氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥是一種重要的執(zhí)行器，它是眾多的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)裝置，尤其是在石化、冶金等工業(yè)的流量控制中發(fā)揮著不可替代的作用。而氣動(dòng)閥門(mén)定位器作為它的主要附件，可以改善閥門(mén)特性、提高控制的精度、速度和增加控制的靈活性。

    隨著工業(yè)的進(jìn)步，閥門(mén)定位器從*初的純氣動(dòng)、機(jī)械力平衡式的，發(fā)展到后來(lái)的使用電磁轉(zhuǎn)換的電磁閥門(mén)定位器，直到今天的智能型和使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的定位器，其總的趨勢(shì)是電氣化、智能化，并且必定要與將來(lái)的全數(shù)字化工業(yè)控制相適應(yīng)^[1]。為此，我們結(jié)合單片機(jī)和模糊控制理論知識(shí)，對(duì)智能電-氣閥門(mén)定位器進(jìn)行了研制。

    1 智能閥門(mén)定位器模糊控制系統(tǒng)的工作原理

    智能閥門(mén)定位器主要是通過(guò)微處理器來(lái)比較閥門(mén)開(kāi)度的給定值和反饋回來(lái)實(shí)際值，并利用其偏差信號(hào)來(lái)控制進(jìn)入調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室的進(jìn)氣量，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制閥門(mén)的開(kāi)度。其閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示。

    該智能閥門(mén)定位器是通過(guò)壓電閥控制進(jìn)入調(diào)節(jié)閥氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室的進(jìn)氣量，從而使氣室中保持一定的氣壓以平衡執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的彈簧壓力和工作載荷。這里使用的壓電閥，其基本原理是依據(jù)壓電材料的壓電效應(yīng)。用一小片特殊制作的壓電陶瓷片，在它兩側(cè)加上20~30V電壓，壓電陶瓷片就會(huì)發(fā)生彎曲，總的形變量可達(dá)幾十微米。從而可以堵住/放開(kāi)進(jìn)氣口或排氣口，達(dá)到控制氣流的目的。

    由于傳統(tǒng)的控制算法，需要知道被控對(duì)象的精確的數(shù)學(xué)模型，才能有效地進(jìn)行控制，而工作載荷是變動(dòng)的，進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣室的氣壓也隨環(huán)境溫度和供氣壓力的變動(dòng)而變動(dòng)，所以很難準(zhǔn)確把握一次性進(jìn)氣量，所以控制效果不好。同時(shí)，如果控制不好，很容易使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于來(lái)回振蕩的狀態(tài)中。因此，考慮到模糊控制具有人的智能思維、適應(yīng)性好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，我們?cè)谥悄荛y門(mén)定位器的控制系統(tǒng)中把模糊控制理論知識(shí)運(yùn)用到該控制系統(tǒng)中。在該系統(tǒng)中，我們把單片機(jī)89C51將采集到的閥門(mén)開(kāi)度與設(shè)定值相比較得出的閥門(mén)開(kāi)度偏差u、開(kāi)度的變化率Δu進(jìn)行模糊化后，再由模糊控制算法進(jìn)行模糊推理判斷，根據(jù)不同的判斷結(jié)果發(fā)出一定寬度的脈沖信號(hào)去控制壓電閥占空比，即壓電閥根據(jù)不同寬度的脈沖信號(hào)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣室進(jìn)行連續(xù)供氣、斷續(xù)供氣和停止供氣，從而使智能閥門(mén)定位器既快又準(zhǔn)地控制閥門(mén)開(kāi)度^[5]。

    2 模糊控制理論在模糊控制器中的應(yīng)用

    考慮到便于在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)模糊控制，同時(shí)考慮算法的實(shí)時(shí)性，我們采用模糊控制系統(tǒng)中常用的算法：CRI推理查表法^[3]。模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟大體分以下幾步^[2]。

    2.1 確定模糊定量

    模糊控制器采用目前廣泛使用的二維模糊控制器，即以偏差u和偏差變化率Δu作為模糊控制輸入量，這種方式不僅能保證系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性，還可減少閥門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)量和振蕩現(xiàn)象，以壓電閥的開(kāi)啟時(shí)間為模糊控制輸出量。

    確定的模糊定量為：A：u為閥門(mén)開(kāi)度偏差；B：Δu為閥門(mén)開(kāi)度偏差變化率；C：c為壓電閥的開(kāi)啟時(shí)間。

    2.2 精確量的模糊化

    取閥門(mén)開(kāi)度的偏差值u，、閥門(mén)開(kāi)度的偏差值的變化率Δu作為模糊控制器的輸入條件。模糊化的具體做法是：先把觀測(cè)到的偏差或偏差的變化率的范圍定為[-6，6]之間的連續(xù)量，然后再將這連續(xù)的精確量離散化，即將其分成幾檔。若觀測(cè)到的實(shí)際偏差范圍為[a，b]，可按（1）式將[a，b]間變化的變量x轉(zhuǎn)化為[-6，6]之間的變量y。

        （1）

    該系統(tǒng)的實(shí)際偏差范圍為[0，100]，因此由（1）式可得到。而習(xí)慣上把[-6，6]之間變化的連續(xù)量離散化，其歸并方法見(jiàn)表1。

