壓電式閥門定位器參數(shù)尋優(yōu)自整定方法
壓電式閥門定位器執(zhí)行機(jī)構(gòu)種類繁多，其控制參數(shù)存在較大差異。傳統(tǒng)的參數(shù)自整定方法沒有整定出能夠反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)本質(zhì)特性的重要參數(shù)。我們提出的參數(shù)自整定方法，通過對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做開環(huán)測(cè)試，整定出閥位最大運(yùn)行速度，最大過沖量;采用逐次逼近和分段查找的方法，快速整定出目標(biāo)位置的最佳PWM占空比;使用分段線性化的方法，獲得任意位置的最佳PWM占空比。在基于MSP430F5418單片機(jī)的硬件系統(tǒng)上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)自整定和控制，針對(duì)不同的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，使得PWM個(gè)數(shù)減少到10個(gè)以內(nèi)，調(diào)節(jié)時(shí)間小于1s，無(wú)超調(diào)。
1、引言
閥門定位器作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的核心部件，通過接受給定信號(hào)和閥位反饋信號(hào)，利用合適的控制策略實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確定位。閥門定位器的工作過程主要分為參數(shù)自整定和閉環(huán)控制兩部分，閉環(huán)控制算法根據(jù)參數(shù)自整定的結(jié)果來(lái)完成控制過程，使閥位按照預(yù)期的設(shè)定，快速地進(jìn)入目標(biāo)位置。
閉環(huán)控制中所使用的控制算法是閥門定位器的核心，不同的公司對(duì)于不同類型的閥門定位器，根據(jù)其主要特性選擇不同的控制算法。在國(guó)外，德國(guó)西門子公司壓電式SIPARTPS2系列采用的是五步開關(guān)法作為主控制算法;日本山武公司噴嘴擋板式SVP3000系列采用的是微分先行的PID算法。
在國(guó)內(nèi)，重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司壓電式HVP系列采用的是五步開關(guān)法;天津大學(xué)研制了五步開關(guān)模糊控制算法;杭州電子科技大學(xué)SEVP型采用在線辨識(shí)和人工智能的方法;合肥工業(yè)大學(xué)和重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司針對(duì)傳統(tǒng)的五步開關(guān)法用于壓電開關(guān)式閥門定位器控制時(shí)，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度過大，經(jīng)常出現(xiàn)超調(diào)和振蕩的情況，提出了帶反向PWM的五步開關(guān)法。
在閥門定位器的控制中，選擇了相應(yīng)的控制策略以后，就需要針對(duì)控制算法以及相應(yīng)的閥門類型提出最優(yōu)的參數(shù)自整定方法，通過該參數(shù)自整定算法能夠準(zhǔn)確并完整地整定出能夠反映閥門特性的以及控制算法中的控制參數(shù)，從而保證控制算法的控制精度和良好的適應(yīng)性。由于氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)種類繁多，其靜、動(dòng)態(tài)特性一致性較差，在控制過程中，工作載荷和氣室的氣壓均是變化的，其被控參數(shù)是時(shí)變、非線性及不確定的，精確的數(shù)學(xué)模型難以建立，這就造成了控制參數(shù)的不確定，靠單純的經(jīng)驗(yàn)所給出的控制參數(shù)不具有普遍適用性，且調(diào)整過程繁瑣。因此，對(duì)閥門定位器進(jìn)行參數(shù)自整定是閉環(huán)控制之前的首要任務(wù)。參數(shù)自整定的優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)的最終控制效果。西門子公司通過對(duì)泄漏量和最小定位增量的測(cè)試，獲得了較好的控制效果;天津大學(xué)在自整定過程中采用分段線性化的方法進(jìn)行最小定位增量的測(cè)試，獲得合理的控制參數(shù)。本文針對(duì)帶反向PWM的五步開關(guān)法，提出相應(yīng)的參數(shù)自整定方法，在閥門的自整定過程中，自動(dòng)辨識(shí)出最大速度、最大過沖量和任意位置的最佳占空比，有效地確保帶反向PWM五步開關(guān)法的控制效果。
