基于直驅(qū)式的電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制技術(shù)研究

鄂 威 周天麗 楊士贊 賈云霞

（鞍山電磁閥有限責(zé)任公司，遼寧 鞍山 114300）

根據(jù)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)類型的不同，可將其分為氣動(dòng)、電動(dòng)、液動(dòng)三種基本類型。但是在一些大推力、高精度的使用場合，通常選擇電液結(jié)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可兼顧電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的響應(yīng)速度和液動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)精度。但是直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)壓控制效果不理想的問題。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種適用于直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用PLC 單片機(jī)進(jìn)行控制，以DDVC 電液伺服系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證了電液調(diào)節(jié)閥在實(shí)際運(yùn)行時(shí)具有高效節(jié)能、響應(yīng)迅速、穩(wěn)壓精確等一系列優(yōu)勢(shì)，為電液調(diào)節(jié)閥在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了幫助。

1 直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制器的設(shè)計(jì)要求

從電液調(diào)節(jié)閥的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用需求出發(fā)，本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓控制器應(yīng)具備以下功能：（1）參數(shù)自定義。可通過人機(jī)交互界面上的按鍵，手動(dòng)設(shè)置調(diào)節(jié)閥的基本參數(shù)、控制參數(shù)等內(nèi)容；（2）液晶顯示。PLC基于前端反饋的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將調(diào)節(jié)閥運(yùn)行時(shí)的實(shí)際壓力、目標(biāo)壓力、實(shí)際開度、目標(biāo)開度、控制參數(shù)等信息在液晶屏上準(zhǔn)確顯示，方便工作人員及時(shí)了解電液調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行工況和接收控制反饋；（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。可實(shí)時(shí)存儲(chǔ)調(diào)節(jié)閥設(shè)定的參數(shù)以及運(yùn)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并確保在斷電重啟后可以重新讀取這些數(shù)據(jù)保證電液調(diào)節(jié)閥繼續(xù)運(yùn)行；（4）遠(yuǎn)程通信。利用RS232 通信模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，實(shí)時(shí)完成前端數(shù)據(jù)的上傳和終端指令的下達(dá)等通信任務(wù)。基于上述設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)穩(wěn)壓控制器的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

2 直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 鍵盤輸入電路。該電路的核心功能是設(shè)定、修改參數(shù)。考慮到控制器的硬件設(shè)備較多，為減少對(duì)單片機(jī)引腳的占用，選擇一部8-3 優(yōu)先權(quán)編碼器SN74LS148。同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)中斷程序，這樣僅使用單片機(jī)的4 個(gè)引腳就能保證鍵盤輸入電路正常運(yùn)行。其運(yùn)行原理為：8 個(gè)按鍵各對(duì)應(yīng)一個(gè)編碼值，在按鍵全部復(fù)位的情況下，4 個(gè)引腳的電位均為0。按下任意按鍵后，單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，同時(shí)判斷哪個(gè)按鍵被按下，并做出中斷處理。8 個(gè)按鍵分別為：A1 模式切換鍵，可在伺服控制、開關(guān)狀態(tài)、功能設(shè)定3 種模式中切換；A2 數(shù)值增加鍵，每按一下目標(biāo)參數(shù)光標(biāo)位置數(shù)值+1；A3 數(shù)值減小鍵，每按一下目標(biāo)參數(shù)光標(biāo)位置數(shù)值-1；A4 位置光標(biāo)移動(dòng)鍵，每按一下位置光標(biāo)向右移動(dòng)一個(gè)位置，達(dá)到末端后回到起始位置循環(huán)移動(dòng)；A5、A6 分別為數(shù)據(jù)讀取與暫停鍵；A7為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)鍵；A8 為控制修改鍵。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集電路。本系統(tǒng)中使用了若干位移傳感器、壓力傳感器，可利用PLC 單片機(jī)自帶A/D 轉(zhuǎn)換模塊將采集到的位移信號(hào)、壓力信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成5-20mA的電流信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換公式為：

數(shù)字結(jié)果=1023×{輸入電壓/（V1-V2）}

上式中，V1 代表模擬輸入高電平，V2 則表示模擬輸入低電平。通常情況下，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的誤差≤±1LSB，精度得到了保障。為保證采集數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定傳輸至PLC 單片機(jī)，設(shè)置4 個(gè)傳感器接口。

2.1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。考慮到直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，為防止設(shè)備突然斷電后重要參數(shù)丟失，應(yīng)設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。在調(diào)節(jié)閥正常運(yùn)行時(shí)，可以將重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存，這樣即便是遇到斷電等情況，也可以在恢復(fù)供電后正常讀取數(shù)據(jù)，然后是調(diào)節(jié)閥恢復(fù)正常運(yùn)行。本系統(tǒng)使用了AT24C02 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，其核心部分是2K 位串行CMOSE2R ROM，共有256 個(gè)16 位字節(jié)。

