电动调节阀动态特性与控制研究

（杭州富阳良工仪表有限公司，浙江富阳 311400）

近年来随着我国工业建设的发展，在冶金、石油、化工等多个领域中电动调节阀具有较广的应用，而电动调节阀的性能是与驱动系统直接相关的。随着电力、电子技术，微电子技术，微机控制技术的发展，人们对于电动调节阀的动态性能要求逐渐提高，为使钢厂循环发电工程中调节阀获取稳定快速的控制效果，本研究提出可用于电动调节阀参数模糊自整定PID控制法，并将该方法用于其控制系统中取代原有的PID控制。

1.设计驱动系统

在本研究中进行电动调节阀及驱动系统使用的驱动电机为驱动电机，其具有良好的反转响应和启停响应特性，本研究所设计的控制器可增加温度检测和红外遥控模块，可用于一些特殊场合中。电动调节阀的驱动系统包括，控制器、传动机构、电动机、限位机构、联机机构、位移传感器、手动装置等。如图1所示。

图1 控制信号结构图

通过上位机发出信号后能够传递给控制器，控制器能够控制电机等。同时可通过同步齿形带，能够将动力作用传递到丝杆，并与驱动系统输出轴进行连接，进一步带动阀杆移动，以实现阀门开度的控制，在处于断电条件下，可通过手动操作进行调节阀调节和开关功能。

控制器能够将系统反馈信号与设定信号进行比较，进一步实现电机的运转。控制器功能模块在产品的开发周期和成本方面，可使用基于单片机STC89C52RC，将其作为控制器的核心，其是一种低功耗和高速运转的单片机，内部还有可编程控制看门口，电路可用于阀门控制等。一些重要的工业控制场合中电动机、驱动模块能够驱动步进电机进行运转，其可通过光电耦合电路、功率放大电路以及PMM8713PT分配器的控制。反馈回路是由信号放大电路、位移传感器、A/D转换电路构成的，通过检测能够及时反馈阀门实时信号。由于该执行机构中，通常会作用于温差相对较大的场合，因此需要及时监测温度，另外，该控制器中包含了温度检测模块。人机对话接口可按照信号传输的方向设置输入和输出部分，人机对话接口输入部分，其包含的功能，特别是键盘的输入，具体为现场、远控、停止以及手动/自动切换，红外遥控包括开关阀门，阀门开度设置、停止等功能。人机对话接口输出，包括LCD显示屏，能够用于阀门实时开度情况、目标设定值、温度等参数的显示。故障报警模块可用于一些运行异常情况的报警，是利用蜂鸣器发出报警信号，并及时停止电机的运转。网络通信模块可接入上会机与RS232通讯接口进行串行通信。

2.设计参数模糊自整定PID的控制器

如图2所示为参数模糊自整定PID控制器的结构示意图。

图2 PID控制器的结构示意图

在该图中Fuzzy控制器能够作为双输入-三输出模控制器，其输入只能够为给定位置以及阀杆实时位置差值与差值的变化率ec。输出则为PID控制器调节参数的变化量，可使用13个模糊数用于表示输入、输出变量模糊论域。模糊子集对NB、NM、NS、PS、Z、PM、PB各个字节代表意义为负大、负中、负小、零、正大、正中、正小，模糊推理可选择Mamdani型推理系统及隶属度函数，使用三角形隶属度函数，根据专家经验构建控制规则，在解模糊中可使用面积平方法。

3.建模仿真分析

第一，系统建模在步进模型中利用步进电机能够将电脉冲信号转为角位移，在工业领域中应用较广的是混合式步进电机，如下所示为两相混合式步进电机电压方程以及其运动方程:

在上述公式中，A、B两组绕组端电压为Va和Vb，A、B两相绕组电流为ia和Ib表示，L和R表示A、B两相间互感，电机转动惯量为J，黏制摩擦系数用B表示，转子齿指数为NF，转子的输出角度为θ，永磁体铰链磁通量为∅m，极距角用λ表示。在本研究中可以假设电感L与A、B两线之间的互感与转子输出角度无直接联系，在处于单向通电过程中，可假设极距角为0，并进行线性化处理，通过对公式进行拉普拉斯列转换，而可获得步进电机单向励磁过程中，角位移响应传递函数，如下所示：

在该公式中目标值的机械角用θi表示，θo表示控制量机械角，用ωn表示固有角的频率。第二，传动系统的建模在本组中，传动系统是由带轮减速机构、电机轴以及丝杆传动的机构构成的，可获得电机轴动力学方程，如下所示：

在该公式中电机轴等效转动惯量用J1表示，黏性阻尼系数用B表示，阻力矩用M1表示，驱动力矩用M表示，电机轴输出转角用θ1表示，电机轴扭转刚度用K表示。针对带轮减速机构以及丝杆构建动力学方程如下所示：

在该方程中丝杆轴等效转动惯量用J2表示，输入转矩为M2，丝杠轴黏性阻尼系数为B2，输出角为θ2，传动比为i，导程为L，丝杆—效率为s，阀门推力用FL表示，通过对上述公式进行拉布拉斯变换，可获得丝杆转角，进一步能够获得阀杆位移传递函数，在该函数中阀杆位移用H表示。第三，传感器的模型构件，由于位移传感器受本身因素的限制，可将其作为比例环节，同时用K1来表示增益。

4.仿真分析

当电动调节阀阀门开度设为10mm，根据仿真结构可以发现，在允许误差带的范围中采用传统PID进行控制时，其调节时间为0.55s，而采用模糊参数自整定PID控制器时，调节时间为0.23s，相比传统的PID控制器自整定PID控制器稳定响应过程要短，使用传统PID进行调节时，系统输出会存在明显超调的问题，而使用模糊PID进行调解时，系统未出现超调现象。根据系统跟踪正弦输入信号响应曲线，通过仿真结果可以发现，相比传统PID控制器，模糊参数自整定PID控制器响应速度较快，稳定信号能够实现良好跟踪。未来也可将驱动PWM电路与运放集成与同一块MCU中，使硬件更加简化，同时能够使永磁同步电机作为电动执行器电动流量调节阀，以此提高其精度[1]。

5.小结

当前电动调节阀驱动系统的发展，通过研究提出，可使用基于单片机STC89C52RC控制器作为核心，可实现温度检测、上位机通信、红外监控、LED显示、键盘输入、电机驱动等相关功能，并且根据目前市场上新型电机电动调节阀驱动系统设计，电动调节阀模糊自整定PID控制器及能够融合模糊控制以及传统PID控制器的优点，通过研究发现，相比传统的PID控制器，采用模糊自整定PID控制其超载量较小，能够缩短调节时间，在调节过程中平稳信号，具有良好的响应特性，能够为提升调节阀所控系统及动态性能奠定基础。