压电式阀门定位器参数寻优自整定方法
压电式阀门定位器执行机构种类繁多，其控制参数存在较大差异。传统的参数自整定方法没有整定出能够反映执行机构本质特性的重要参数。我们提出的参数自整定方法，通过对执行机构做开环测试，整定出阀位最大运行速度，最大过冲量;采用逐次逼近和分段查找的方法，快速整定出目标位置的最佳PWM占空比;使用分段线性化的方法，获得任意位置的最佳PWM占空比。在基于MSP430F5418单片机的硬件系统上实时实现了参数自整定和控制，针对不同的气动调节阀进行了实验，使得PWM个数减少到10个以内，调节时间小于1s，无超调。
1、引言
阀门定位器作为气动调节阀的核心部件，通过接受给定信号和阀位反馈信号，利用合适的控制策略实现执行机构的精确定位。阀门定位器的工作过程主要分为参数自整定和闭环控制两部分，闭环控制算法根据参数自整定的结果来完成控制过程，使阀位按照预期的设定，快速地进入目标位置。
闭环控制中所使用的控制算法是阀门定位器的核心，不同的公司对于不同类型的阀门定位器，根据其主要特性选择不同的控制算法。在国外，德国西门子公司压电式SIPARTPS2系列采用的是五步开关法作为主控制算法;日本山武公司喷嘴挡板式SVP3000系列采用的是微分先行的PID算法。
在国内，重庆川仪自动化股份有限公司压电式HVP系列采用的是五步开关法;天津大学研制了五步开关模糊控制算法;杭州电子科技大学SEVP型采用在线辨识和人工智能的方法;合肥工业大学和重庆川仪自动化股份有限公司针对传统的五步开关法用于压电开关式阀门定位器控制时，由于执行机构速度过大，经常出现超调和振荡的情况，提出了带反向PWM的五步开关法。
在阀门定位器的控制中，选择了相应的控制策略以后，就需要针对控制算法以及相应的阀门类型提出最优的参数自整定方法，通过该参数自整定算法能够准确并完整地整定出能够反映阀门特性的以及控制算法中的控制参数，从而保证控制算法的控制精度和良好的适应性。由于气动调节阀的执行机构种类繁多，其静、动态特性一致性较差，在控制过程中，工作载荷和气室的气压均是变化的，其被控参数是时变、非线性及不确定的，精确的数学模型难以建立，这就造成了控制参数的不确定，靠单纯的经验所给出的控制参数不具有普遍适用性，且调整过程繁琐。因此，对阀门定位器进行参数自整定是闭环控制之前的首要任务。参数自整定的优劣直接影响到系统的最终控制效果。西门子公司通过对泄漏量和最小定位增量的测试，获得了较好的控制效果;天津大学在自整定过程中采用分段线性化的方法进行最小定位增量的测试，获得合理的控制参数。本文针对带反向PWM的五步开关法，提出相应的参数自整定方法，在阀门的自整定过程中，自动辨识出最大速度、最大过冲量和任意位置的最佳占空比，有效地确保带反向PWM五步开关法的控制效果。
2、带反向PWM的五步开关控制算法
传统的五步开关法采取的是Bang-Bang(以下简称B-B)控制和正向PWM相切换的方法，B-B控制是指在阀位距离目标位置较远时，将进气口(或排气口)全开，对阀位进行全速调节;正向PWM控制是指当阀位靠近目标位置，在一定范围内按照设定的周期和占空比，输出PWM波，然后再通过判断该电平，若是高电平将进气口(或排气口)打开;若是低电平则进行保持，以此来达到减速的目的。但是，该方法只能在一定程度上控制速度，对于速度较快的执行机构，仍会出现超调甚至振荡。
