吳鳳民，拓萬(wàn)兵

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院信息工程學(xué)院，銀川 寧夏 750021）

1 引言

調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)化工業(yè)中非常重要的終端調(diào)控元件，具有較明顯的非線性時(shí)變特性，精確數(shù)學(xué)模型難以確立，控制過(guò)程中存在粘滯和死區(qū)，影響過(guò)程控制品質(zhì)。利用閥門定位器可以更加精確的對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，提高控制質(zhì)量。

閥門定位器控制中，應(yīng)用常規(guī)PID控制方法無(wú)法根據(jù)被控對(duì)象的變化對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，近年發(fā)展出的很多控制算法，大多都是在經(jīng)典PID控制基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[1-2]將PID控制算法與模糊邏輯控制原理結(jié)合起來(lái)，形成一種模糊自適應(yīng)PID控制算法。文獻(xiàn)[3-4]將內(nèi)模PID控制方法與模糊邏輯策略結(jié)合到一起，應(yīng)用到工業(yè)過(guò)程中，該控制器便于調(diào)節(jié)，易于實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[5]將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和PID控制相結(jié)合，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)則對(duì)PID參數(shù)在線整定。文獻(xiàn)[6]將模糊PID控制器和Smith預(yù)估器結(jié)合，形成兩級(jí)反饋控制系統(tǒng)，分別將控制器輸出量和系統(tǒng)輸出量反饋，得到偏差進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[7]則直接用PID-IMC（Internal Model Control）對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

文獻(xiàn)[8]提出了一種Smith預(yù)估-專家PID的控制策略，這些定位器的控制策略，都極大地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使系統(tǒng)超調(diào)和過(guò)渡時(shí)間減小，快速性和精確性提高。但仍然是線性PID 控制，或者是其它基于PID的改進(jìn)控制策略，這些方法雖然對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)變、非線性特性進(jìn)行了充分考慮，但都沒(méi)有考慮調(diào)節(jié)閥輸出流量的振蕩特性，即輸出量的變化量。

以AVP100閥門定位器為研究對(duì)象，根據(jù)輸出電壓及電壓變化趨勢(shì)，利用模糊控制智能權(quán)函數(shù)分別對(duì)偏差e及偏差變化ec加權(quán)，設(shè)計(jì)了一種基于變隸屬度函數(shù)的閥門定位器模糊控制算法，得到了很好的控制效果。

2 理論分析

模糊控制主要用于非線性系統(tǒng)控制，模糊控制不必像常規(guī)控制系統(tǒng)一樣，只能調(diào)節(jié)參數(shù)，它可以通過(guò)改變控制規(guī)則，隸屬函數(shù)及推理方法等來(lái)改善和調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性；它將人們對(duì)某一過(guò)程的推理和判斷知識(shí)提煉，和隸屬函數(shù)及推理方法一起決策控制過(guò)程的傳遞特性。

隸屬度函數(shù)是用來(lái)表示一個(gè)量介于屬于和不屬于之間的過(guò)渡，它表示一個(gè)量以一定程度（介于0和1之間）、或多或少屬于某一個(gè)集合，元素u對(duì)模糊集合A的隸屬度函數(shù)表示為：

傳統(tǒng)模糊控制的輸入變量e的隸屬度函數(shù)是不變的，不能反映輸入變量的變化情況△e，如果再將輸入變量的變化量△e作為一個(gè)單獨(dú)輸入變量，不光單輸入系統(tǒng)會(huì)變?yōu)槎噍斎胂到y(tǒng)，控制規(guī)則數(shù)量將增加，為了避免規(guī)則數(shù)量過(guò)多，可以在區(qū)間內(nèi)改變輸入變量的隸屬度函數(shù)，來(lái)改變模糊控制器，利用輸入變量e及輸入變量的變化量△e分配權(quán)值，對(duì)多變量整合，構(gòu)造合適的控制因子，改變控制規(guī)則的特性或直接對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行修正[9-15]，達(dá)到調(diào)整輸出量的目的，這樣，就會(huì)將輸入變量及其變化量的信息都包含進(jìn)隸屬度函數(shù)。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了基于隸屬度匹配函數(shù)的模糊模型，并成功應(yīng)用于分布式發(fā)電配電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[17]構(gòu)建了一種預(yù)警隸屬度函數(shù)。文獻(xiàn)[18]提出了一種基于階梯隸屬度函數(shù)的H∞控制器。文獻(xiàn)[19]通過(guò)放松歸一化條件，將改進(jìn)模糊隸屬函數(shù)約束的FCM聚類算法應(yīng)用于噪聲控制。

隸屬度函數(shù)的確定過(guò)程，要客觀，要以實(shí)際控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)和前提，隸屬度函數(shù)應(yīng)該表明各輸入量對(duì)控制量之間所具有的實(shí)際關(guān)系，結(jié)合AVP100閥門定位器系統(tǒng)開環(huán)響應(yīng)特性，根據(jù)模糊控制加權(quán)推理決策思想，利用模糊智能權(quán)函數(shù)分別對(duì)偏差e及偏差變化ec加權(quán)構(gòu)建隸屬度函數(shù)。

式中：e—偏差的模糊值；ec—偏差變化的模糊值。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 閥門定位器變隸屬度函數(shù)確定