2、帶反向PWM的五步開關(guān)控制算法
傳統(tǒng)的五步開關(guān)法采取的是Bang-Bang(以下簡(jiǎn)稱B-B)控制和正向PWM相切換的方法，B-B控制是指在閥位距離目標(biāo)位置較遠(yuǎn)時(shí)，將進(jìn)氣口(或排氣口)全開，對(duì)閥位進(jìn)行全速調(diào)節(jié);正向PWM控制是指當(dāng)閥位靠近目標(biāo)位置，在一定范圍內(nèi)按照設(shè)定的周期和占空比，輸出PWM波，然后再通過判斷該電平，若是高電平將進(jìn)氣口(或排氣口)打開;若是低電平則進(jìn)行保持，以此來(lái)達(dá)到減速的目的。但是，該方法只能在一定程度上控制速度，對(duì)于速度較快的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，仍會(huì)出現(xiàn)超調(diào)甚至振蕩。
為了解決傳統(tǒng)的五步開關(guān)法在控制過程中存在的問題，提出了帶反向PWM的五步開關(guān)法，反向PWM控制和正向PWM控制相似，只是在高電平情況下進(jìn)氣和排氣的狀態(tài)相反，其基本原理如圖1所示。當(dāng)誤差較大時(shí)，閥位位于快速區(qū)，此時(shí)采用B-B控制，快速減小誤差;當(dāng)誤差較小，但速度較大時(shí)，閥位位于降速區(qū)，此時(shí)采用反向PWM控制，迅速減小閥位速度;當(dāng)誤差較小，且速度也較小時(shí)，閥位位于微調(diào)區(qū)，此時(shí)采用正向PWM控制，緩慢逼近目標(biāo)位置;只有當(dāng)誤差與速度都很小時(shí)，閥位才進(jìn)入死區(qū)。由于控制算法中涉及B-B控制和PWM控制的切換，所以需要根據(jù)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇不同的切換點(diǎn);而反向PWM的切換是根據(jù)閥位速度來(lái)確定，如何確定該速度也是關(guān)鍵的問題;又由于正向PWM控制是該算法的核心，所以如何實(shí)現(xiàn)對(duì)最佳占空比的精確尋找，決定了最終的控制效果。這些關(guān)鍵參數(shù)均需要在自整定過程中確定，因此，參數(shù)自整定將保證控制算法的精度，且能增強(qiáng)控制算法的普遍適用性。
圖1 帶反向PWM的五步開關(guān)法相平面圖
3、參數(shù)自整定過程
針對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)種類繁多，特性差異較大的問題，提出自尋優(yōu)自整定算法，能夠自動(dòng)辨識(shí)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程類型、端點(diǎn)位置、最大運(yùn)行速度、最大過沖量、純延時(shí)以及最佳占空比等參數(shù)，有效地抑制了系統(tǒng)超調(diào)，并顯著提高控制速度、控制精度以及普遍適用性。
圖2 參數(shù)自整定過程曲線
3.1、確定行程類型
閥門定位器壓電閥內(nèi)部引出4個(gè)端子A、B、C、D，其中AD端子控制進(jìn)氣，用邏輯值表達(dá)4個(gè)端子的狀態(tài)為1001，BC端子控制排氣，邏輯值表達(dá)為0110，保持狀態(tài)為0000。又因?yàn)殚y門定位器按行程類型分為正行程和反行程，對(duì)于正行程閥門定位器，進(jìn)氣時(shí)閥位減小，排氣時(shí)閥位增大，而反行程則正好相反，因此首先要判斷行程類型，也就是真值表和閥位方向的關(guān)系。參數(shù)自整定第一步如圖3所示。
3.2、測(cè)試開環(huán)特性
圖3 Step1參數(shù)自整定流程圖
這一步的主要目的是通過開環(huán)實(shí)驗(yàn)，求取執(zhí)行機(jī)構(gòu)開環(huán)特性，從而整定出閥門定位器的上升和下降的純延時(shí)、調(diào)節(jié)時(shí)間、最大運(yùn)行速度、最大速度位置等參數(shù)以及行程端點(diǎn)位置。因?yàn)�，�?zhí)行機(jī)構(gòu)在進(jìn)氣過程和排氣過程中的特性差異明顯，因此，進(jìn)氣過程和排氣過程的參數(shù)需分別整定。具體方法為：首先，根據(jù)自整定第1)步整定得到的行程類型，控制閥門定位器以全開的方式從底端運(yùn)行到頂端，測(cè)量上升過程斜率最大的點(diǎn)，即最大速度Vup、最大速度位置Lup、從進(jìn)氣開始到閥位開始動(dòng)作的時(shí)間差，即為純延時(shí)τup、閥位從底點(diǎn)到頂點(diǎn)時(shí)間，即調(diào)節(jié)時(shí)間Tup以及頂端位置Ltop和底端位置Lbuttom。