基于參數(shù)整定的氣動閥門定位裝置最優(yōu)控制策略研究

摘 要：本文旨在探討參數(shù)整定支持下，如何制定氣動閥門定位裝置最優(yōu)控制策略。本文提出了一種五步開關控制算法，作為氣動閥門定位的基本控制框架。該算法通過優(yōu)化開關信號的切換順序，減少了控制過程中的延遲或者超調現(xiàn)象。摩擦力的存在會顯著延長定位裝置的響應時間，而不適當?shù)倪M氣、排氣量則可能導致閥門的滯后現(xiàn)象，從而降低定位精度。本文為氣動控制領域提供了一種有效的控制方法，推動了氣動控制技術的發(fā)展。

關鍵詞：參數(shù)整定；五步開關控制算法；摩擦力

中圖分類號：TH 134 " 文獻標志碼：A

氣動閥門廣泛應用于各種流程控制系統(tǒng)中，其性能直接影響生產(chǎn)效率。隨著工業(yè)智能化發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對氣動閥門的定位精度以及響應速度的要求越來越高。但是在實際生產(chǎn)過程中，氣動閥門在實際運行中常受到摩擦力、進氣量、排氣量等因素的影響，導致定位精度不足、響應遲緩等問題。為解決這一問題，相關研究人員引入?yún)?shù)整定理論，嘗試制定一種控制方法來實時調整參數(shù)，以適應不同工況下的需求，提升閥門的動態(tài)響應能力。

1 五步開關控制算法

五步開關控制算法是一種將Bang-Bang控制與PWM控制相結合的控制策略。通過這種方式提高氣動閥門定位裝置的控制精度、穩(wěn)定性以及響應速度（如圖1所示）。

本次研究中，根據(jù)閥門實際位置與目標位置的偏差，調整PWM信號的占空比，通過PWM信號控制氣動閥門的開度，使閥門緩慢接近目標位置。而死區(qū)的設計主要是為了防止閥門在目標位置附近頻繁切換，提高控制穩(wěn)定性而設置的一個區(qū)間。當閥門實際位置進入死區(qū)范圍時，控制器不再輸出Bang-Bang信號，而是采用PWM控制。在死區(qū)范圍內，繼續(xù)采用PWM控制，直至閥門穩(wěn)定在目標位置，通過PWM信號控制氣動閥門的開度，使閥門在死區(qū)內緩慢調整[1]。

2 摩擦力對定位裝置的影響

在氣動閥門中，摩擦力主要來源于閥桿與閥體之間的接觸、填料材料的摩擦以及閥門在運行過程中的磨損。閥桿與閥體的接觸面積、表面光潔度以及潤滑情況都可能對摩擦力產(chǎn)生影響。此外，填料材料的選擇也是一個重要因素，不同材料的摩擦特性不同（見表1）。

分析表1可以發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯（PTFE）與石墨在摩擦系數(shù)上有明顯差異，前者具有較低的摩擦力，因此在控制精度以及響應速度方面表現(xiàn)更優(yōu)秀。

此外，研究人員要通過試驗深入分析摩擦力對閥位運動的影響，結果見表2。

分析表2可以發(fā)現(xiàn)，在理想情況下（無摩擦力），氣動閥門能夠達到目標位置的準確度可高達100.03%FSR（Full Scale Range）。然而，隨著摩擦力增加，從20N到90N，閥位最終達到的位置分別降至95.2%FSR、89.6%FSR、84.3%FSR、79.3%FSR、72.8%FSR。這一趨勢表明，摩擦力的增加直接導致閥位運動距離縮短，最終影響系統(tǒng)的控制精度。在閥位啟動階段，摩擦力的增加會導致閥位到達目標位置的時間延長[2]。這是由于啟動時，閥門需要克服靜摩擦力才能開始移動，而一旦克服后，運動的動態(tài)摩擦力會相對較小。因此，摩擦力的增加不僅影響閥位的最終位置，還增加了系統(tǒng)的響應時間。