AVP100閥門定位器是智能閥門定位器，如圖1所示。為了實(shí)驗(yàn)，對(duì)定位器進(jìn)行改動(dòng)，拆除其內(nèi)部控制電路板，保留機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)工控機(jī)發(fā)出階躍信號(hào)，首先，運(yùn)用開環(huán)階躍響應(yīng)方法，檢測(cè)調(diào)節(jié)閥閥芯反饋信號(hào)，設(shè)閥門開度為0%時(shí)為全關(guān)狀態(tài)，開度為100%時(shí)為全開狀態(tài)，測(cè)得閥門開度為0%時(shí)反饋電壓為1.787V，閥門開度為100%時(shí)反饋電壓為2.727V。同時(shí)，根據(jù)理論計(jì)算，此定位器的電壓范圍為（0～5）V，靜平衡點(diǎn)應(yīng)該是輸入電壓為2.5V，通過(guò)實(shí)際測(cè)定，當(dāng)給定電壓為2.54V時(shí)，閥門保持某一設(shè)定閥位，不會(huì)動(dòng)作，當(dāng)給定電壓在（0～2.54）V范圍時(shí)，閥門由開度小的閥位向開度大的閥位動(dòng)作，當(dāng)給定電壓為（2.54～5）V之間時(shí)，閥門由開度大的閥位向開度小的閥位動(dòng)作，此閥門定位器的實(shí)際靜平衡點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓為2.54V，如表1所示。

圖1 AVP100閥門定位器試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experiment System of AVP100 Valve Positioner

表1 AVP100閥門定位器系統(tǒng)開環(huán)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental Data of AVP100 Valve Positioner Open-Loop Step Response

在閥門初始開度不斷變化的同時(shí)，改變輸入電壓大小，且從閥門開度小的兩端電壓依次向閥門開度大的中間電壓改變，跨度為0.2V，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，輸入電壓靠近靜平衡點(diǎn)時(shí)，輸出電壓變化幅度較大，且當(dāng)輸入電壓從兩端電壓向靜平衡點(diǎn)靠近時(shí)，電壓變化速率都在減弱，當(dāng)控制電壓越趨近于兩個(gè)端電壓，閥門動(dòng)作速率越快。這表明，輸出量不只與輸入量有關(guān)，與輸入量的變化量及變化速率關(guān)系更加密切，如圖2所示。

圖2 AVP100閥門定位器開環(huán)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)Fig.2 Experimental of AVP100 Valve Positioner Open-Loop Step Response

根據(jù)AVP100閥門定位器實(shí)驗(yàn)特性分析，為了維持輸出量恒定，達(dá)到精確控制，存在如下模糊控制關(guān)系：

If：閥門初始開度小，變化速率大，then：輸入量大（趨于5V），偏差大；If：閥門初始開度大，變化速率小，then：輸入量?。ㄚ呌?V），偏差??；If：閥門初始開度小，變化速率大，then：輸入量小（趨于0V），偏差小；If：閥門初始開度大，變化速率小，then：輸入量大（趨于5V），偏差大；If：閥門初始開度中，變化速率中，then：輸入量中（趨于2.5V），偏差中。

據(jù)此，確定以偏差變化率作為輸入量對(duì)控制量的隸屬度函數(shù)，如下：

結(jié)合AVP100 閥門定位器特性，以靜平衡點(diǎn)電壓為給定電壓，設(shè)計(jì)其變隸屬度函數(shù)模糊控制算法如下：

式中：u—上位機(jī)輸出到定位器的控制電壓；e—設(shè)定電壓減去當(dāng)前反饋電壓的偏差，偏差經(jīng)過(guò)加權(quán)，考慮了偏差的變化量。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

編程時(shí)，主要用到的子VI有DAQNavi Create Channel，DAQNavi Read，DAQNavi Timing，DAQNavi Assistant，While 循環(huán)和公式節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。在DAQNavi Timing設(shè)置VI中，在rate出設(shè)置采樣頻率，如圖3所示。

圖3 AVP100閥門定位器實(shí)驗(yàn)程序圖Fig.3 Experimental Procedure Chart of AVP100 Valve Positioner

對(duì)閥門開度從全開到全閉的區(qū)間，以間隔10%的開度為變化，分別利用PID參數(shù)控制法和本文設(shè)計(jì)的變隸屬度模糊控制算法控制系統(tǒng)，如圖4所示。結(jié)果顯示：變隸屬度模糊控制算法控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性更好，精確度均提高，響應(yīng)時(shí)間縮短，以圖5（閥門開度為50%）分析，利用PID參數(shù)控制，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時(shí)間為2.4s，利用變隸屬度模糊控制算法控制系統(tǒng)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時(shí)間為0.96s。但不足的是，有輕微超調(diào)量，這種超調(diào)量不足2%，在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)，對(duì)控制結(jié)果幾乎無(wú)影響。但對(duì)控制要求較嚴(yán)格的控制過(guò)程而言，其控制效果還不是十分理想。

圖4 AVP100閥門定位器PID控制（開度50%）Fig.4 PID Control of AVP100 Valve Positioner

圖5 AVP100閥門定位器變隸屬度模糊控制（開度50%）Fig.5 Fuzzy Intelligent Control of AVP100 Valve Positioner

4 結(jié)論

根據(jù)AVP100閥門定位器系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)特性，利用模糊控制智能權(quán)函數(shù)分別對(duì)偏差e及偏差變化ec加權(quán)，設(shè)計(jì)了一種基于變隸屬度函數(shù)的閥門定位器模糊控制算法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在調(diào)節(jié)閥不同開度時(shí)，系統(tǒng)快速性均得到顯著提高，響應(yīng)加快、過(guò)程平穩(wěn)。對(duì)實(shí)際閥門定位器系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值，不足之處是系統(tǒng)存在微小超調(diào)量，另外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未帶負(fù)載，期望進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)過(guò)程檢驗(yàn)。