气动压力调节阀控制设计方案

    随着过程控制装置逐渐一体化，生产过程对于控制装置的控制精度和适应性要求日趋严格。在气动控制技术方面，国外起步早、投入力度大，都成功设计出了性能良好的气压控制装置；而国内的气动技术由于起步较晚，目前大部分还处于仿真与实验研究阶段。在控制算法方面，传统PID控制因其经常性参数整定不良，对运行工况适应性差而不能很好满足要求，因此出现了多种控制算法，如神经网络控制、双闭环混合PID控制、线性二次自校正控制等。本文探讨了一种基于气动调节阀的智能测控装置，集气动阀门定位器、被控物理量传感器及调节器等于一体，采用参数自整定模糊PID控制算法，对被控量进行稳定、精确、快速控制。

    1 气动压力调节阀控制设计方案一体化智能测控装置的组成原理
    基于气动调节阀的一体化智能测控装置组成原理如所示。采用单座、套筒式结构,配用多弹簧气动薄膜执行机构,执行机构高度低、重量轻、装备简便。气动压力调节阀阀芯采用笼式套筒阀芯,将气源压力变换为阀芯的直线位移,自动的控制调节阀开度,达到对管道内流体的压力连续调节。气动压力调节阀具有结构紧凑、重量轻、动作快、压降损失小、阀容量大、流量特性精度高、维护方便等优点。整体具有工作平稳、允许压差大、流量特性精度高、噪音低等特点。气动压力控制阀适用于允许泄露小、阀前后压差较大的工作场合
    过程调节器接收被控量设定值以及来自被控量传感器的被控量反馈值，按照设计的控制算法，向阀门开度调节器输出阀门开度指令。阀门的实际开度由阀门开度传感器检测得到并反馈至阀门开度调节器中。阀门开度调节器比较两个输入信号后向电磁阀输出PWM控制信号，通过改变PWM信号的占空比来控制电磁阀的通断时间，从而控制气室内的91视频黄色网压力。气动执行机构将气室压力的改变转换为阀杆的直线位移或角位移，以此改变调节阀阀芯的位置，即调节阀的流通面积，进而控制流入或流出控制系统的物料或能量，实现过程参数的自动控制。

    2气动压力调节阀控制设计方案 控制系统数学模型
    以91视频黄色网流体的压力控制为例，假设91视频黄色网满足理想91视频黄色网方程，执行机构选取气开式薄膜调节阀，得到的控制系统双闭环组成框图所示。其中，忽略执行机构气室的容积变化，91视频黄色网的温度变化以及阀杆和阀芯加速运动产生的惯性力，可得到执行机构的简化数学模型：
    压力调节环节由气源、调节阀和气缸组成。忽略气缸的容积变化以及91视频黄色网的温度变化，可得到气缸内的压力微分方程：。其中，
    忽略管道的91视频黄色网泄漏，流入气缸91视频黄色网的质量流量与流过调节阀口的91视频黄色网质量流量相等，根据理想91视频黄色网经过收缩喷管的等熵流动过程，得到：同时可得到控制系统的数学模型框图，如图3所示。图3中，P*和L*分别为压力设定值（MPa）和阀门开度设定值。

气动压力调节阀控制设计方案执行器技术参数

    3 气动压力调节阀控制设计方案控制算法设计及MATLAB仿真
    3.1 控制算法设计
    阀门开度调节器采用常规PID控制算法，其3个参数固定不变。采用笼式套筒导向、双密封结构，配用多弹簧气动薄膜执行机构，执行机构高度低、重量轻、装备简便。将气源压力变换为阀芯的直线位移，自动的控制调节阀开度，达到对管道内流体的压力连续调节。气动压力调节阀整体具有工作平稳、允许压差大、流量特性精确噪音低等特点。特别适用于允许泄露小、阀前后压差较大的工作场合。

