王庭康

（江西銅業(yè)集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

智能型閥門定位器在冶金、石化、電力等行業(yè)的流量控制中得到廣泛的應(yīng)用。但是，國內(nèi)產(chǎn)品普遍存在流量調(diào)節(jié)的速度慢、流量控制精度低的一些缺點［1］。

作者就流量特性和位置反饋進行非線性修正研究，并對控制算法進行改進，以實現(xiàn)更高精度流量控制。

2 定位器的流量特性

2.1 流量特性概述

流量調(diào)節(jié)閥因閥芯幾何結(jié)構(gòu)不同，而流量特性也不同，主要流量特性包括：直線、等比、拋物線和快開等四種［2-3］。

智能型閥門定位器流量特性表達了定位器給定信號和閥門開度間的函數(shù)關(guān)系［2］。其原理是定位器根據(jù)給定信號控制壓電閥，然后膜片閥驅(qū)動閥桿運動，并保證信號與位移之間的函數(shù)關(guān)系，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥對應(yīng)的流量特性［3］。其實質(zhì)是通過改變閥桿行程與閥位輸入信號的相互關(guān)系，達到實現(xiàn)智能閥門定位器線性、等百分比和快開流量特性。定位器可以配置在不同調(diào)節(jié)閥上，并通過自主選擇各種流量特性，從而達到實現(xiàn)不同流量特性的控制目的［3］。

2.2 流量特性曲線擬合

根據(jù)定位器的流量特性數(shù)據(jù)，應(yīng)用MATLAB進行曲線擬合，得到流量特性曲線及方程，流量特性曲線如圖1所示。

圖1 四種流量特性的曲線

采用不同擬合次數(shù)，曲線誤差見表1。

表1 流量特性與擬合曲線誤差比較

根據(jù)誤差平方和最小原則，同時考慮運算量的大小，選擇四次函數(shù)進行曲線擬合。快開特性曲線擬合數(shù)據(jù)不佳，采用指數(shù)擬合的方法［4］。

3 閥位反饋非線性修正

位置傳感器是高可靠旋轉(zhuǎn)型電位器，其作用是將機械直線位移量變換為角位移量電信號，執(zhí)行機構(gòu)閥桿機械結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

閥桿直線位移h與角位移θ之間的關(guān)系：

其中，α為連桿與閥桿垂直時轉(zhuǎn)過的角度，H為閥桿全行程的位移，A為連桿固定支點與閥桿之間的尺寸

電位器中間端電信號的采樣值D與角位移θ之間的關(guān)系為：

其中，D0為位置0%時對應(yīng)的采樣值，k為單位角度對應(yīng)的采樣值變化值［4］。

閥桿的直線位移量與轉(zhuǎn)動的角度之間是正切關(guān)系，角位移量與電位器電壓值之間是線性關(guān)系，經(jīng)過非線性修正后，將閥桿直線位移量與反饋量變換為線性關(guān)系。

圖2 執(zhí)行機構(gòu)閥桿機械結(jié)構(gòu)原理圖

4 控制算法

4.1 開關(guān)控制算法

開關(guān)控制算法是通過計算理想位置信號和位置反饋信號的差值，輸出相應(yīng)壓電閥控制信號，分別實現(xiàn)進氣、排氣或保持等三種工作方式。當差值大時，壓電閥全部打開，全速進氣，迅速運動到設(shè)定位置，達到粗調(diào)目的［5］；當接近設(shè)定閥位時，限制PWM控制信號的周期和占空比，實現(xiàn)微調(diào)；為避免頻繁振蕩，可設(shè)定死區(qū)的范圍 ，當偏差進入死區(qū)范圍，關(guān)閉壓電閥，以使閥位保持在當前的位置［5］。

PWM信號和偏差之間的函數(shù)關(guān)系，如公式（3）所示。

開關(guān)控制算法的實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 開關(guān)控制算法實現(xiàn)流程圖

4.2 開關(guān)控制算法的改進

壓電閥需高電平保持40ms以上，以保證閥芯可靠開啟；需低電平保持10ms以上，以保證閥芯可靠關(guān)閉，故此，按式（4）對占空比進行修正。

其中，da為修正后的占空比，ds為理想占空比，dmax表示最大占空比，dmin表示最小占空比。

薄膜調(diào)節(jié)閥在低閥位時，調(diào)節(jié)速度比較快；而在高閥位時，調(diào)節(jié)速度變慢。在相同的閥位誤差下，使PWM的占空比隨著閥位的升高而加大，改善高閥位時調(diào)節(jié)速度。因此，在上述開關(guān)算法占空比改進上，作者又增加了隨閥位線性隨動的占空比調(diào)整算法，具體表達式如式（5）。

5 實測實驗和誤差分析

實驗輸入信號為4～20mA的電流，輸出為位置反饋電壓信號。分別選擇定位器線性、等比1∶25、等比1∶50、反等比25∶1等流量特性曲線進行實驗，對實測的數(shù)據(jù)，使用MATLAB進行曲線擬合，如圖4所示。

圖4 實測閥位數(shù)據(jù)擬合曲線

實驗數(shù)據(jù)擬合及誤差分析流程圖如圖5所示，計算結(jié)果如表2所示。

圖5 實驗數(shù)據(jù)擬合及誤差分析流程圖

表2 改進前后誤差對比表

從以上數(shù)據(jù)可以看出，誤差主要來源于反饋機械自身的非線性因素，因此，對閥門定位器的非線性修正，可有效提高流量特性的精度［6］。

6 小結(jié)

作者通過曲線擬合方法，得到了智能型閥門定位器的流量特性函數(shù)方程，并根據(jù)調(diào)節(jié)閥的具體機構(gòu)特點，有效地改進了開關(guān)控制算法，有效縮短了調(diào)整時間。

證明了閥桿位移與反饋信號之間的非線性關(guān)系，并進行了有效地非線性修正，提高了智能型閥門定位器直線、等比和快開流量特性精度，非線性誤差為0.26%，重復(fù)度為0.45%，滯環(huán)誤差為0.46%，達到更高精度的流量控制要求。

［1］吳亞平,宋彥彥,方毅芳,等.智能閥門定位器的智能特性評測[J].中國儀器儀表. 2017(11):41-45.

［2］王江峰.壓電閥技術(shù)在智能閥門定位器中的應(yīng)用[J].自動化應(yīng)用,2016 (3) :38-39.

［3］楊菲,楊德偉.閥門定位器氣動傳動系統(tǒng)建模與MATLAB 仿真分析[J].機械制造, 2016(1):22-25.

［4］鄧君,孫宏泉,耿振,等. 基于MSP430的低功耗直行程智能閥門定位器[J]. 中國儀器儀表, 2017(11):39-43.

［5］李焱琪.基于模糊PID控制的智能電氣閥門定位器的實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程, 2016(11):94.

［6］張浩,王昕,王振雷,等.基于模糊Smith 控制的智能閥門定位器[J].實驗室研究與探索, 2017(5):4-9.