智能閥門設計與控制方法研究

邵 曙,潘益茅,呂志翼,宋吉利,洪 衛

(1.浙江百得自動化儀表有限公司,浙江 溫州 325000；2.浙江中德自控科技股份有限公司，浙江 溫州 313100; 3.超一閥門有限公司，浙江 溫州 325000)

0 引言

智能閥門在工業上的控制應用已經逐漸取代了機械式閥門控制系統，由于在工業生產中的應用對閥門控制系統有著迫切的要求，對智能閥門控制精度、控制速度和控制靈活度都有極高的標準。近年來，國內智能閥門的控制方法使用機械式閥門定位控制較多，然而國外對智能閥門定位控制的研究，故障發生的頻率較高，使智能閥門在實際因公眾較少使用。

為了滿足智能閥門在工業生產中極高的標準，相關文獻也有相應的研究，文獻[1]提出了一種基于C8055F005的智能閥門控制系統，該系統采用一體化的思想，使用嵌入式的開發技術，實現智能閥門的控制功能，但該系統在自適應調節的功能上有一定的不足，降低了智能閥門的控制精度，還需后期的改進；文獻[2]提出了一種智能閥門電動控制器系統，該系統通過對硬件電路和系統軟件的設計，實現了人機界面操作、閥門故障提示和智能閥門的控制功能，但該系統采用的是開環控制無刷直流電機，對閥門的控制精度比較低。

基于上述文獻中的不足，本文提出了對智能閥門的設計與控制方法進行研究，設計了智能閥門硬件系統，通過對智能閥門的設定信號與閥門檢測反饋信號進行有效的調理，實現智能閥門的信號轉換，信息采集等功能，接著利用PID控制器和FUZZY-PI復合算法，進行對智能閥門的控制設計，最后設計了智能閥門定位器系統，實現了智能閥門精準的定位和控制、自我診斷的功能。

1 智能閥門硬件設計

本文首先對智能閥門的硬件系統進行了設計，智能閥門硬件系統主要分為：電氣轉換模塊、微處理器、信號處理模塊和閥位反饋模塊4個部分，智能閥門硬件設計結構圖如圖1所示。

圖1 智能閥門硬件設計結構圖

信號調節模塊通過對傳入的系統固定信號和閥門測試反饋信號執行合理、有效處理，采用A/D轉換器將模擬信號變換成微處理器可以接收的數字信號，通過微處理器進行比較由信號處理模塊輸入的數字信號之間的特性關系，進而對比閥門開度與設定信號之間的聯系，并將控制信號傳輸至電氣變換模塊，再由電氣變換模塊將電信號轉換成氣壓信號同時傳輸至氣動執行機構，響應調節機構操作，最后由閥門測試反饋系統進行對閥桿位置的測試，同時將該信號轉換為反饋電信號至定位器的調節模塊。

智能閥門系統使用的是CAN總線進行通信，CAN總線利用非破壞性仲裁技術，當總線同時接收到多個節點發來的信息時，低優先級的節點選擇不發送，并且高優先級的節點將繼續傳輸不受任何影響，從而節省了大量的傳輸時間。CAN總線可通信至10 km以外的距離，通信速度并且很高，可達到1 Mb/s。CAN總線的節點數可達到110個取決于總線驅動電路，并且擴展標識報文不受限制，該系統中采用的LPC2290控制器自帶有兩路的CAN通道。

此智能閥門定位器硬件系統設計有4個按鍵，因為采用的主控制器LPC2290有足夠的I/O接口，因此每個按鍵獨自對應一個GPIO口進行輸入，利用字符型液晶顯示屏LCD1602，實現清晰的人機交互界面。為了提高閥門定位器的控制精準率，該系統選用壓電閥作為控制器件，采用陶瓷片在電壓影響下發生彎曲變形原理而造成的一種兩位式控制閥，進而實現IP的轉換。

2 基于PID控制器和FUZZY-PI復合算法的智能閥門控制

本文利用PID控制器和FUZZY-PI復合算法，進行對智能閥門的控制設計，通過PID控制的基本原理和穩定邊界法整定PID控制參數的過程，完成PID控制器的設計，再結合FUZZY-PI復合算法實現智能閥門的偏差判別與條件控制和多路轉換開關與信號的轉換。完成智能閥門控制需要3個步驟。

步驟一：智能閥門控制中PID控制器的設計。

設

r

(

t

)表示為設定值，

y

(

t

)表示為輸出值，將設定值與輸出值進行比較構成控制偏差

e

(

t

)=

r

(

t

)-

y

(

t

)，將偏差其值進行邏輯計算后，通過線性組合計算出控制量。

PID控制器數學模型方程式為：

(1)

將PID控制器的數學模型表達式化簡可表示為：

(2)