为了解决传统的五步开关法在控制过程中存在的问题，提出了带反向PWM的五步开关法，反向PWM控制和正向PWM控制相似，只是在高电平情况下进气和排气的状态相反，其基本原理如图1所示。当误差较大时，阀位位于快速区，此时采用B-B控制，快速减小误差;当误差较小，但速度较大时，阀位位于降速区，此时采用反向PWM控制，迅速减小阀位速度;当误差较小，且速度也较小时，阀位位于微调区，此时采用正向PWM控制，缓慢逼近目标位置;只有当误差与速度都很小时，阀位才进入死区。由于控制算法中涉及B-B控制和PWM控制的切换，所以需要根据不同的执行机构选择不同的切换点;而反向PWM的切换是根据阀位速度来确定，如何确定该速度也是关键的问题;又由于正向PWM控制是该算法的核心，所以如何实现对最佳占空比的精确寻找，决定了最终的控制效果。这些关键参数均需要在自整定过程中确定，因此，参数自整定将保证控制算法的精度，且能增强控制算法的普遍适用性。
图1 带反向PWM的五步开关法相平面图
3、参数自整定过程
针对气动执行机构种类繁多，特性差异较大的问题，提出自寻优自整定算法，能够自动辨识气动执行机构的行程类型、端点位置、最大运行速度、最大过冲量、纯延时以及最佳占空比等参数，有效地抑制了系统超调，并显著提高控制速度、控制精度以及普遍适用性。
图2 参数自整定过程曲线
3.1、确定行程类型
阀门定位器压电阀内部引出4个端子A、B、C、D，其中AD端子控制进气，用逻辑值表达4个端子的状态为1001，BC端子控制排气，逻辑值表达为0110，保持状态为0000。又因为阀门定位器按行程类型分为正行程和反行程，对于正行程阀门定位器，进气时阀位减小，排气时阀位增大，而反行程则正好相反，因此首先要判断行程类型，也就是真值表和阀位方向的关系。参数自整定第一步如图3所示。
3.2、测试开环特性
图3 Step1参数自整定流程图
这一步的主要目的是通过开环实验，求取执行机构开环特性，从而整定出阀门定位器的上升和下降的纯延时、调节时间、最大运行速度、最大速度位置等参数以及行程端点位置。因为，执行机构在进气过程和排气过程中的特性差异明显，因此，进气过程和排气过程的参数需分别整定。具体方法为：首先，根据自整定第1)步整定得到的行程类型，控制阀门定位器以全开的方式从底端运行到顶端，测量上升过程斜率最大的点，即最大速度Vup、最大速度位置Lup、从进气开始到阀位开始动作的时间差，即为纯延时τup、阀位从底点到顶点时间，即调节时间Tup以及顶端位置Ltop和底端位置Lbuttom。然后，控制阀位以全开方式从顶端位置运行到底端位置，测量下降过程斜率最大点，即最大速度Vdown、最大速度位置Ldown、从排气到阀位动作时间差，即纯延时τdown以及阀位从顶点到底点时间，即调节时间Tdown。由于活塞压紧弹簧时，靠近端点位置处非线性特别严重，调节时间特别长，因此，定义调节时间Tup为阀位从10%FSR位置上升到90%FSR位置的时间，Tdown为阀位从90%FSR位置下降到10%FSR位置的时间。
由于不同的气动执行机构特性的不同，导致了调节时间较大的差异，因此，在开环测试过程中，需要保存较多数据来计算执行机构的开环特性，容易造成数据溢出、计算结果不准确等问题。因此，为了提高参数整定的可靠性，本文提出2点处理措施：1)根据自整定第2)步中自整定得到的调节时间，采用可变间隔的隔点抽取保存方法，如果调节时间较长，则选取较大的间隔来保存数据，从而保证数据不会发生溢出。2)由于执行机构在运行过程中速度不是完全平稳的，所以在计算速度时，通过保存一段时间的采样值，然后计算5次速度，通过去最大值和最小值，再计算平均速度的方法，来消除随机误差，从而保证速度的准确性。
3.3、确定最大过冲量