表1 輸入量的離散化

    所以對(duì)輸入變量u的論域取為：{-6，-5，-4，-3，-1，0，1，3，4，5，6}，其模糊集合記作：T（u）={NB，NS，O，PS，PB}，式中，NB=“負(fù)大”，NS=“負(fù)小”，O=“零”，PS=“正小，”，PB=“正大”，其輸入變量的隸屬度如圖2所示。

    同樣，如果觀測(cè)到的實(shí)際偏差變化率范圍為[a，b]，可按（2）式將[a，b]間變化的變量x轉(zhuǎn)化為[-4，4]之間的變量Y。

        （2）

    而將所得到的連續(xù)量離散化的歸并方法如同表1。因此，對(duì)于輸入變量Δu的論域取為：{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，其模糊集合則記作：T（Δu）={NB，NS，O，PS，PB}，其隸屬度如圖3所示。

    同樣，把控制輸出量的論域取為：{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，其模糊集合記作：T（Δu）={NB，NS，0，PS，PB}。其隸屬度與圖3一樣。

    2.3 模糊控制規(guī)則及推理

    模糊控制是建立在一系列模糊控制規(guī)則基礎(chǔ)上的，這些規(guī)則是人對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。在此我們采用應(yīng)用*多的二維模糊語(yǔ)句，即采用“IF A_i 且B_iTHEN C_i”為模糊控制規(guī)則。其中，A_i為偏差u論域上的模糊子集，B_i為偏差變化率Δu論域上的模糊子集，C_i為輸出控制量c論域上的模糊子集。根據(jù)氣體流量的參數(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出模糊控制規(guī)則表，如表2所示。

    有了表2所示的模糊控制規(guī)則，再根據(jù)Mam-dani蘊(yùn)涵定義[3]，可得出一個(gè)三元模糊關(guān)系R為：

        （3）

表2 模糊控制規(guī)則

    這樣對(duì)于給定的A^*、B^*的值，通過(guò)模糊合成運(yùn)算可得到模糊輸出量C^*=（A^*×B^*）。尺0在求出了輸出控制量C^*以后，以隸屬度法進(jìn)行清晰化計(jì)算，可以求出C^*對(duì)應(yīng)論域中的隸屬度的元素，這個(gè)元素就是輸出控制的清晰值。

    由于對(duì)于輸入值A(chǔ)^*在經(jīng)量化之后，它必定為對(duì)應(yīng)論域中的某個(gè)元素。輸入值B^*也是如此。因此，為了得到CRI推理的模糊控制查詢表，我們把輸入變量u的論域{-6，-5，-4，-3，-1，0，1，3，4，5，6}和輸入變量Δu的論域{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}的所有可能一一對(duì)應(yīng)作為輸入，再依據(jù)式C^*=（A^*×B^*）。尺和作清晰化運(yùn)算求出全部相應(yīng)的輸出清晰值，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可以作出輸入輸出的模糊控制查詢表，如表3所示。將此控制表作為文件存儲(chǔ)在單片機(jī)中，在實(shí)際控制時(shí)，只要通過(guò)對(duì)輸入量量化和查表兩個(gè)步驟，就可以得到控制值。單片機(jī)再根據(jù)不同的控制值，輸出不同寬度的脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電閥的控制。這種方法簡(jiǎn)單方便，實(shí)時(shí)性好。

表3 模糊控制查詢表

    3 模糊控制器的實(shí)現(xiàn)

    模糊控制器采用以單片機(jī)89C51為核心的單片機(jī)控制系統(tǒng)。89C51具有片內(nèi)4K字節(jié)的E2PROM和128個(gè)字節(jié)的RAM。它對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理、模糊判斷^[4]，并同時(shí)將處理的結(jié)果輸出給固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷功率型電子開(kāi)關(guān)，當(dāng)施加觸發(fā)信號(hào)在控制回路（輸入端）時(shí)，負(fù)載回路（輸出端）便接通，即壓電閥得電并處于導(dǎo)通狀態(tài)。對(duì)信號(hào)的采集是通過(guò)ADC0808來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ADC0808一方面采集來(lái)自調(diào)節(jié)器的對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的設(shè)定值，一方面采集來(lái)自電位器的對(duì)閥門(mén)開(kāi)度的實(shí)際反饋值。ADC0808把采集的0~+5V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后傳送給單片機(jī)89C51，由它來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理^[6]。芯片X25045具有電壓檢測(cè)、看門(mén)狗和斷電保護(hù)三種功能。MAX232為標(biāo)準(zhǔn)RS232接口轉(zhuǎn)換芯片，主要完成TTL至RS232電平的轉(zhuǎn)換，為單片機(jī)和PC機(jī)通信提供通路。這樣PC機(jī)不僅可以為單片機(jī)中的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和打印，而且可以對(duì)單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行更為復(fù)雜的計(jì)算處理。模糊控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    本模糊控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的控制，而且相對(duì)傳統(tǒng)蹬機(jī)械力平衡式或位移平衡式的閥門(mén)定位器，其響應(yīng)速度快且定位精度也由傳統(tǒng)閥門(mén)定位器的±1%提高到了±0.5%。由于本智能定位器能與上位PC機(jī)進(jìn)行通信，所以也為該定位器進(jìn)行進(jìn)一步的智能控制，如自調(diào)整模糊控制、基于遺傳優(yōu)化算法的模糊控制等奠定了一定基礎(chǔ)。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司