式(1)～(2)中，

u

(

t

)表示控制器的輸出，

e

(

t

)表示控制器輸入偏差，

K

、

K

、

K

分別表示為表征其比例(

P

)、積分(

I

)和微分(

D

)作用的參數。在比例部分，比例系數

K

負責提高系統的反應速度，進而使系統的控制精確度提高。

K

越大，控制反應速度將越快，但會產生系統不穩定的影響；如果

K

取值較小，會使控制精確度降低，并且系統控制的反應速度變慢，進而影響調節時間，因此，比例系數

K

的選取應結合實際情況，適當的進行取值，使系統性能更優越。積分部分可以消除系統偏差，當

T

比較大時，不宜采用積分的方式，雖然系統不能產生振蕩，但是消除偏差利用的時間較長，當

T

比較小時，采用積分的方式作用較強，系統可能會產生超出范圍，但消除偏差所利用的時間較短。系統進行微分可以調整閉環系統的穩定性以及系統響應的速度，

T

較大，微分越強，

T

越小，微分作用則越弱，在

T

選取適當的狀態下，能夠減弱超調，加快調節速度，使系統的穩態誤差減小，提高系統控制精準度。基于上述的分析，將調節器的積分時間置于最大

T

=∞，微分時間

T

=0，比例度帶

δ

取值較大時，將系統啟動運行，等系統運行穩定后，將比例度

δ

逐漸減小，直至系統出現等幅振蕩過程，記錄臨界值比例帶

δ

和臨界振蕩周期

T

的值，進而運算出調節器各個參數的值，即

K

、

K

和

K

的值。

步驟二：智能閥門模糊控制。

設模糊控制輸入設定值的誤差用

x

表示，誤差變化率用

y

表示，輸出控制量用

z

表示。

x

、

y

、

z

的語言值的集合分別設為：

(3)

(4)

(5)

(6)

總的模糊關系為：

(7)

(8)

采用Mamdani的極大極小推理法：

(9)

(10)

(11)

對輸入變量

e

的論域取值為：

X

={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，其中模糊子集記為：

E

={

NB

,

NS

,

NO

,

PS

,

PB

},式中

NB

,

NS

,

NO

,

PS

,

PB

五個值分別代表：負大、負小、零、正小、正大，其中，

PB

的隸屬度函數為：

(12)

PS

的隸屬度函數為：

(13)

利用中位數判決法，進行對論域元素計算，所對應論域元素

U

作為判決輸出，滿足：

(14)

當加權系數

k

(

i

=1,2,…,

I

)選取適當值時，模糊量的判決輸出方程式為：

(15)

誤差語言變量

E

所取的模糊子集的論域為：

X

={-

n

，-

n

+1,…,0,…,

n

-1,

n

}

(16)

誤差變化變率語言變量

Ec

所取的模糊子集的論域為：

Y

={-

m

,-

m

+1,…,0,…,

m

-1,

m

}

(17)

控制量語言變量

U

所取的模糊子集的論域為：

Z

={-

l

,-

l

+1,…,0,

l

-1,

l

}

(18)

進行模糊處理過之后的量化因子誤差和誤差變化用公式表示為：

K

=

n/e

(19)

(20)

控制量進行輸出的比例因子方程式為：

K

=

u

/l

(21)

式(19)～(21)中，基于

K

,

K

,

K

各自對系統性能的影響情況，進行參數調節，當系統發散時，根據系統發散的程度以較大的幅度減小

K

，當系統振蕩時，根據振蕩的程度試單減小

K

，當系統存在的誤差取值較穩定時，依據相對誤差的大小進行合適的增加

K

，同時以較小幅度增大

K

，當系統運行反映時間較長時，依據運行反應的時間以適當較小的幅度進行減小

K

，當超調范圍較大時，依據超調范圍的大小合適地加大

K

。

步驟三：智能閥門的Fuzzy-PI復合控制。

假設

e

表示閥門開度偏差，

ec

表示閥門開度偏差變化率，

u

,

u

,

u

,

u

表示電磁閥開啟時間，將偏差劃分為：正大偏差、正偏差、負偏差、負大偏差四區，當在正大偏差范圍內，即

e

≥

e

時，取

e

=

e

；當在正偏差范圍內，即

e

≥

e

≥0時，

e

不變；當在負偏差范圍內，即-

e

≥

e

≥-

e

時，

e

不變；當在負大偏差范圍內，即-

e

≥

e

時，取

e

=-

e

。

綜上所述，采用PID控制器和FUZZY-PI復合算法，利用FUZZY-PI復合控制同時結合PID控制的優點，考慮到偏差判別與條件控制、多路轉換開關與信號轉換，實現了智能閥門的精準控制。