2.1.4 液晶顯示模塊。液晶顯示屏是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要組件，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇OCMJ5X10B 液晶顯示屏，除了顯示內(nèi)容外，還支持屏顯清除、光標(biāo)顯示等操作。共有16 個(gè)引腳，其中1-4 引腳為空白，5-14 引腳用于傳輸數(shù)據(jù)，15 和16 引腳分別連接電位器RO的輸入和輸出口，作用是調(diào)節(jié)液晶顯示屏的亮度。設(shè)置有阻容復(fù)位回路，上電啟動(dòng)后，自動(dòng)執(zhí)行一次初始化程序。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)開發(fā)的使用的主控制器為PLC16F877 單片機(jī)，主程序開發(fā)環(huán)境為MPLAB，開發(fā)語言使用C語言。主程序設(shè)計(jì)如下：通過程序入口啟動(dòng)主程序后，自動(dòng)完成系統(tǒng)初始化，并讀取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的各項(xiàng)數(shù)值。此時(shí)進(jìn)入到工作模式1（默認(rèn)為伺服控制模式），在完成數(shù)據(jù)讀取后將傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后，被PLC識(shí)別并在液晶顯示屏上顯示。顯示內(nèi)容主要為電液調(diào)節(jié)閥的設(shè)定壓力、實(shí)時(shí)壓力、當(dāng)前閥度、當(dāng)前狀態(tài)等。該控制器共有3 中運(yùn)行模式，除了默認(rèn)的伺服控制外，還有開關(guān)狀態(tài)（模式2）和功能設(shè)定（模式3）。在切換至模式2 后，液晶顯示屏上顯示內(nèi)容主要為閥門狀態(tài)，并可通過屏幕按鍵選擇開啟或關(guān)閉閥門；在切換至模式3 后，可手動(dòng)修改目標(biāo)壓力、電機(jī)參數(shù)，并在液晶顯示屏上顯示。

單片機(jī)上電復(fù)位后，分別對(duì)I/O 口、PWM以及中斷處理系統(tǒng)等進(jìn)行一次初始化。此時(shí)單片機(jī)CPU 處于待機(jī)模式，運(yùn)行能耗基本為0，符合電液調(diào)節(jié)閥的節(jié)能設(shè)計(jì)要求。PLC將PWM信號(hào)發(fā)送至前端的CCP 模塊后，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)完成調(diào)節(jié)任務(wù)。完成主程序初始化后，分別控制各個(gè)子程序完成電液調(diào)節(jié)閥的各項(xiàng)功能。

2.2.2 子程序設(shè)計(jì)。對(duì)應(yīng)穩(wěn)壓控制器的硬件部分，分別設(shè)置相應(yīng)的子程序，如液晶顯示子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、報(bào)警子程序、通信子程序等。現(xiàn)以數(shù)據(jù)采集模塊為例，介紹其子程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)。從程序?qū)崿F(xiàn)功能上來看，數(shù)據(jù)采集程序主要包括數(shù)據(jù)信號(hào)的采集、A/D轉(zhuǎn)換、軟件濾波等功能。在多路模擬量中選擇需要處理的信號(hào)，然后尋找與該型號(hào)對(duì)應(yīng)的模擬開關(guān)，對(duì)該型號(hào)進(jìn)行賦值。然后利用PLC 單片機(jī)內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊，將賦值后的多組數(shù)據(jù)求平均值。最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行軟件濾波，即可保證所得數(shù)據(jù)的精確性、可靠性。數(shù)據(jù)采集程序如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集子程序流程圖

結(jié)合數(shù)據(jù)采集流程圖可知，在完成A/D 轉(zhuǎn)換并讀取采樣結(jié)果后，還需要執(zhí)行一個(gè)“采樣＞3 次”的判斷程序，如果采樣數(shù)不足3 次，則返回程序繼續(xù)采樣，直到滿足該判斷條件后才能繼續(xù)進(jìn)行程序。其目的是保證采樣數(shù)據(jù)足夠豐富，這樣求取的平均值才更具有代表性。

3 電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制器性能分析

控制策略通常是指對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)使用的控制方案、控制目標(biāo)、控制規(guī)律等。對(duì)于電液調(diào)節(jié)閥來說，常用的控制策略為模糊PID控制，其特點(diǎn)在于控制方案簡單，運(yùn)算速度較快，適用于一些簡單的控制系統(tǒng)。但是在電壓調(diào)節(jié)閥的實(shí)際運(yùn)行中，受到自身結(jié)構(gòu)的影響及外部運(yùn)行環(huán)境的干擾，容易出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差，在平衡點(diǎn)附近產(chǎn)生震蕩，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的控制性能造成負(fù)面影響。因此本文在常規(guī)PID控制的接觸上提出了一種基于蟻群算法的PID 開關(guān)切換控制策略，并對(duì)兩種控制策略下系統(tǒng)的穩(wěn)壓控制性能進(jìn)行了對(duì)比。

3.1 系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能

階躍響應(yīng)通常用于分析被測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，而該性能也可以直接展示電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制的表現(xiàn)力。通過系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)定運(yùn)行時(shí)間為12s，施加系統(tǒng)壓力為2.35MPa，記錄并觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