由于气动执行机构运动过程中，存在机械惯性，这是因为在既不进气也不排气的情况下，执行机构仍具有一定的速度，从而会产生过冲量。根据五步开关法，在误差比较大时，采用B-B控制，在误差较小时采用PWM控制，因此B-B控制与PWM控制之间切换点的选择对最终的控制效果有很大影响，如果切换点离死区太远，则调节时间会太慢;如果切换点离死区太近，则容易产生超调。所以根据执行机构所固有的机械惯性，选择最大过冲量作为分界点。
由阀门定位器的开环特性实验可知，在满量程范围内，阀位最大运行速度处的过冲量最大。因此，定义最大过冲量为：阀位运行到最大速度位置，控制端口给出保持逻辑以后，阀位继续滑行的距离。
参数自整定第3)步流程图如图4所示。根据第2)步中所整定出的最大速度位置，在最大速度位置处，分别整定上升过程的最大过冲量Sup和下降过程最大过程量Sdown。将最大过冲量作为控制过程中B-B控制和PWM控制的分界点，从而保证了控制效果。
图4 Step3参数自整定软件流程图
3.4、确定最佳PWM占空比
由于气动执行机构种类繁多，且非线性特性严重，所以，阀门定位器在不同控制目标位置所需要的PWM占空比是不同的。不同PWM占空比所对应的阀位上升过程曲线和下降过程曲线如图5所示。由图可知，PWM占空比越小，阀位运行速度越慢，调节时间越长，PWM占空比越大，阀位运行速度越快，调节时间越短。因此，针对非线性特性比较严重的气动执行机构，不同目标位置对应不同的PWM占空比。传统的阀门定位器在使用五步开关法的过程中，PWM占空比一般是根据经验给出，不具有普遍适用性，对于非线性严重的执行机构，同一PWM占空比在某一目标位置可能会因为占空比太大导致超调，而在另一位置可能会因为占空比太小导致调节时间过长。所以，提出了在参数自整定过程中，确定最佳PWM占空比的方法。将整个行程分段，在不同的行程位置，使系统自动辨识相应的PWM占空比。
图5 不同PWM占空比阀位响应曲线
定义最佳定位速度
为 
，通过调节不同的PWM占空比，计算相应的阀位运行速度，与最佳定位速度 最相近的速度值所对应的PWM占空比，即为该段的最佳占空比。为了获得分辨率较高的最佳占空比，采用了逐次逼近、折半查找和分段线性化多种方法相结合的寻优方法，具体实现步骤为：1)使阀位运行到目标位置附近，初始化PWM占空比，在该占空比状态下，控制阀位从目标位置?2.5%FSR位置运行到目标位置+2.5%FSR位置，计算目标位置±2.5%FSR范围内的平均速度V。2)若V> ，则以10/100的幅度增加PWM占空比，按步骤1)的方法继续控制，并测量此时的平均速度;若V> ，则以10/100的幅度减小PWM占空比，按步骤1)的方法继续控制。3)假设PWM占空比为D1时，平均速度V1> ，而PWM占空比为D2时，平均速度V2< ，开始折半查找，设置PWM占空比为D2+5/100，按步骤1)的方法继续控制，测量此时的平均速度为V3。若V3≤ ，则通过分段线性化，可得最佳占空比D为 
若V3≥ ，则最佳占空比D为 
4)分别寻找10%FSR、30%FSR、50%FSR、70%FSR、90%FSR位置最佳占空比D，再通过分段线性化，确定每个目标位置对应的最佳占空比，最后，将分段线性拟合系数保存在EEPROM中。
在参数自整定过程中，最重要的控制参数为最大运行速度、最大过冲量和最佳PWM占空比，其中，最大运行速度的大小决定了最大过冲量的大小，最大运行速度越大，表明该阀门所带负载越轻，气缸越小，最佳PWM占空比也越小。因此，最大过冲量和最佳PWM占空比的整定结果直接影响了控制效果，而最大运行速度则代表了阀门本身的特性，是最重要的参数。