然后，控制閥位以全開方式從頂端位置運(yùn)行到底端位置，測(cè)量下降過程斜率最大點(diǎn)，即最大速度Vdown、最大速度位置Ldown、從排氣到閥位動(dòng)作時(shí)間差，即純延時(shí)τdown以及閥位從頂點(diǎn)到底點(diǎn)時(shí)間，即調(diào)節(jié)時(shí)間Tdown。由于活塞壓緊彈簧時(shí)，靠近端點(diǎn)位置處非線性特別嚴(yán)重，調(diào)節(jié)時(shí)間特別長(zhǎng)，因此，定義調(diào)節(jié)時(shí)間Tup為閥位從10%FSR位置上升到90%FSR位置的時(shí)間，Tdown為閥位從90%FSR位置下降到10%FSR位置的時(shí)間。
由于不同的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特性的不同，導(dǎo)致了調(diào)節(jié)時(shí)間較大的差異，因此，在開環(huán)測(cè)試過程中，需要保存較多數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開環(huán)特性，容易造成數(shù)據(jù)溢出、計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。因此，為了提高參數(shù)整定的可靠性，本文提出2點(diǎn)處理措施：1)根據(jù)自整定第2)步中自整定得到的調(diào)節(jié)時(shí)間，采用可變間隔的隔點(diǎn)抽取保存方法，如果調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，則選取較大的間隔來(lái)保存數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生溢出。2)由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中速度不是完全平穩(wěn)的，所以在計(jì)算速度時(shí)，通過保存一段時(shí)間的采樣值，然后計(jì)算5次速度，通過去最大值和最小值，再計(jì)算平均速度的方法，來(lái)消除隨機(jī)誤差，從而保證速度的準(zhǔn)確性。
3.3、確定最大過沖量
由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，存在機(jī)械慣性，這是因?yàn)樵诩炔贿M(jìn)氣也不排氣的情況下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍具有一定的速度，從而會(huì)產(chǎn)生過沖量。根據(jù)五步開關(guān)法，在誤差比較大時(shí)，采用B-B控制，在誤差較小時(shí)采用PWM控制，因此B-B控制與PWM控制之間切換點(diǎn)的選擇對(duì)最終的控制效果有很大影響，如果切換點(diǎn)離死區(qū)太遠(yuǎn)，則調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)太慢;如果切換點(diǎn)離死區(qū)太近，則容易產(chǎn)生超調(diào)。所以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所固有的機(jī)械慣性，選擇最大過沖量作為分界點(diǎn)。
由閥門定位器的開環(huán)特性實(shí)驗(yàn)可知，在滿量程范圍內(nèi)，閥位最大運(yùn)行速度處的過沖量最大。因此，定義最大過沖量為：閥位運(yùn)行到最大速度位置，控制端口給出保持邏輯以后，閥位繼續(xù)滑行的距離。
參數(shù)自整定第3)步流程圖如圖4所示。根據(jù)第2)步中所整定出的最大速度位置，在最大速度位置處，分別整定上升過程的最大過沖量Sup和下降過程最大過程量Sdown。將最大過沖量作為控制過程中B-B控制和PWM控制的分界點(diǎn)，從而保證了控制效果。
圖4 Step3參數(shù)自整定軟件流程圖
3.4、確定最佳PWM占空比
由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)種類繁多，且非線性特性嚴(yán)重，所以，閥門定位器在不同控制目標(biāo)位置所需要的PWM占空比是不同的。不同PWM占空比所對(duì)應(yīng)的閥位上升過程曲線和下降過程曲線如圖5所示。由圖可知，PWM占空比越小，閥位運(yùn)行速度越慢，調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，PWM占空比越大，閥位運(yùn)行速度越快，調(diào)節(jié)時(shí)間越短。因此，針對(duì)非線性特性比較嚴(yán)重的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，不同目標(biāo)位置對(duì)應(yīng)不同的PWM占空比。