3 進氣量/排氣量對定位裝置的影響

在氣動系統(tǒng)中，進氣量與排氣量是否平衡，決定了氣缸內壓力的變化情況，進而也影響閥位的移動速度以及最終定位的準確性。本次研究中，研究人員設計了一種手動調節(jié)進氣量的輔助定位裝置。該裝置主要由裝置體、流量調節(jié)手輪、推桿、桿芯、不銹鋼彈簧、進氣嘴、出氣腔、進氣腔以及步進電機等部位組成。通過旋轉流量調節(jié)手輪，操作者能夠方便地調節(jié)出氣腔與進氣腔之間的開度，從而實現(xiàn)對進氣量、排氣量的精確控制，如圖2所示。

在本次研究中，研究人員逐步改變流量調節(jié)手輪的開度，將開度檔位設為100%、90%、70%、60%、50%、40%、30%，觀察不同進氣量下閥位的響應特性。隨后，將同樣的方法應用于排氣階段，以驗證排氣量對定位器性能的影響，結果如圖3所示。

對圖3所展示的試驗數(shù)據(jù)進行詳細分析，研究人員發(fā)現(xiàn)在充氣階段，隨著進氣量逐步增加，閥位的響應速度也隨之顯著提升。具體來說，當閥門的開度達到100%時，可以看到閥位的移動速度顯著加快，其平均運行速度較大，幾乎接近閥門的最大行程范圍[3]。這一現(xiàn)象進一步表明，在充氣過程中，進氣量是決定閥位動態(tài)響應速度的關鍵因素。

4 參數(shù)整定

4.1 行程類型整定

本次研究中，研究人員需要先確定正行程、反行程具體參數(shù)，采用Bang-Bang控制策略，即發(fā)送排氣、進氣指令，通過這種方式改變閥位。通過觀察閥位的變化，判斷閥門的行程類型。正行程通常指閥門在開合過程中，閥位隨著氣源壓力的增加而上升；反行程則表現(xiàn)為閥位在氣源壓力增加時降低。通過這一過程，系統(tǒng)可以清晰地識別調節(jié)閥的運行特性，進而為后續(xù)的參數(shù)整定打下基礎。

4.2 最小啟動PWM整定

針對單作用氣缸的調節(jié)閥，確定最小啟動PWM（脈寬調制信號），確保閥位開始移動。研究人員在整定過程通過逐步增大PWM值，觀察閥位是否開始移動。當PWM值達到一定閾值時，閥位開始響應，該參數(shù)即為最小啟動PWM。這一參數(shù)不僅影響閥位的啟動速度，也關系閥門的可靠性。過低的PWM值可能導致閥門無法啟動，而過高的PWM值則可能引發(fā)不必要的磨損，如公式（1）所示。

PWMmin=k?（Tr-Tu）+Tu （1）

式中：PWMmin為最小啟動PWM值；k為整定系數(shù)，即PWM信號與閥門響應特性的關系；Tr為目標響應時間；Tu為閥門啟動延遲時間。

本次研究中，研究人員通過調整系數(shù)以及記錄不同的Tu與Tu的值計算相應的最小啟動PWM值。基于該公式，研究人員確定閥門開始移動的最小PWM值，確保閥門在適當?shù)膯訔l件下操作，從而避免過低或過高PWM值帶來的問題（詳見表3）[4]。

4.3 最大速度及其過沖量整定

在整定過程中，對每個控制周期內的閥位數(shù)據(jù)進行采樣，記錄閥位的變化量以及時間間隔，從而得出閥位速度。如果在1s內閥位變化10%，那么當前速度為10%/s。過沖量則是指閥位在達到設定位置時超出目標位置的幅度，如果設定位置為100%，而實際閥位達到的最大值為105%，那么過沖量為5%。上述兩項參數(shù)直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。過大的過沖量可能導致系統(tǒng)振蕩或不穩(wěn)定，因此，整定時，需要平衡速度與穩(wěn)定性。研究人員將比例增益設置為Kp=1.5，積分增益設置為Ki=0.5，從而在快速響應的同時，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.4 基準速度與基準速度PWM整定

