仿人智能控制在智能電–氣閥門定位器中的應(yīng)用

1、吳朋1,2，時光1，聶紹忠2(1重慶大學(xué)自動化學(xué)院重慶400044；2重慶川儀自動化股份有限公司重慶401121)摘要：智能電-氣閥門定位器是閥門執(zhí)行機構(gòu)的核心控制部件，智能閥門定位器的控制算法與控制參數(shù)的選擇直接決定著定位器的性能。針對閥門對象的時變性和非線性的特性，把仿人智能控制應(yīng)用于智能閥門定位器，完成了仿人智能控制器的運行控制級與參數(shù)矯正級的設(shè)計。智能閥門定位器的自檢過程完成對閥門特征的辨識和仿人智能控制的參數(shù)整定，并對氣體泄漏采取補償措施，有效減小了氣體泄漏所造成的不利影響。仿真與應(yīng)用結(jié)果表明了該算法的有效性。關(guān)鍵詞：智能電-氣閥門定位器；時變性；非線性；自檢；仿人智能控制中圖分類號

2、：TP273文獻標(biāo)識碼：A國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼：510.80Application of human-simulated intelligent control insmart electro-pneumatic valve positionerWu Peng1,2, Shi Guang1, Nie Shaozhong2(1 College of Automation，Chongqing University, Chongqing400044, China;2 Sichuan Instrument Automation Co., Ltd, Chongqing 401121, China)Abs

3、tract：Smart electro-pneumatic valve positioner is the most important element of intelligent pneumatic actuators. The selection of the control arithmetic and the parameters decides the positioning performance of the pneumatic valve positioner directly. Aiming at the valve positioner, which has the ch

4、aracteristics of time-variation and nonlinear, HSIC(Human-Simulated Intelligent Control) is applied in the smart pneumatic valve positioner, and the operatingcontrol level design and parameter adjusting level design of the HSIC controller are accomplished. The identification of the characteristic of

5、 the pneumatic valve and parameter setting of HSIC are completed in the self-test process of the smart pneumatic valve positioner. Compensation measure for gas leakage is adopted to reduce the harmful effect caused by gas leakage. Simulation and application results show the effectiveness of the prop

6、osed algorithm.Key words：smart electropneumatic pneumatic valve positioner;time-variation; nonlinear; self-test; HSIC1引言收稿日期：2009-04Received Date：2009-04*基金項目：國家“863”計劃(2006AA040303)資助項目近年來，隨著電子信息技術(shù)和自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及現(xiàn)場總線和開放式總線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的機械式閥門定位器已經(jīng)越來越不適應(yīng)信息化時代的要求。國外已生產(chǎn)銷售從機械式、電子式過渡到智能型和總線型的電氣閥門定位器（以下簡稱智能閥門

7、定位器），其核心技術(shù)包括：具備人機交互、安裝后自檢自校、故障診斷與處理等功能。其中以德國SIEMENS的SIPART PS/PS2采用壓電閥式工作原理的智能閥門定位器，和以美國FISHER的DVC5000、日本YAMATAKE的SVP3000采用噴嘴擋板工作原理的智能閥門定位器為代表，形成了目前國際上智能閥門定位器的主流1-4。HVP08/09是重慶川儀自主研發(fā)的基于噴嘴擋板工作原理的智能閥門定位器，其技術(shù)已經(jīng)達(dá)到國際先進水平。2工作原理HVP08/09智能閥門定位器、氣動執(zhí)行機構(gòu)與調(diào)節(jié)閥組成氣動執(zhí)行器，如圖1所示。圖1氣動執(zhí)行器框圖Fig.1 Principle of pneumatic a

