和隸屬度函數(shù)

　　設(shè)定偏差的模糊子集的論域?yàn)閧-3，3}，占空比值的論域是{0，1}。e的語言變量設(shè)定為{NB，NM2，NM1，NS，Z，PS，PM1，PM2，PB}，u的語言變量設(shè)為{S，M1，M2，B}。

　　隸屬度函數(shù)曲線的形狀越陡，分辨率和控制靈敏度也就越高。在偏差大的區(qū)域，選擇低分辨率的正態(tài)分布形狀隸屬度函數(shù)曲線，即PB和NB。在其它區(qū)域，為使模糊控制器能夠反應(yīng)靈敏，選擇曲線斜率大的三角形隸屬度函數(shù)。此外，設(shè)定了范圍很窄的模糊子集NS、PS、Z，如圖5所示，目的是使控制更為精細(xì)。

　　根據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)被控對(duì)象的定性認(rèn)識(shí)，控制量u的模糊子集同樣也采取非均勻性劃分方式。B處的正態(tài)分布函數(shù)曲線比S處的曲線陡，可以在B處輸出更大的控制量，如圖6所示。

圖5 偏差e的模糊子集劃分

圖6 控制量u的模糊子集劃分

3.2、模糊規(guī)則

　　經(jīng)過推理和調(diào)試，制定了模糊控制規(guī)則表，如表1所示。由于進(jìn)氣過程緩慢，當(dāng)偏差為正值時(shí)，應(yīng)使模糊規(guī)則盡量選取大的控制量，加快閥門定位器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即當(dāng)偏差為PM1、PM2、PB時(shí)都對(duì)應(yīng)B控制量輸出。排氣時(shí)，選取的控制量較小，是為了防止閥門定位器的響應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)超調(diào)量。

表1 模糊規(guī)則表

3.3、兩段式量化因子和比例因子

　　量化因子和比例因子也對(duì)控制效果發(fā)揮重要作用。當(dāng)誤差較大時(shí)，需采用“粗調(diào)”對(duì)過程進(jìn)行控制。選取較小的量化因子Ke，降低對(duì)輸入量e的分辨率，以獲得較平穩(wěn)的控制效果，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性;同時(shí)選取較大的比例因子Ku，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。當(dāng)誤差較小時(shí)，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，應(yīng)采取“細(xì)調(diào)”。增大量化因子Ke，提高系統(tǒng)對(duì)輸入量e的敏感度，同時(shí)縮小量化因子Ku，防止系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)和振蕩，使系統(tǒng)盡快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

　　采用簡(jiǎn)便的兩段式設(shè)計(jì)方法設(shè)置量化因子和比例因子的。當(dāng)偏差大于給定值的0.3倍時(shí)(認(rèn)為偏差較大)，取較小的Ke和較大的Ku;當(dāng)偏差小于給定值的0.3倍時(shí)(認(rèn)為偏差較小)，則取較大的Ke和較小的Ku。量化因子和比例因子的數(shù)值經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)修改確定，程序流程圖如圖7所示。這種設(shè)計(jì)能夠使量化因子和比例因子隨著給定值的變化幅度而自適應(yīng)調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)不同幅度的給定信號(hào)輸入時(shí)，閥門都快速且無超調(diào)的響應(yīng)。由于模糊控制器本質(zhì)上是PD控制，不能實(shí)現(xiàn)無差控制，故在控制器中設(shè)計(jì)了死區(qū)，避免閥位反饋信號(hào)在穩(wěn)態(tài)值附近來回振蕩。死區(qū)的上下限設(shè)定為給定值的±0.003，小于滿量程的0.5%，滿足精度要求。

圖7 模糊控制器的程序流程圖

4、閉環(huán)實(shí)驗(yàn)

　　基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)搭建了在線閉環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：計(jì)算機(jī)、dSPACE系統(tǒng)、氣泵、調(diào)節(jié)閥、壓電閥、閥位傳感器。實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖8所示，雙線表示物理連接，單線表示電氣連接。給定值由Controldesk界面的監(jiān)控平臺(tái)在線設(shè)置，dSPACE的A/D板卡采集實(shí)際閥位信息，基于dSPACE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的智能閥門定位器輸出占空比值，并編程實(shí)現(xiàn)I/O板卡輸出相應(yīng)占空比值的4路PWM波，控制兩個(gè)壓電閥工作，執(zhí)行進(jìn)氣、排氣或保持動(dòng)作，作用于調(diào)節(jié)閥，改變氣室壓力，導(dǎo)致閥位變化。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

　　對(duì)HA2石墨填料的閥門進(jìn)行閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，在不同的起始閥位處進(jìn)行了幅度不同的正、負(fù)階躍實(shí)驗(yàn)，輸入的給定信號(hào)分別選取滿量程的5%、10%和50%，對(duì)采集到的閥位反饋信號(hào)，進(jìn)行巴特沃斯低通濾波器消噪處理，兩種曲線如圖9～圖11的a、b子圖所示，虛線為給定電壓值，實(shí)線為閥位反饋電壓值�？梢姡�閥位信號(hào)能夠快速無超調(diào)地跟蹤給定信號(hào)的變化。

a正階躍實(shí)驗(yàn)圖 b負(fù)階躍實(shí)驗(yàn)圖

圖9 給定電壓5%階躍變化

a正階躍實(shí)驗(yàn)圖 b負(fù)階躍實(shí)驗(yàn)圖

圖10 給定電壓10%階躍變化

圖11 給定電壓50%階躍變化

5、結(jié)束語

　　基于dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能閥門定位控制器，在不同起始閥位處進(jìn)行了多幅值給定信號(hào)階躍變化的閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，閥門定位器具有快速無超調(diào)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。綜合全文得到以下兩點(diǎn)結(jié)論：

　　(1)根據(jù)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，采用非均勻性劃分的模糊子集，制定具有針對(duì)性的模糊控制規(guī)則，能夠取得良好效果。

　　(2)采用分段式量化因子和比例因子的一維模糊控制器，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，計(jì)算量小，能夠提高模糊控制器的實(shí)時(shí)性。