仿人智能控制在智能电–气阀门定位器中的应用

第 30 卷 第 9 期 仪 器 仪 表 学 报 Vol.30 No. 92009 年 9 月 Chinese Journal of Scientific Instrument Sep. 2009仿人智能控制在智能电气阀门定位器中的应用 *吴 朋 1,2，时 光 1，聂绍忠 2(1 重庆大学自动化学院 重庆 400044；2 重庆川仪自动化股份有限公司 重庆 401121)摘 要：智能电-气阀门定位器是阀门执行机构的核心控制部件，智能阀门定位器的控制算法与控制参数的选择直接决定着定位器的性能。针对阀门对象的时变性和非线性的特性，把仿人智能控制应用于智能阀门定位器，完成了仿人智能控制器的运行控制级与参数矫正级的设计。智能阀门定位器的自检过程完成对阀门特征的辨识和仿人智能控制的参数整定，并对气体泄漏采取补偿措施，有效减小了气体泄漏所造成的不利影响。仿真与应用结果表明了该算法的有效性。关键词：智能电-气阀门定位器；时变性；非线性；自检；仿人智能控制中图分类号：TP273 文献标识码： A 国家标准学科分类代码：510.80Application of human-simulated intelligent control insmart electro-pneumatic valve positionerWu Peng1,2, Shi Guang1, Nie Shaozhong2(1 College of Automation， Chongqing University, Chongqing 400044, China;2 Sichuan Instrument Automation Co., Ltd, Chongqing 401121, China)Abstract：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 characteristics of time-variation and nonlinear, HSIC (Human-Simulated Intelligent Control) is applied in the smart pneumatic valve positioner, and the operating control level design and parameter adjusting level design of the HSIC controller are accomplished. The identification of the characteristic of 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 proposed algorithm.Key words：smart electropneumatic pneumatic valve positioner; time-variation; nonlinear; self-test; HSIC1 引 言近年来，随着电子信息技术和自动化技术的迅猛发展，以及现场总线和开放式总线技术的广泛应用，传统的机械式阀门定位器已经越来越不适应信息化时代的要求。国外已生产销售从机械式、电子式过渡到智能型和总线型的电气阀门定位器（以下简称智能阀门定位器） ，其核心技术包括：具备人机交互、安装后自检自校、故障诊断与处理等功能。其中以德国 SIEMENS 的SIPART PS/PS2 采用压电阀式工作原理的智能阀门定位器，和以美国 FISHER 的 DVC5000、日本YAMATAKE 的 SVP3000 采用喷嘴挡板工作原理的智能阀门定位器为代表，形成了目前国际上智能阀门定位器的主流 1-4。HVP08/09 是 重 庆 川 仪 自 主 研 发 的 基 于 喷 嘴 挡 板 工作 原 理 的 智 能 阀 门 定 位 器 ， 其 技 术 已 经 达 到 国 际 先 进 水平 。收稿日期：2009-04 Received Date：2009-04*基金项目：国家“863”计划(2006AA040303)资助项目第 9 期 吴 朋 等：仿人智能控制在智能电-气阀门定位器中的应用 19312 工作原理HVP08/09 智能阀门定位器、气动执行机构与调节阀组成气动执行器，如图 1 所示。图 1 气动执行器框图Fig.1 Principle of pneumatic actuator图 1 中，HVP08/09 智能阀门定位器与气动执行机构组成一个闭环控制回路，阀杆位移作为被控量，位移量通过位置传感器反馈到阀门定位器的控制单元。控制单元根据位移量与给定信号值的偏差，控制电/气(I/P) 转换单元的压力输出，从而控制调节阀。HVP08/09 智能阀门定位器，能很好地克服摩擦力和阀芯上的不平衡力，使其定位更迅速、精确 5-6。HVP08/09 智能阀门定位器采用仿人智能控制。气动阀门是非线性时变对象，每个调节阀都具有各自的量程、滞后、摩擦系数和气体泄漏等特性。HVP08/09 智能阀门定位器通过自检完成对阀门特性的辨识与仿人智能控制参数的整定，自检过程流程图如图 2 所示。图 2 自检流程图Fig.2 Self-test flowchart图 2 中，自检过程开始后，执行机构在气源压力作用下开环自检，定位器对阀位信号进行采样，到达量程端点后，存储开环运行过程中的最大速度、平均速度和量程端点位置等特征信息到非易失性存储器中，存入的这些特征信息是仿人智能控制参数整定的依据。