整定過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)在最大過沖量范圍內逐漸逼近死區(qū)，通過觀察閥位的變化情況，最終確定合適的基準速度。具體實踐中，最大過沖量被控制在3%以內，且死區(qū)寬度為2%。經(jīng)過多次試驗，研究人員確定基準速度為20%/s，這一速度能夠在最小過沖量下實現(xiàn)快速響應的目標。確定基準速度后，研究人員調整相應的PWM值，以確保在該速度下閥位能維持穩(wěn)定運行。適當?shù)幕鶞仕俣纫约癙WM設置能夠提高系統(tǒng)的響應性，使調節(jié)閥在動態(tài)變化中保持較好的控制效果。

5 基于參數(shù)整定的最優(yōu)控制策略

基于上述研究成果，研究人員擬定了一套完整的基于參數(shù)整定的氣動閥門定位裝置最優(yōu)控制策略，如圖4所示。

控制過程被細分為7個區(qū)間，即快速區(qū)、降速區(qū)、微調區(qū)、死區(qū)。這種分區(qū)方法使控制策略能夠根據(jù)閥位變化的不同狀態(tài)動態(tài)調整控制方式，從而實現(xiàn)最佳的響應效果。其中，快速區(qū)采用Bang-Bang控制策略，能夠迅速減少系統(tǒng)誤差，確保閥位快速接近設定值。此時，控制信號的輸出狀態(tài)為全開/全關，避免了控制過程中的延遲。一旦閥位進入降速區(qū)，控制方式轉向基準速度PWM控制。在該階段，控制系統(tǒng)會通過實時監(jiān)測閥位速度，逐步降低調節(jié)閥的開度，控制信號的輸出頻率逐漸減小。此時，系統(tǒng)會根據(jù)閥位的變化，自動調整PWM信號，以確保閥位以適宜的速度接近目標值，避免因過快運動導致超調。當閥位接近目標值時，系統(tǒng)進入微調區(qū)。在這一階段，采用最小啟動PWM控制，進一步精細調整閥位。PWM信號以4%的幅度逐步減小，確保閥位在接近目標值時不會發(fā)生劇烈波動。本次研究中，死區(qū)范圍設定為0.5%FSR。在這一范圍內，閥位保持不變，控制系統(tǒng)停止進氣或排氣，以避免頻繁的操作引起系統(tǒng)不必要的波動[5]。

6 結語

本文對氣動閥門定位裝置的控制策略進行了深入探討，采用五步開關控制算法分析了影響定位裝置的多種因素，通過參數(shù)整定，提出了基于這些因素的最優(yōu)控制策略，為提升氣動閥門的響應速度、精度提供了有效的解決方案。通過本次研究，研究人員得出以下結論。1）本文采用的五步開關控制算法在實際應用中具有優(yōu)越的響應特性，能夠迅速將閥門定位至目標值，顯著減少了控制過程中的超調與震蕩現(xiàn)象，提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2）通過分析摩擦力以及進氣量/排氣量對定位裝置的影響發(fā)現(xiàn)，摩擦力對閥門的開啟與關閉速度具有顯著影響，而合理調節(jié)進氣量、排氣量能夠有效改善閥門的動態(tài)響應。這一發(fā)現(xiàn)為實際操作中優(yōu)化氣動系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。3）研究表明，通過精確的參數(shù)整定可以大幅提高閥門定位的精度與穩(wěn)定性，進而優(yōu)化整個氣動系統(tǒng)的性能。

參考文獻

[1]金縱橫，尚群立，于智利，等.智能氣動閥門定位系統(tǒng)動態(tài)特性研究[J].高技術通訊，2024，34（4）：420-428.

[2]王懷康，趙立業(yè).改進預估模糊PID控制在氣動閥門定位系統(tǒng)中的應用[J].組合機床與自動化加工技術，2023（1）：142-146.

[3]陳二鋒，丁建春，武園浩，等.氣動閥門顫振的局部穩(wěn)定與全局穩(wěn)定特性[J].航空動力學報，2018，33（3）：663-670.

[4]石朝鋒，薛立鵬，張連萬，等.氣動閥門運動特性研究[J].導彈與航天運載技術，2018（1）：41-44.

[5]鄭麗麗，王志國，劉飛.模糊聚類下氣動閥門粘滯檢測方法的改進[J].機械科學與技術，2018，37（2）：300-305.