根據(jù)圖3 可知，采用常規(guī)PID 控制策略和蟻群模糊PID控制策略，在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后都可以穩(wěn)態(tài)。但是兩種控制策略下系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的階躍響應(yīng)時(shí)間有明顯差異。在PID控制策略下，系統(tǒng)階躍響應(yīng)上升時(shí)間為5.0s，調(diào)整時(shí)間3.1s；相比之下，基于蟻群模糊PID 控制策略的系統(tǒng)階躍響應(yīng)上升時(shí)間僅為2.5s，調(diào)整時(shí)間為1.9s，響應(yīng)速度有了明顯的提升。

3.2 系統(tǒng)跟蹤性能

為了保證工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥在輸入設(shè)定值后，一般不會(huì)立即出現(xiàn)連續(xù)變化，而是在一段時(shí)間內(nèi)維持當(dāng)前定值。只有在工作需求發(fā)生改變后，才會(huì)隨著設(shè)定值發(fā)生變化。因此，跟蹤變化性能也是評(píng)價(jià)電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。結(jié)合調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行特性，其輸出壓力值僅與閥前壓力有關(guān)，因此在實(shí)際觀測時(shí)可以只考慮方波信號(hào)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，為了保證正常觀測到方波信號(hào)，設(shè)定了方波信號(hào)的閾值，即上限為2.5MPa，下限為1.5MPa。另外，還設(shè)置信號(hào)周期為10s，占空比為30%。在完成上述設(shè)置后，分別使用常規(guī)PID 控制策略和蟻群模糊PID控制策略檢測系統(tǒng)的跟蹤曲線，如圖4、圖5 所示。

對(duì)比圖4 和圖5 可以發(fā)現(xiàn)，兩種控制策略下的系統(tǒng)跟蹤能力均達(dá)到了理想預(yù)期。但是進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)，蟻群模糊PID控制策略的跟蹤性能較好，可作為電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的優(yōu)選控制策略。

圖4 常規(guī)PID 控制方波跟蹤曲線

圖5 蟻群模糊PID 控制方波跟蹤曲線

3.3 系統(tǒng)抗干擾能力

在直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥的實(shí)際運(yùn)行中，受到外界擾動(dòng)及自身振動(dòng)的影響，其穩(wěn)壓控制能力也會(huì)出現(xiàn)不同程度的下降。對(duì)于自身振動(dòng)，可通過在振動(dòng)部位設(shè)置橡膠軟墊等方式降低振幅；而對(duì)于外界擾動(dòng)，則需要提高系統(tǒng)的抗干擾性能。在干擾仿真實(shí)驗(yàn)中，分別設(shè)置了兩種擾動(dòng)，即突加干擾和隨機(jī)擾動(dòng)，記錄并觀察在不同擾動(dòng)下的響應(yīng)情況。在突加干擾仿真實(shí)驗(yàn)中，首先運(yùn)行電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制系統(tǒng)，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，在第6s 時(shí)施加一個(gè)持續(xù)時(shí)間為0.5s 的擾動(dòng)，該擾動(dòng)的大小為穩(wěn)定值的1/10。觀察在不同控制策略下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，仿真結(jié)果如圖6 所示。

結(jié)合圖6 可知，在受到突加擾動(dòng)后，兩種控制策略下的穩(wěn)壓控制系統(tǒng)都能在較短時(shí)間內(nèi)重新恢復(fù)到設(shè)置值。但是從響應(yīng)時(shí)間來看，基于蟻群模糊PID控制策略的系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)用時(shí)更短，因此其抗干擾能力更強(qiáng)。按照同樣的方法，還進(jìn)行了隨機(jī)擾動(dòng)的仿真實(shí)驗(yàn)，得到了同樣的結(jié)果，表明蟻群模糊PID控制策略對(duì)提高電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制能力有更加出色地表現(xiàn)。

圖6 系統(tǒng)突加干擾后響應(yīng)時(shí)間

4 結(jié)論

電液調(diào)節(jié)閥作為廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化等工業(yè)領(lǐng)域的重要設(shè)備，保證其穩(wěn)定、可靠運(yùn)行尤為關(guān)鍵。直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥通常適用于大力矩、高精度的場合，并且對(duì)響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度、運(yùn)行平穩(wěn)度等提出了嚴(yán)格要求。本文設(shè)計(jì)的一種以PLC單片機(jī)為主控制器，采用蟻群模糊PID 控制策略，具有鍵盤輸入、液晶顯示、自動(dòng)報(bào)警的電液調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓控制器，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明階躍響應(yīng)速度較快，系統(tǒng)跟蹤性能良好，對(duì)突加干擾和隨機(jī)干擾的抵抗能力較強(qiáng)，能夠使直驅(qū)式電液調(diào)節(jié)閥在各種復(fù)雜工業(yè)環(huán)境中保持穩(wěn)壓控制，對(duì)進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)閥的實(shí)用效果有積極幫助。