8、ctuator圖1中，HVP08/09智能閥門定位器與氣動執(zhí)行機構(gòu)組成一個閉環(huán)控制回路，閥桿位移作為被控量，位移量通過位置傳感器反饋到閥門定位器的控制單元?？刂茊卧鶕?jù)位移量與給定信號值的偏差，控制電/氣(I/P)轉(zhuǎn)換單元的壓力輸出，從而控制調(diào)節(jié)閥。HVP08/09智能閥門定位器，能很好地克服摩擦力和閥芯上的不平衡力，使其定位更迅速、精確5-6。HVP08/09智能閥門定位器采用仿人智能控制。氣動閥門是非線性時變對象，每個調(diào)節(jié)閥都具有各自的量程、滯后、摩擦系數(shù)和氣體泄漏等特性。HVP08/09智能閥門定位器通過自檢完成對閥門特性的辨識與仿人智能控制參數(shù)的整定，自檢過程流程圖如圖2所示。圖2自檢

9、流程圖Fig.2 Self-test flowchart圖2中，自檢過程開始后，執(zhí)行機構(gòu)在氣源壓力作用下開環(huán)自檢，定位器對閥位信號進行采樣，到達(dá)量程端點后，存儲開環(huán)運行過程中的最大速度、平均速度和量程端點位置等特征信息到非易失性存儲器中，存入的這些特征信息是仿人智能控制參數(shù)整定的依據(jù)。閉環(huán)自檢采用仿人智能控制，控制閥門開度分別到50%、75%、100%再經(jīng)由75%、50%回到25%，檢測每個開度的氣體泄漏量，并通過分段線性化的方法近似得到充氣和排氣過程中任意開度下的氣體泄漏補償量。3仿人智能控制算法設(shè)計以PID為代表的線性調(diào)節(jié)規(guī)律，未能妥善解決閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性、快速性之間的矛盾9。仿人

10、智能控制算法依據(jù)目標(biāo)軌跡在誤差相平面上的位置，以及控制器的運行控制級、參數(shù)校正級，劃分出特征狀態(tài)級，從而構(gòu)成不同級別的特征模型。3.1運行控制級設(shè)計仿人智能控制的特征模型如圖3所示。圖3仿人智能控制的特征模型Fig.3 Model and characteristic of HSIC圖3中，虛線所示的既為被控過程對象的理想誤差目標(biāo)軌跡。為了使實際的誤差軌跡盡可能地與理想誤差目標(biāo)軌跡一致，運行控制級采用的措施如下：1)在偏差很大時，對應(yīng)區(qū)域，采用磅-磅控制。2)在偏差及偏差變化率均很小(滿足要求)時，對應(yīng)區(qū)域，為了消除誤差，采用PID控制。3)如果偏差較大，對應(yīng)區(qū)域，采用比例模態(tài)控制，同時為了保

11、證偏差變化速度不是太大，在比例模態(tài)的基礎(chǔ)上引入弱微分控制。4)在偏差減小過程中，若偏差變化速度低于或者等于預(yù)定速度時，對應(yīng)區(qū)域，采用比例模態(tài)加微分模態(tài)控制。5)在偏差減小過程中，若偏差變化速度大于預(yù)定的速度時，對應(yīng)區(qū)域，在比例模態(tài)的基礎(chǔ)上，引入強微分控制，使得偏差變化速度盡可能快的減小。因此，根據(jù)偏差e和偏差變化速度，運行控制級可以劃分為5個模態(tài)：控制模態(tài)1：，(1)控制模態(tài)2：,(2)控制模態(tài)3：,(3)控制模態(tài)4：,(4)控制模態(tài)5：，(5)3.2參數(shù)校正級設(shè)計理想相軌跡是由閾值決定的，而實際相軌跡是由閾值和參數(shù)共同決定的。參數(shù)校正級采取的措施如下：1)偏差變化速度超過限制值，對應(yīng)區(qū)域,應(yīng)