傳統(tǒng)的閥門定位器在使用五步開關(guān)法的過程中，PWM占空比一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出，不具有普遍適用性，對(duì)于非線性嚴(yán)重的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同一PWM占空比在某一目標(biāo)位置可能會(huì)因?yàn)檎伎毡忍髮?dǎo)致超調(diào)，而在另一位置可能會(huì)因?yàn)檎伎毡忍?dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)。所以，提出了在參數(shù)自整定過程中，確定最佳PWM占空比的方法。將整個(gè)行程分段，在不同的行程位置，使系統(tǒng)自動(dòng)辨識(shí)相應(yīng)的PWM占空比。
圖5 不同PWM占空比閥位響應(yīng)曲線
定義最佳定位速度
為 
，通過調(diào)節(jié)不同的PWM占空比，計(jì)算相應(yīng)的閥位運(yùn)行速度，與最佳定位速度 最相近的速度值所對(duì)應(yīng)的PWM占空比，即為該段的最佳占空比。為了獲得分辨率較高的最佳占空比，采用了逐次逼近、折半查找和分段線性化多種方法相結(jié)合的尋優(yōu)方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：1)使閥位運(yùn)行到目標(biāo)位置附近，初始化PWM占空比，在該占空比狀態(tài)下，控制閥位從目標(biāo)位置?2.5%FSR位置運(yùn)行到目標(biāo)位置+2.5%FSR位置，計(jì)算目標(biāo)位置±2.5%FSR范圍內(nèi)的平均速度V。2)若V> ，則以10/100的幅度增加PWM占空比，按步驟1)的方法繼續(xù)控制，并測(cè)量此時(shí)的平均速度;若V> ，則以10/100的幅度減小PWM占空比，按步驟1)的方法繼續(xù)控制。3)假設(shè)PWM占空比為D1時(shí)，平均速度V1> ，而PWM占空比為D2時(shí)，平均速度V2< ，開始折半查找，設(shè)置PWM占空比為D2+5/100，按步驟1)的方法繼續(xù)控制，測(cè)量此時(shí)的平均速度為V3。若V3≤ ，則通過分段線性化，可得最佳占空比D為 
若V3≥ ，則最佳占空比D為 
4)分別尋找10%FSR、30%FSR、50%FSR、70%FSR、90%FSR位置最佳占空比D，再通過分段線性化，確定每個(gè)目標(biāo)位置對(duì)應(yīng)的最佳占空比，最后，將分段線性擬合系數(shù)保存在EEPROM中。
在參數(shù)自整定過程中，最重要的控制參數(shù)為最大運(yùn)行速度、最大過沖量和最佳PWM占空比，其中，最大運(yùn)行速度的大小決定了最大過沖量的大小，最大運(yùn)行速度越大，表明該閥門所帶負(fù)載越輕，氣缸越小，最佳PWM占空比也越小。因此，最大過沖量和最佳PWM占空比的整定結(jié)果直接影響了控制效果，而最大運(yùn)行速度則代表了閥門本身的特性，是最重要的參數(shù)。
3.5、單片機(jī)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)硬件由重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司研制，MCU采用的是TI公司的MSP430F5418型號(hào)單片機(jī)，該單片機(jī)不但具有超低功耗的特性，而且功能強(qiáng)大。本系統(tǒng)參數(shù)自整定軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將自整定整個(gè)過程分為4個(gè)模塊：模塊一是行程類型確定;模塊二是開環(huán)特性確定;模塊三是最大過沖量確定;模塊四是最佳占空比確定。自整定各個(gè)模塊獨(dú)立工作，按照流程依次整定得出所需參數(shù)。參數(shù)自整定流程圖如圖6所示。
圖6 參數(shù)自整定流程圖
4、參數(shù)自整定效果
在五步開關(guān)法中，閥位的速度主要由PWM占空比決定，如果閥位速度太大，則會(huì)導(dǎo)致超調(diào)甚至是振蕩;如果閥位速度太小，則會(huì)造成調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)。傳統(tǒng)的五步開關(guān)法的PWM占空比是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的，在整個(gè)行程范圍內(nèi)使用的是相同的PWM占空比，不但會(huì)造成同一執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同行程位置控制效果的明顯差距，而且不具有普遍適用性。經(jīng)過新的自整定方法整定出的最佳PWM占空比，是經(jīng)過分段線性化得到的，不同的行程位置得出不同的PWM占空比，反映了執(zhí)行機(jī)構(gòu)自身的特性，在整個(gè)行程范圍內(nèi)的控制效果明顯改善，而且具有普遍適用性。
