1 阀门定位器控制系统工作原理
阀门定位器控制系统结构图如图1所示, 控制系统的输入信息是来自上位机的阀位设定信号, 通过信息解码转换成调节阀的阀位设定信息, 通过控制运算器结果的输出, 执行机构开始动作, 推动阀杆达到设定阀位。
2.1 建立数学模型
阀门定位器控制系统的阀杆运动机构, 可以近似认为气动力激励下的弹簧阻尼运动, 是一个二阶振荡环节, 其传递函数如下:
式中:P1 (s) 为气动执行器输出压强, X (s) 为阀杆的位移, k为系统等效刚度, c为系统阻尼系数, m为将阀杆及其附件视做的质块质量 (将弹簧质量计入在内) , 定位器系统的气动执行机构是薄膜气缸, 其可等效为一个气动阻容环节, 其传递函数可近似写作:
式中:P2 (s) 为气动执行器输出压强, P3 (s) 为气动执行器输入压强, 即先导式电/气比例阀输出压强, T2为气动阻容环节的时间常数。
根据气体在先导式电气比例阀中运动过程的特点, 可将先导式比例阀系统近似看做是一个具有比例特性的振荡环节来分析, 此部分的传递函数可表示:
经过分析可知, 阀位反馈环节是一个典型的比例环节, 传递函数可表示:
式中:r为阀位的传动机构中齿轮分度, 圆直径为d, r=d/2
根据以上分析, 可以得到阀门定位器系各个模块的数学模型和传递函数, 结合模糊PID算法, 可在MATLAB中搭建出系统控制框图。
2.2 阀门定位器系统仿真
根据上述建立的阀门定位器控制系统的传递函数, 可在Simulink仿真环境中搭建仿真模型, 对系统传递函数进行仿真分析。
阀门定位控制系统无PID控制如图2所示, 常规PID控制和模糊PID控制下的响应曲线。curve1为阀门定位器无PID控制系统的单位阶跃响应曲线;curve2为应用常规PID控制系统的单位阶跃响应曲线;curve3为应用模糊PID控制系统的单位阶跃响应曲线, 从图中分析可得, 智能PID控制系统在超调和稳定时间上相比于无智能控制系统的阀门定位器都有明显的改善, 而使用智能模糊PID控制系统, 曲线平缓稳定, 系统性能得到明显改善。
图2 定位器系统单位阶跃响应曲线对比图
3 结论
结合阀门定位器的应用领域和控制特点, 提出了基于模糊PID控制的阀门定位器控制系统, 建立了阀门定位器基于模糊PID控制的系统传递函数, 设计出基于模糊PID控制系统的阀门定位器, 保证阀门定位器的控制性能及控制精度。采用阶跃函数输入的方法对模糊PID控制系统进行仿真研究, 对结果进行分析, 模糊PID控制系统相比于常规PID控制系统及无常规PID控制系统, 控制速度快、稳定性好、精度高, 验证了基于模糊PID控制系统的阀门定位器的合理性和有效性。