電動調節閥動態特性與控制研究

（杭州富陽良工儀表有限公司，浙江富陽 311400）

近年來隨著我國工業建設的發展，在冶金、石油、化工等多個領域中電動調節閥具有較廣的應用，而電動調節閥的性能是與驅動系統直接相關的。隨著電力、電子技術，微電子技術，微機控制技術的發展，人們對于電動調節閥的動態性能要求逐漸提高，為使鋼廠循環發電工程中調節閥獲取穩定快速的控制效果，本研究提出可用于電動調節閥參數模糊自整定PID控制法，并將該方法用于其控制系統中取代原有的PID控制。

1.設計驅動系統

在本研究中進行電動調節閥及驅動系統使用的驅動電機為驅動電機，其具有良好的反轉響應和啟停響應特性，本研究所設計的控制器可增加溫度檢測和紅外遙控模塊，可用于一些特殊場合中。電動調節閥的驅動系統包括，控制器、傳動機構、電動機、限位機構、聯機機構、位移傳感器、手動裝置等。如圖1所示。

圖1 控制信號結構圖

通過上位機發出信號后能夠傳遞給控制器，控制器能夠控制電機等。同時可通過同步齒形帶，能夠將動力作用傳遞到絲桿，并與驅動系統輸出軸進行連接，進一步帶動閥桿移動，以實現閥門開度的控制，在處于斷電條件下，可通過手動操作進行調節閥調節和開關功能。

控制器能夠將系統反饋信號與設定信號進行比較，進一步實現電機的運轉?？刂破鞴δ苣K在產品的開發周期和成本方面，可使用基于單片機STC89C52RC，將其作為控制器的核心，其是一種低功耗和高速運轉的單片機，內部還有可編程控制看門口，電路可用于閥門控制等。一些重要的工業控制場合中電動機、驅動模塊能夠驅動步進電機進行運轉，其可通過光電耦合電路、功率放大電路以及PMM8713PT分配器的控制。反饋回路是由信號放大電路、位移傳感器、A/D轉換電路構成的，通過檢測能夠及時反饋閥門實時信號。由于該執行機構中，通常會作用于溫差相對較大的場合，因此需要及時監測溫度，另外，該控制器中包含了溫度檢測模塊。人機對話接口可按照信號傳輸的方向設置輸入和輸出部分，人機對話接口輸入部分，其包含的功能，特別是鍵盤的輸入，具體為現場、遠控、停止以及手動/自動切換，紅外遙控包括開關閥門，閥門開度設置、停止等功能。人機對話接口輸出，包括LCD顯示屏，能夠用于閥門實時開度情況、目標設定值、溫度等參數的顯示。故障報警模塊可用于一些運行異常情況的報警，是利用蜂鳴器發出報警信號，并及時停止電機的運轉。網絡通信模塊可接入上會機與RS232通訊接口進行串行通信。

2.設計參數模糊自整定PID的控制器

如圖2所示為參數模糊自整定PID控制器的結構示意圖。

圖2 PID控制器的結構示意圖

在該圖中Fuzzy控制器能夠作為雙輸入-三輸出?？刂破?，其輸入只能夠為給定位置以及閥桿實時位置差值與差值的變化率ec。輸出則為PID控制器調節參數的變化量，可使用13個模糊數用于表示輸入、輸出變量模糊論域。模糊子集對NB、NM、NS、PS、Z、PM、PB各個字節代表意義為負大、負中、負小、零、正大、正中、正小，模糊推理可選擇Mamdani型推理系統及隸屬度函數，使用三角形隸屬度函數，根據專家經驗構建控制規則，在解模糊中可使用面積平方法。

3.建模仿真分析

第一，系統建模在步進模型中利用步進電機能夠將電脈沖信號轉為角位移，在工業領域中應用較廣的是混合式步進電機，如下所示為兩相混合式步進電機電壓方程以及其運動方程:

在上述公式中，A、B兩組繞組端電壓為Va和Vb，A、B兩相繞組電流為ia和Ib表示，L和R表示A、B兩相間互感，電機轉動慣量為J，黏制摩擦系數用B表示，轉子齒指數為NF，轉子的輸出角度為θ，永磁體鉸鏈磁通量為?m，極距角用λ表示。在本研究中可以假設電感L與A、B兩線之間的互感與轉子輸出角度無直接聯系，在處于單向通電過程中，可假設極距角為0，并進行線性化處理，通過對公式進行拉普拉斯列轉換，而可獲得步進電機單向勵磁過程中，角位移響應傳遞函數，如下所示：

在該公式中目標值的機械角用θi表示，θo表示控制量機械角，用ωn表示固有角的頻率。第二，傳動系統的建模在本組中，傳動系統是由帶輪減速機構、電機軸以及絲桿傳動的機構構成的，可獲得電機軸動力學方程，如下所示：

在該公式中電機軸等效轉動慣量用J1表示，黏性阻尼系數用B表示，阻力矩用M1表示，驅動力矩用M表示，電機軸輸出轉角用θ1表示，電機軸扭轉剛度用K表示。針對帶輪減速機構以及絲桿構建動力學方程如下所示：

在該方程中絲桿軸等效轉動慣量用J2表示，輸入轉矩為M2，絲杠軸黏性阻尼系數為B2，輸出角為θ2，傳動比為i，導程為L，絲桿—效率為s，閥門推力用FL表示，通過對上述公式進行拉布拉斯變換，可獲得絲桿轉角，進一步能夠獲得閥桿位移傳遞函數，在該函數中閥桿位移用H表示。第三，傳感器的模型構件，由于位移傳感器受本身因素的限制，可將其作為比例環節，同時用K1來表示增益。

4.仿真分析

當電動調節閥閥門開度設為10mm，根據仿真結構可以發現，在允許誤差帶的范圍中采用傳統PID進行控制時，其調節時間為0.55s，而采用模糊參數自整定PID控制器時，調節時間為0.23s，相比傳統的PID控制器自整定PID控制器穩定響應過程要短，使用傳統PID進行調節時，系統輸出會存在明顯超調的問題，而使用模糊PID進行調解時，系統未出現超調現象。根據系統跟蹤正弦輸入信號響應曲線，通過仿真結果可以發現，相比傳統PID控制器，模糊參數自整定PID控制器響應速度較快，穩定信號能夠實現良好跟蹤。未來也可將驅動PWM電路與運放集成與同一塊MCU中，使硬件更加簡化，同時能夠使永磁同步電機作為電動執行器電動流量調節閥，以此提高其精度[1]。

5.小結

當前電動調節閥驅動系統的發展，通過研究提出，可使用基于單片機STC89C52RC控制器作為核心，可實現溫度檢測、上位機通信、紅外監控、LED顯示、鍵盤輸入、電機驅動等相關功能，并且根據目前市場上新型電機電動調節閥驅動系統設計，電動調節閥模糊自整定PID控制器及能夠融合模糊控制以及傳統PID控制器的優點，通過研究發現，相比傳統的PID控制器，采用模糊自整定PID控制其超載量較小，能夠縮短調節時間，在調節過程中平穩信號，具有良好的響應特性，能夠為提升調節閥所控系統及動態性能奠定基礎。