气动压力调节阀主要特点如下：
（1） 采用轻型执行机构，高度及重量均可减小30%。
（2） 阀体内表面有多种材料涂复层，避免介质直接接触，承受强阀腐蚀性介质的腐蚀。
（3） 阀门关闭时，内、外泄漏量为零，特别适合于剧毒介质或不允许污染介质的阀节。
（4） 流路简单，阻力小，额定流量系数比同口径单座，套筒调节阀大。
    过程调节器采用参数自整定模糊PID控制算法。将过程控制器的输入信号与压力传感器的反馈信号间的偏差值e以及偏差的变化量Δe作为输入，通过数据库和规则库的模糊推理，得到PID控制器中比例、积分和微分参数的调整量，进而完成3个参数的整定工作，以达到控制调节的目的。设e的基本论域为。
    PID的控制参数整定规则为：1）当e与Δe同号时，若e的值较大，通过选取较大的Kp，较小的Ki和中等的Kd，能够使其快速降低；若e的值较小，则选取中等的Kp，较大的Ki和较小的Kd，以达到加强整个系统稳态性能的目的；2）当e与Δe异号时，若e的值较大，则取适中的Kp与Kd，并减小Ki，以使得动态性能和稳态性能同时增强；若e的值较小，则应降低Kp与Kd，并增大Ki，以防止系统在设定值附近出现震荡。
    采用隶属度法进行解模糊，得到ΔKp、ΔKi、ΔKd完整的模糊调整规则。在线运行时，调节器的微处理系统连续地采集输入信号和反馈信号，完成偏差及其变化量的计算，并从模糊规则矩阵和模糊调整矩阵中得到Kp、Ki、Kd的调整量，进而达到控制器参数自整定的目的。
    3.2 气动压力调节阀控制设计方案MATLAB仿真
    根据实验室现有设备得到如下系统对象参数：A=3.2×10-2m2，B=160N/mm，V0=3.5L，Vc=250L，c=50N·s/m，cq=0.68，W=0.25m，T=300K，ts=0.3s，γ=1.4，ps=0.8MPa，k=50N·mm-1，kL=1.71×10-2kg·s-1·MPa-1，R=287N·m/kg·K，xm=0.15m，电磁阀的纯滞后时间为20ms。常规PID的参数设定为：Kp=10，Ki=0.03，Kd=0.05；模糊PID控制器的参数初值设定为：Kp=5，Ki=0.5，Kd=0.03。以0.15MPa目标压力调节为例，系统仿真结果如图7所示。图7中，压力调节动态响应的超调量低于15%，同时响应速度快，调节时间短，系统快速平稳地达到稳定状态，基本满足了该装置在稳定、精准、快速控制方面的设计要求。

4 气动压力调节阀控制设计方案装置技术实现方案简介
    基于气动调节阀的一体化智能测控装置硬件结构如图8所示。整个系统由24VDC电源供电，设定值输入与控制信号均采用4～20mA标准信号。微处理器采用TI公司出产的MSP430F449超低功耗单片机。MSP430F449带有60kB的Flash存储器，可以满足系统的程序存储要求，从而减少了外接程序存储器和地址锁存器所带来的电流消耗。人机界面的显示采用超低功耗的NJU6433芯片定制成专用字符型液晶显示模块。采用电磁阀控制气动阀门具有动作快能耗低的优点，同时由于电磁阀质量小，即使受到很大的振动也可以正常工作。系统的软件设计基于KEIL-RVMDK，采用模块化任务设计方式，实现系统信号检测、数据处理、PWM控制及人机界面的显示。

主要性能指标

气动压力调节阀控制设计方案额定流量系数Kv、额定行程、配用执行器型号

5 气动压力调节阀控制设计方案结束语

    本文所探讨的基于气动调节阀的智能测控装置，集气动阀门定位器与被控量测控于一体，采用参数自整定模糊PID控制，具有控制精度高、响应速度快、稳定性较强的优点。是一种压力平衡式调节阀，采用笼式套筒导向、双密封结构，配用多弹簧气动薄膜执行机构，执行机构高度低、重量轻、装备简便。气动压力调节阀阀芯采用笼式套筒阀芯，将气源压力变换为阀芯的直线位移，自动的控制调节阀开度，达到对管道内流体的压力连续调节。气动压力调节阀具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、维护方便等优点。整体具有工作平稳、允许压差大、流量特性精确噪音低等特点。特别适用于允许泄露小、阀前后压差较大的工作场合。