12、減弱比例控制作用，并引入微分作用，形成比例加微分控制模式；2)偏差變化速度低于設(shè)定范圍，對應(yīng)區(qū)域,增強比例作用；3)偏差已經(jīng)很小的情況下，如果偏差變化速度仍很大，對應(yīng)區(qū)域,通過參數(shù)校正，適當(dāng)減弱比例作用，引入較強的微分作用，如果仍然不能滿足要求，那么引入正反饋，形成很強的比例加微分控制模式；4)偏差變化速度低于此時要求的速度，對應(yīng)區(qū)域，通過參數(shù)校正稍加大比例作用；5)偏差已進入穩(wěn)態(tài)要求，變化速度未進入穩(wěn)態(tài)要求，對應(yīng)區(qū)域,通過參數(shù)校正稍減弱比例作用；6)出現(xiàn)超調(diào)，偏差變化速度仍較大，對應(yīng)區(qū)域,增強微分作用，減弱比例作用；7)出現(xiàn)超調(diào)，偏差變化速度及此時偏差均較大時，對應(yīng)區(qū)域，增強微分和比例作用；

13、8)出現(xiàn)超調(diào)，偏差較大而偏差變化速度不是很大時，對應(yīng)區(qū)域，增強比例作用，減弱微分作用。4仿真研究重慶川儀自產(chǎn)直行程閥HA1D，額定行程14.3mm，氣源壓力3.5 kg，量程歸一化，經(jīng)辨識得傳遞函數(shù)為：在MATLAB7.4的SIMULINK仿真環(huán)境中，建立仿人智能控制系統(tǒng)，控制器輸出的飽和非線性環(huán)節(jié)取-1,1；模態(tài)切換的閾值選?。篹1=0.8，e2=0.4，e3=0.2，de1=0.4; de2=0.2；模態(tài)1：Umax=1；模態(tài)2：kp2=0.8，kd2=0.4；模態(tài)3：kp3=0.8，kd3=0.6；模態(tài)4：kp4=2，kd4=0.8；模態(tài)5：kp5=5，ki5=10，kd5=0.5。為了

14、對比控制效果，選用PID+Smith控制器和最優(yōu)PID控制器。最優(yōu)PID目標(biāo)函數(shù)選取ITAE性能指標(biāo)：(6)PID參數(shù)采用單純形法8整定得：kp=1，ki=0.4，kd=0.5；PID+Smith控制器參數(shù)取kp=0.9，ki=0.4，kd=0.5，Smith預(yù)估器采用精確數(shù)學(xué)模型。4.1階躍響應(yīng)測試3種控制方法的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示，性能指標(biāo)見表1。圖4躍響應(yīng)曲線階Fig.4 Step response curve表1階躍響應(yīng)性能指標(biāo)Table 1 Performance of step response方案調(diào)節(jié)時間Ts(=2%)超調(diào)量(%)ITAE HSIC5.903.6PID+Smit

15、h8.005.0PID由表1可知，仿人智能控制器與PID+Smith控制器、最優(yōu)PID控制器相比具有較好控制性能，階躍響應(yīng)速度快且無超調(diào)。4.2魯棒性測試為了檢驗控制器的魯棒性,把控制對象變?yōu)?控制器的控制參數(shù)保持不變，3種控制方法的階躍響應(yīng)曲線如圖5所示，性能指標(biāo)見表2。圖5魯棒性測試響應(yīng)曲線Fig.5 Robustness test response curve表2魯棒性測試性能指標(biāo)Table 2 Performance of robustness test方案調(diào)節(jié)時間Ts(=2%)超調(diào)量(%)ITAEHSICPID+SmithPI

16、D14.519.315.4由表2可知，仿人智能控制器控制器在對象變化后，較之PID+Smith控制器與最優(yōu)PID控制器依然具有更好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，具有更強的魯棒性，更適用于非線性時變系統(tǒng)的控制。5應(yīng)用研究被控對象為重慶川儀自產(chǎn)的調(diào)節(jié)閥，其執(zhí)行機構(gòu)為HCP-I，公稱通徑DN200，額定行程75mm，氣源壓力4kg，定位器死區(qū)范圍設(shè)為0.4%。位置傳感器信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換通過串口讀出，采樣時間20ms。經(jīng)自檢，閥門的端點位置為1072和3092，量程為2020。閥門開度在不同的位置滯后時間是不同的。端點位置較大，其它平衡位置較小。控制閥門開度從量程的50%到75%。對比算法采用的是積分分離的P