3.5、单片机实现
系统硬件由重庆川仪自动化股份有限公司研制，MCU采用的是TI公司的MSP430F5418型号单片机，该单片机不但具有超低功耗的特性，而且功能强大。本系统参数自整定软件采用模块化设计方法，将自整定整个过程分为4个模块：模块一是行程类型确定;模块二是开环特性确定;模块三是最大过冲量确定;模块四是最佳占空比确定。自整定各个模块独立工作，按照流程依次整定得出所需参数。参数自整定流程图如图6所示。
图6 参数自整定流程图
4、参数自整定效果
在五步开关法中，阀位的速度主要由PWM占空比决定，如果阀位速度太大，则会导致超调甚至是振荡;如果阀位速度太小，则会造成调节时间过长。传统的五步开关法的PWM占空比是根据经验设定的，在整个行程范围内使用的是相同的PWM占空比，不但会造成同一执行机构不同行程位置控制效果的明显差距，而且不具有普遍适用性。经过新的自整定方法整定出的最佳PWM占空比，是经过分段线性化得到的，不同的行程位置得出不同的PWM占空比，反映了执行机构自身的特性，在整个行程范围内的控制效果明显改善，而且具有普遍适用性。
将新的自整定方法在硬件系统上实时实现以后，在重庆川仪自动化股份有限公司对不同类型的气动调节阀进行了自整定，并根据自整定所得到的参数进行了控制实验，考核其有效性。对于2型带石墨负载气动调节阀，因为其负载较轻，执行器速度较快，在不使用整定最佳占空比的方法进行控制时，控制过程经常出现超调和振荡的现象。因此，以2型直行程气动执行机构带石墨负载时的控制效果为例，比较参数自整定前后的控制效果。
参数自整定之前的控制效果如图7和图8所示。根据现场经验，设定B-B控制与PWM控制之间的分界点以及PWM占空比的大小。设定死区范围为0.4%FSR，给定信号从4mA开始按给定阶跃信号6%FSR逐渐增加到13mA。由图7可知，随着阀位的上升，由于非线性的原因，正向PWM个数逐渐增多，调节时间逐渐变长。图8所示为9~10mA阶跃变化时，控制效果局部放大图，正向PWM个数为6个，调节时间为0.83s。
参数自整定自后的控制效果如图9和图10所示。由参数自整定得出最大过冲量，最大速度以及最佳占空比等参数，设定死区范围为0.4%FSR，给定信号从4mA开始按给定阶跃信号6%FSR逐渐增加到12mA。由图9可知，随着阀位的上升，不同目标位置，调节时间差不多，正向PWM个数没有增加，与参数自整定之前的控制效果相比有明显的改善。图10所示为9~10mA阶跃变化时，控制效果局部放大图，正向PWM个数为2个，调节时间为0.69s。参数自整定以后，PWM控制个数减少，调节时间减小。
图7 参数自整定前控制效果图
图8 参数自整定前控制效果局部放大图
图9 参数自整定后控制效果图
图10 参数自整定后控制效果局部放大图
5、结论
确定出B-B控制和PWM控制的分界点和执行机构最大过冲量的关系，通过整定出最大速度位置处的过冲量，作为控制过程中B-B控制和PWM控制的分界点，从而保证了控制时间并且不易产生超调。在参数自整定过程中，根据最佳定位速度寻找不同位置的最佳PWM占空比，实现控制过程中任意位置PWM占空比的实时计算，减小控制脉冲的个数，加快阀门定位器的定位速度，对于不同类型阀门定位器能够根据实际情况，准确地确定出最佳PWM占空比。在基于MSP430F5418的硬件系统上实现了阀门定位器的参数自整定和闭环控制，针对不同类型的气动调节阀进行实验，与传统五步开关法的控制结果相比，效果改善显著。
