氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計方案

【資料簡介】

氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計方案

    隨著過程控制裝置逐漸一體化，生產(chǎn)過程對于控制裝置的控制精度和適應(yīng)性要求日趨嚴(yán)格。在氣動控制技術(shù)方面，國外起步早、投入力度大，都成功設(shè)計出了性能良好的氣壓控制裝置；而國內(nèi)的氣動技術(shù)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(tǒng)PID控制因其經(jīng)常性參數(shù)整定不良，對運(yùn)行工況適應(yīng)性差而不能很好滿足要求，因此出現(xiàn)了多種控制算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、雙閉環(huán)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器等于一體，采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法，對被控量進(jìn)行穩(wěn)定、精確、快速控制。

    1 氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計方案一體化智能測控裝置的組成原理
    基于氣動調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu),配用多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu),執(zhí)行機(jī)構(gòu)高度低、重量輕、裝備簡便。氣動壓力調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥開度,達(dá)到對管道內(nèi)流體的壓力連續(xù)調(diào)節(jié)。氣動壓力調(diào)節(jié)閥具有結(jié)構(gòu)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(hù)方便等優(yōu)點。整體具有工作平穩(wěn)、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(diào)節(jié)器接收被控量設(shè)定值以及來自被控量傳感器的被控量反饋值，按照設(shè)計的控制算法，向閥門開度調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器中。閥門開度調(diào)節(jié)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(nèi)的氣體壓力。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)將氣室壓力的改變轉(zhuǎn)換為閥桿的直線位移或角位移，以此改變調(diào)節(jié)閥閥芯的位置，即調(diào)節(jié)閥的流通面積，進(jìn)而控制流入或流出控制系統(tǒng)的物料或能量，實現(xiàn)過程參數(shù)的自動控制。

    2氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計方案 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
    以氣體流體的壓力控制為例，假設(shè)氣體滿足理想氣體方程，執(zhí)行機(jī)構(gòu)選取氣開式薄膜調(diào)節(jié)閥，得到的控制系統(tǒng)雙閉環(huán)組成框圖所示。其中，忽略執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室的容積變化，氣體的溫度變化以及閥桿和閥芯加速運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力，可得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的簡化數(shù)學(xué)模型：
    壓力調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)由氣源、調(diào)節(jié)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(nèi)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(zhì)量流量與流過調(diào)節(jié)閥口的氣體質(zhì)量流量相等，根據(jù)理想氣體經(jīng)過收縮噴管的等熵流動過程，得到：同時可得到控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型框圖，如圖3所示。圖3中，P*和L*分別為壓力設(shè)定值（MPa）和閥門開度設(shè)定值。

氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計方案執(zhí)行器技術(shù)參數(shù)

配置執(zhí)行器類別	ZHA/B多彈簧簿膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行器型號	ZHA/B-22	ZHA/B-23	ZHA/B-34	ZHA/B-45	ZHA/B-56
有效面積(cm2)	350	350	560	900	1400
行程(mm)	10、16	24	40	40、60	100
彈簧范圍(KPa)	20~100(標(biāo)準(zhǔn))、20-60、60-100、40-200、80-240
膜片材料	丁腈橡膠夾尼龍布、乙丙橡膠夾尼龍布
供氣壓力	140~400KPa
氣源接口	RC1/4"
環(huán)境溫度	-30~+70℃
可配附件	定位器、空氣過濾減壓器、保位閥、行程開關(guān)、閥位傳送器、手輪機(jī)構(gòu)等
作用形式	氣關(guān)式(B)—失氣時閥位開(FO);氣開式(K)—失氣時閥位關(guān)(FC