17、ID控制，仿人智能控制與積分分離PID控制曲線如圖6所示。圖6階躍響應(yīng)曲線Fig.6 Step response curve圖6中，積分分離PID控制曲線在2500左右，速度接近為零，這時依賴積分作用增大控制量來克服靜摩擦力，故會出現(xiàn)長時間靜止或移動一定距離又靜止的現(xiàn)象。而仿人智能控制通過切換模態(tài)進行參數(shù)切換，能夠快速進入死區(qū)，滿足定位要求。有時由于氣體泄漏的原因，閥門穩(wěn)定后又會出現(xiàn)向下滑動的現(xiàn)象，需要再充一部分氣才能穩(wěn)定到目標(biāo)位置，為此當(dāng)檢測到閥門向下滑動時，要對控制量進行補償，補償量是在自檢過程中確定的。該閥門在穩(wěn)定后，有向下滑動的現(xiàn)象，控制閥門開度從量程100%排氣到75%，有、無補償作

18、用的對比曲線如圖7所示。圖7補償曲線Fig.7 Compensation curve由圖7可知，加入補償作用能有效減小氣體泄漏所造成的不利影響。6結(jié)論智能閥門定位器自檢過程完成對閥門特征的辨識，在仿人智能控制理論指導(dǎo)下,設(shè)計了智能閥門定位器的控制算法。仿真與應(yīng)用結(jié)果表明，該算法具有較好的魯棒性，采取對氣體泄漏補償?shù)拇胧軌蛴行p小氣體泄漏所造成的不利影響。文中所述的分析方法及設(shè)計結(jié)論對此類工業(yè)控制過程的處理有一定的參考意義。參考文獻1 尚群立,蔣鵬.智能電氣閥門定位器的研制J.儀器儀表學(xué)報, 2007,28(4):718-721.SHANG QL, JIANG P. Research on

19、intelligent electro-Pneumatic valve positionerJ. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2007,28(4):718-721.2 SOEHARTANTOT, KAUSTARL, SUYANTO. Auto tuning valve positioner on process control training(PCT) base on PCC.IEEE Circuits and Systems, APCCAS Proceedings, 2002(2):353-356.3 WAKUIT. Performa

20、nce improvement of digital positioner for pneumatic control valve with large hysteresisC. Proceedings of the 7th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization, 2003, 287:1-10.4 WAKUIT. Hysteresis compensation loaded in digital positioner for pneumatic control valve with tig

21、htened grand packingC. Proceedings of SICE Annual Conference, 2003,6(2):2220-2224.5 龐彥斌,王勝,程煒.基于FF 協(xié)議的智能氣動閥門定位器開發(fā)J.儀器儀表學(xué)報, 2001,22(3):491-493.PANG Y B, WANG SH, CHENG W. Development of smart pneumatic valve positioner based on FF protocolJ. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2001,22(3):491-49

22、3.6 鐘盛輝.關(guān)于HVP系列智能閥門定位器的研發(fā)J.自動化儀表, 2007,28(9):126-128.ZHONG SH H. Research and development of HVP series smart valve positioner.J. Process Automation Instrumentation, 2007,28(9):126-128.7 李祖樞.仿人智能控制M.國防工業(yè)出版社, 2003: 98-314.LIZSH. Human-simulated intelligent controlM.Beijing: National Defense Industry

23、Press,2003:98-314.8 NELDER J A, MEAD R. A simplex method for function minimizationJ.Computer Journal，1965，7：308-313.作者簡介吳朋，1983年于合肥工業(yè)大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，2002年于重慶大學(xué)獲工學(xué)碩士學(xué)位，2006年于重慶大學(xué)獲工學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)為重慶川儀自動化股份有限公司教授級高級工程師，重慶大學(xué)兼職教授、博士生導(dǎo)師，中國儀器儀表學(xué)會常務(wù)理事、智能化儀表及其控制網(wǎng)絡(luò)分會理事長。主要研究方向為智能化儀表與控制網(wǎng)絡(luò)。E-mail: wupengWu Peng received BSc fr