將新的自整定方法在硬件系統(tǒng)上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)以后，在重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司對(duì)不同類型的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了自整定，并根據(jù)自整定所得到的參數(shù)進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)，考核其有效性。對(duì)于2型帶石墨負(fù)載氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，因?yàn)槠湄?fù)載較輕，執(zhí)行器速度較快，在不使用整定最佳占空比的方法進(jìn)行控制時(shí)，控制過程經(jīng)常出現(xiàn)超調(diào)和振蕩的現(xiàn)象。因此，以2型直行程氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶石墨負(fù)載時(shí)的控制效果為例，比較參數(shù)自整定前后的控制效果。
參數(shù)自整定之前的控制效果如圖7和圖8所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定B-B控制與PWM控制之間的分界點(diǎn)以及PWM占空比的大小。設(shè)定死區(qū)范圍為0.4%FSR，給定信號(hào)從4mA開始按給定階躍信號(hào)6%FSR逐漸增加到13mA。由圖7可知，隨著閥位的上升，由于非線性的原因，正向PWM個(gè)數(shù)逐漸增多，調(diào)節(jié)時(shí)間逐漸變長(zhǎng)。圖8所示為9~10mA階躍變化時(shí)，控制效果局部放大圖，正向PWM個(gè)數(shù)為6個(gè)，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.83s。
參數(shù)自整定自后的控制效果如圖9和圖10所示。由參數(shù)自整定得出最大過沖量，最大速度以及最佳占空比等參數(shù)，設(shè)定死區(qū)范圍為0.4%FSR，給定信號(hào)從4mA開始按給定階躍信號(hào)6%FSR逐漸增加到12mA。由圖9可知，隨著閥位的上升，不同目標(biāo)位置，調(diào)節(jié)時(shí)間差不多，正向PWM個(gè)數(shù)沒有增加，與參數(shù)自整定之前的控制效果相比有明顯的改善。圖10所示為9~10mA階躍變化時(shí)，控制效果局部放大圖，正向PWM個(gè)數(shù)為2個(gè)，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.69s。參數(shù)自整定以后，PWM控制個(gè)數(shù)減少，調(diào)節(jié)時(shí)間減小。
圖7 參數(shù)自整定前控制效果圖
圖8 參數(shù)自整定前控制效果局部放大圖
圖9 參數(shù)自整定后控制效果圖
圖10 參數(shù)自整定后控制效果局部放大圖
5、結(jié)論
確定出B-B控制和PWM控制的分界點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)最大過沖量的關(guān)系，通過整定出最大速度位置處的過沖量，作為控制過程中B-B控制和PWM控制的分界點(diǎn)，從而保證了控制時(shí)間并且不易產(chǎn)生超調(diào)。在參數(shù)自整定過程中，根據(jù)最佳定位速度尋找不同位置的最佳PWM占空比，實(shí)現(xiàn)控制過程中任意位置PWM占空比的實(shí)時(shí)計(jì)算，減小控制脈沖的個(gè)數(shù)，加快閥門定位器的定位速度，對(duì)于不同類型閥門定位器能夠根據(jù)實(shí)際情況，準(zhǔn)確地確定出最佳PWM占空比。在基于MSP430F5418的硬件系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了閥門定位器的參數(shù)自整定和閉環(huán)控制，針對(duì)不同類型的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與傳統(tǒng)五步開關(guān)法的控制結(jié)果相比，效果改善顯著。