    3 氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計方案控制算法設(shè)計及MATLAB仿真
    3.1 控制算法設(shè)計
    閥門開度調(diào)節(jié)器采用常規(guī)PID控制算法，其3個參數(shù)固定不變。采用籠式套筒導(dǎo)向、雙密封結(jié)構(gòu)，配用多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(diào)節(jié)閥開度，達(dá)到對管道內(nèi)流體的壓力連續(xù)調(diào)節(jié)。氣動壓力調(diào)節(jié)閥整體具有工作平穩(wěn)、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(diào)節(jié)閥主要特點如下：
（1） 采用輕型執(zhí)行機(jī)構(gòu)，高度及重量均可減小30%。
（2） 閥體內(nèi)表面有多種材料涂復(fù)層，避免介質(zhì)直接接觸，承受強(qiáng)閥腐蝕性介質(zhì)的腐蝕。
（3） 閥門關(guān)閉時，內(nèi)、外泄漏量為零，特別適合于劇毒介質(zhì)或不允許污染介質(zhì)的閥節(jié)。
（4） 流路簡單，阻力小，額定流量系數(shù)比同口徑單座，套筒調(diào)節(jié)閥大。
    過程調(diào)節(jié)器采用參數(shù)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(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫的模糊推理，得到PID控制器中比例、積分和微分參數(shù)的調(diào)整量，進(jìn)而完成3個參數(shù)的整定工作，以達(dá)到控制調(diào)節(jié)的目的。設(shè)e的基本論域為。
    PID的控制參數(shù)整定規(guī)則為：1）當(dāng)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(dá)到加強(qiáng)整個系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的目的；2）當(dāng)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(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能同時增強(qiáng)；若e的值較小，則應(yīng)降低Kp與Kd，并增大Ki，以防止系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)震蕩。
    采用隸屬度法進(jìn)行解模糊，得到ΔKp、ΔKi、ΔKd完整的模糊調(diào)整規(guī)則。在線運(yùn)行時，調(diào)節(jié)器的微處理系統(tǒng)連續(xù)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(guī)則矩陣和模糊調(diào)整矩陣中得到Kp、Ki、Kd的調(diào)整量，進(jìn)而達(dá)到控制器參數(shù)自整定的目的。
    3.2 氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計方案MATLAB仿真
    根據(jù)實驗室現(xiàn)有設(shè)備得到如下系統(tǒng)對象參數(shù)：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(guī)PID的參數(shù)設(shè)定為：Kp=10，Ki=0.03，Kd=0.05；模糊PID控制器的參數(shù)初值設(shè)定為：Kp=5，Ki=0.5，Kd=0.03。以0.15MPa目標(biāo)壓力調(diào)節(jié)為例，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。圖7中，壓力調(diào)節(jié)動態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量低于15%，同時響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時間短，系統(tǒng)快速平穩(wěn)地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，基本滿足了該裝置在穩(wěn)定、精準(zhǔn)、快速控制方面的設(shè)計要求。

4 氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計方案裝置技術(shù)實現(xiàn)方案簡介
    基于氣動調(diào)節(jié)閥的一體化智能測控裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖8所示。整個系統(tǒng)由24VDC電源供電，設(shè)定值輸入與控制信號均采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號。微處理器采用TI公司出產(chǎn)的MSP430F449超低功耗單片機(jī)。MSP430F449帶有60kB的Flash存儲器，可以滿足系統(tǒng)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(jī)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(yōu)點，同時由于電磁閥質(zhì)量小，即使受到很大的振動也可以正常工作。系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于KEIL-RVMDK，采用模塊化任務(wù)設(shè)計方式，實現(xiàn)系統(tǒng)信號檢測、數(shù)據(jù)處理、PWM控制及人機(jī)界面的顯示。

主要性能指標(biāo)

項目			不帶定位器	帶定位器
基本誤差%			±5.0	±1.0
回差%			≤3.0	≤1.0
死區(qū)%			≤3.0	≤0.4
始終點偏差%	氣開	始點	±2.5	±1.0
		始點	±5.0	±1.0
	氣關(guān)	始點	±5.0	±1.0
		終點	±2.5	±1.0
額定行程偏差%			≤2.5
泄露量L/h			0.01%×閥額定容量
可調(diào)范圍R			30：1

氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計方案額定流量系數(shù)Kv、額定行程、配用執(zhí)行器型號

公稱通徑 DN(mm)		20	25	32	40	50	65	80	100	125	150	200	250	300
閥座直徑 dN(mm)		20	25	32	40	50	65	80	100	125	150	200	250	300
額定流量系數(shù)KV	直線	10	11	17.6	27.5	44	69	110	176	275	440	630	1000	1600
	等百分	6.3	10	16	25	40	63	100	155	250	370	580	900	1300
額定行程(mm)		16		25			40			60			100
配用執(zhí)行器型號		ZHA/B-22		ZHA/B-23			ZHA/B-34			ZHA/B-45			ZHA/B-56

    

5 氣動壓力調(diào)節(jié)閥控制設(shè)計方案結(jié)束語

    本文所探討的基于氣動調(diào)節(jié)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(shù)自整定模糊PID控制，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性較強(qiáng)的優(yōu)點。是一種壓力平衡式調(diào)節(jié)閥，采用籠式套筒導(dǎo)向、雙密封結(jié)構(gòu)，配用多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)高度低、重量輕、裝備簡便。氣動壓力調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)閥開度，達(dá)到對管道內(nèi)流體的壓力連續(xù)調(diào)節(jié)。氣動壓力調(diào)節(jié)閥具有結(jié)構(gòu)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(hù)方便等優(yōu)點。整體具有工作平穩(wěn)、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。