闭环自检采用仿人智能控制，控制阀门开度分别到50%、75%、100%再经由 75%、50%回到 25%，检测每个开度的气体泄漏量，并通过分段线性化的方法近似得到充气和排气过程中任意开度下的气体泄漏补偿量。3 仿人智能控制算法设计以 PID 为代表的线性调节规律，未能妥善解决闭环系统的稳定性与准确性、快速性之间的矛盾 9。仿人智能控制算法依据目标轨迹在误差相平面上的位置，以及控制器的运行控制级、参数校正级，划分出特征状态级，从而构成不同级别的特征模型。3.1 运行控制级设计仿人智能控制的特征模型如图 3 所示。图 3 仿人智能控制的特征模型Fig.3 Model and characteristic of HSIC图 3 中，虚线所示的既为被控过程对象的理想误差目标轨迹 。为了使实际的误差轨迹尽可能地与(,)dfe de2=0.2；模态 1：U max=1；模态2：kp 2=0.8，kd2=0.4；模态 3： kp3=0.8，kd3=0.6；模态 4：kp4=2 ，kd4=0.8；模态5：kp 5=5，ki5=10，kd 5=0.5。为了对比控制效果，选用 PID+Smith 控制器和最优PID 控制器。最优 PID 目标函数选取 ITAE 性能指标：(6)()0dITAEJtePID 参数采用单纯形法 8整定得：kp=1，ki=0.4，kd =0.5；PID+Smith 控制器参数取kp=0.9，ki=0.4，kd =0.5，Smith 预估器采用精确数学模型。第 9 期 吴 朋 等：仿人智能控制在智能电-气阀门定位器中的应用 19314.1 阶跃响应测试3 种控制方法的阶跃响应曲线如图 4 所示，性能指标见表 1。图 4 跃响应曲线阶Fig.4 Step response curve表 1 阶跃响应性能指标Table 1 Performance of step response方案 调节时间 Ts(=2%) 超调量 (%) ITAE HSIC 5.9 0 3.6PID+Smith 8.0 0 5.0PID 13.5 5.4 7.7由表 1 可知，仿人智能控制器与 PID+Smith 控制器、最优 PID 控制器相比具有较好控制性能，阶跃响应速度快且无超调。4.2 鲁棒性测试为了检验控制器的鲁棒性,把控制对象变为,控制器的控制参数保持不变，3 种控1.2()esGs制方法的阶跃响应曲线如图 5 所示，性能指标见表 2。图 5 鲁棒性测试响应曲线Fig.5 Robustness test response curve表 2 鲁棒性测试性能指标Table 2 Performance of robustness test方案 调节时间 Ts(=2%) 超调量 (%) ITAEHSIC 8.5 4.1 4.2PID+Smith 14.3 6.6 8.9PID 14.5 19.3 15.4由表 2 可知，仿人智能控制器控制器在对象变化后，较之 PID+Smith 控制器与最优 PID 控制器依然具有更好的动态特性和稳态特性，具有更强的鲁棒性，更适用于非线性时变系统的控制。5 应用研究被控对象为重庆川仪自产的调节阀，其执行机构为HCP-I，公称通径 DN200，额定行程 75 mm，气源压力 4 kg，定位器死区范围设为 0.4%。位置传感器信号经A/D 转换通过串口读出，采样时间 20 ms。经自检，阀门的端点位置为 1 072 和 3 092，量程为 2 020。阀门开度在不同的位置滞后时间是不同的。端点位置较大，其它平衡位置较小。控制阀门开度从量程的50%到 75%。对比算法采用的是积分分离的 PID 控制，仿人智能控制与积分分离 PID 控制曲线如图 6 所示。1934 仪 器 仪 表 学 报 第 30 卷图 6 阶跃响应曲线Fig.6 Step response curve图 6 中，积分分离 PID 控制曲线在 2 500 左右，速度接近为零，这时依赖积分作用增大控制量来克服静摩擦力，故会出现长时间静止或移动一定距离又静止的现象。而仿人智能控制通过切换模态进行参数切换，能够快速进入死区，满足定位要求。有时由于气体泄漏的原因，阀门稳定后又会出现向下滑动的现象，需要再充一部分气才能稳定到目标位置，为此当检测到阀门向下滑动时，要对控制量进行补偿，补偿量是在自检过程中确定的。该阀门在稳定后，有向下滑动的现象，控制阀门开度从量程 100%排气到75%，有、无补偿作用的对比曲线如图 7 所示。图 7 补偿曲线Fig.7 Compensation curve由图 7 可知，加入补偿作用能有效减小气体泄漏所造成的不利影响。6 结 论智能阀门定位器自检过程完成对阀门特征的辨识，在仿人智能控制理论指导下,设计了智能阀门定位器的控制算法。仿真与应用结果表明，该算法具有较好的鲁棒性，采取对气体泄漏补偿的措施，能够有效减小气体泄漏所造成的不利影响。文中所述的分析方法及设计结论对此类工业控制过程的处理有一定的参考意义。参考文献1 尚群立,蒋鹏. 智能电气阀门定位器的研制J. 仪器仪表学报, 2007,28(4):718-721.SHANG Q L, JIANG P. 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