3 智能閥門定位器的設計

由于工業上對智能閥門對調節閥控制精度和穩定性的要求很高，因此本文設計了一種智能閥門定位器系統，該智能閥門定位器以MSP430單片機為核心，包括采樣模塊、外部數字指令、電源模塊、人機交換模塊、閥位輸出與報警模塊、調節和執行機構六個模塊，智能閥門定位器系統結構圖如圖2所示。

圖2 智能閥門定位器系統結構圖

該智能閥門定位器不僅能夠精確定位，還可以自我診斷、自我調節等多種功能。該智能閥門定位器系統將接收到的4～20 mA設定信號轉換為數字信號，傳送至微處理器進行處理，同時將閥門開度信息通過位移傳感器轉化為電信號反饋給微處理器，微處理器將數字信號與電信號進行比較，若偏差不在正常范圍內，采用電磁閥切斷狀態的方式。

該系統的中央控制單元采用的是MSP430F5438微控制器，該微控制器具有16位的RISC結構，有超低功耗低的優點，并且有5種時鐘源、512 kB的FLASH ROM和66 kB的RAM、12位8通道以及SPIUART通信接口。

智能閥門定位器采用直流24 V作為電源，電磁閥是24 V驅動且對電壓波動敏感，因此采用24 V電壓進行穩壓處理，通過光耦控制通斷24 V電源來實現系統輸出的24 V報警信號，經過穩壓二極管和光耦隔離后輸入到單片機。

智能閥門定位器的電氣轉換單元由4個兩位三通電磁閥構成，通過單片機的I/O口驅動光耦，講過光耦驅動三極管進行驅動電磁閥。實現智能閥門定位器的精確定位與自我診斷、自調整功能。

4 實驗結果與分析

為了驗證本文研究的智能閥門設計與控制的有效性，做了相關實驗進行驗證，首先對實驗平臺進行搭建，本文采用空載狀態下進行實驗，無介質的反作用力以及平衡力，實驗平臺是在LabVIEW軟件上進行搭建的，本次實驗環境參數如表1所示。

表1 實驗環境參數

本次實驗搭建的實驗架構示意圖如圖3所示。

圖3 實驗架構示意圖

實驗平臺搭建好之后，進行實驗的數據是采用某工程智能閥門檢測出的數據，實驗數據如表2所示。

表2 實驗數據

首先進行對智能閥門控制速度進行測試，測試結果并與文獻[1]和文獻[2]進行對比，實驗結果對比圖如圖4所示。

圖4 實驗結果對比圖

由圖4所示，實線表示的是本文研究的系統在智能閥門控制趨于穩定時所消耗的時間，在4 s時刻，智能閥門控制趨于穩定并且接近于1；長虛線表示的是文獻[1]在智能閥門控制趨于穩定時所消耗的時間，在4.7 s時刻，智能閥門控制趨于穩定，穩定值在0.92，與本文研究的系統相比略有不足；短虛線表示的是文獻[2] 在智能閥門控制趨于穩定時所消耗的時間，在5 s時刻，智能閥門控制趨于穩定，穩定值在1.02，與本文研究的系統相比存在不足；由此可見本研究的系統在智能閥門控制上反應的速度較快，并且穩定性較好。

基于對智能閥門控制速度測試的實驗上，進行對智能閥門控制精度進行測試，實驗結果對比如圖5所示。

圖5 實驗結果對比圖

由圖5所示，本文研究的系統對智能閥門控制精確度進行測試時，智能閥門控制的精確度均在80%以上，并且控制的精確度最高可達95%；文獻[1]在智能閥門控制精確度實驗測試時，智能閥門控制的精確度均在60%以上，并且控制精確度最高可達82%；文獻[2]在智能閥門控制精確度實驗測試時，智能閥門控制的精確度均在60%以上，并且控制精確度最高可達79%；由此可見，本文研究的系統在對智能閥門控制精確度上有一定的優勢。

5 結束語

為了滿足工業生產中對智能閥門控制精度、控制速度和控制精確度極高的標準，本文進行了對智能閥門設計與控制方法的研究，設計了智能閥門硬件系統，包括電氣轉換模塊、微處理器、信號處理模塊和閥位反饋模塊4個部分，采用以主控制器LPC2290為核心，以及A/D轉換器和CAN總線進行通信，實現了智能閥門的控制功能，為了提高智能閥門控制的精確度，本文利用PID控制器和FUZZY-PI復合算法，進行對智能閥門的控制設計，實現智能閥門的高精度控制，最后設置了智能閥門定位器系統，實現智能閥門的高精度定位與自我診斷的功能。

本文研究的系統還存在著一定的缺陷，在調節閥填料與閥桿之間存在動靜摩擦力，導致閥門運動時產生粘滯現象，因此，還需更深一步的研究，解決該問題。