智能阀门定位器PID参数自整定及控制算法设计
2009年11月第37卷第11期
机床与液压
MACH I NE TOOL &HYDRAUL I CS
Nov 12009
V ol 137No 111
DO I :10.3969/j 1issn 11001-3881120091111045
收稿日期:2008-11-10
基金项目:西北工业大学研究生创业种子基金项目(200837)
作者简介:冯卫星(1986)),男,西北工业大学在读硕士,主要研究方向:机电测控系统、PI D 控制。电话:
158********,E-m ai:l dem itiya @yahoo 1co m 1cn 。
智能阀门定位器P ID 参数自整定及控制算法设计
冯卫星,樊泽明,王亮
(西北工业大学自动化学院,陕西西安710072)
摘要:针对智能阀门定位器非线性和动态特性差的问题,提出了控制响应过程和误差相平面分析的方法。在Z i eg l e r -N ich l o ls 整定公式基础上对P ID 参数设计了整定算法,并选择了基于相平面分析的P ID 控制策略。实验表明:此算法简单,对多种阀门全行程内适应性较强,满足工业生产需要。
关键词:智能阀门定位器;P I D 控制;自整定
中图分类号:T P273 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2009)11-143-2
Self -t uning of PID P ara m eters on Intelligent Valve Positioner
FE NG W e i x ing ,FAN Ze m ing ,WANG Liang
(Sc hoo l ofAuto m ation ,Nort h w estern Po l y technicalUn i v ersity ,X i p an Shaanx i 710072,Ch i n a)
Abstrac t :T o settle the prob le m of non -li nea r and bad dynam ic character i sti c of t he intelligen t va l ve pos itioner ,t he m ethod of
analysis w it h response process and erro r phase plane w as put fo r w ard .Based on the f o r mu l a of Z i eg ler -N ich l o ls ,t he ar i th m etic for P I D para m eter w as desi gned .The P I D con tro l strategy on the ana lysis o f phase plane was chosen .T he exper i m ent sho w s that the ar ith m eti c adapts many v alves i n f u ll j ourney ,can sati sfy t he i ndustria l app licati on .
K eyword s :Pos itioner o f i nte lli gent valve ;P ID contro ;l Se l-f tun i ng
0 引言
阀门定位器是气动执行器的主要附件,接收控制器的输出信号,并产生与之成比例关系的输出信号来控制执行器,以实现控制阀的准确定位。智能阀门定位器的执行机构,其静、动态特性的一致性很差。在对其设计P I D 控制器时,首要问题就是P I D 参数的整定,P I D 控制算法作为一种通用的控制策略,其P I D 参数整定有许多方法,但是工程实用中对于缺少传递
函数的模型,P I D 参数调整困难[1-2]
。作者在对阀门定位器控制要求和系统的先验知识分析的基础上,通过对阀门定位器的单位阶跃响应的数据处理,设计了P I D 参数整定方法,并采用了一种基于误差相平面分析的P I D 自整定的方法完成了阀位控制。实验表明,此方法满足单片机低处理速度要求,并能得到满意的控制效果,有较大的应用价值。
1 智能阀门定位器的原理
图1 智能阀门定位器原理图
智能阀门定位器由信号处理部分、微处理器,电气转换部分和阀位检测反馈装置等部分组成。
阀门定位器的原理图如图1所示
[3]
。
微控器将输入信号与阀位反馈信号进行处理、比较,判断阀门开度与输入信号是否一致,并输出控制电信号给电-气转换控制部分,转换成气压信号,推动调节器工作。阀位检测反馈装置检测执行器的阀杆位移并转换为电信号反馈至信号调理电路。
2 智能阀门定位器参数整定及响应误差特征的分析211 PI D 参数自整定
P I D 参数的初次整定通过单片机获得系统单位阶跃响应数据,然后采用Z iegler -N ichlols 方法来获得P I D 初值,对结果做出分析。
对于传递函数G (s)=K e -S s
/(T s +1),有Z i eg ler -N ichlols 整定公式:T i =2S
K p =
112T K S
T d =015S
(1)
其中T 、K 、S 可以根据阶跃响应实验测得,并通过模式辨识和曲线拟合的方法在计算机上获得。
212 响应过程分析
阀门定位器的分析采用典型二阶系统的模型。对其响应过程可作以下分析:
假设:e(k )表示当前采样时刻的误差;e(k -1)、e(k -2)分别表示前一个采样时刻和前两个采样时刻的误差;e #
(k )表示当前误差值的一阶导数;e &(k)表示当前误差值的二阶导数;E 为任意小的正实数。
(1)当|e(k)|>L 时,此时误差值已经很大,应当使控制器的输出按最大(或者最小)输出,迅速调整误差,使得|e(k )|以最快速度减小,执行开环控制。
(2)当|e(k)| (k )| |较小时,可以采用P I 控制。 (5)当e(k )e #(k )<0、e #(k )e # (k -1)>0或者e(k)=0时,说明误差向绝对值减小的方向移动或者趋于平衡状态,可以采取保持控制器的输出不变。 213 误差相平面分析 在给定阀门开度时,由于系统非线性导致的参数变化和外界干扰,其动态特性会反映在偏离设定值的误差e 和其一阶导数e #上。将误差e 和e #使用相平面法分析,可以比较直观地判断系统的稳定性及参数对系统的影响。将相平面划分为若干区域,结合前面论 述的误差特征设计P I D 整定方案[4-6] ,如图2 所示。 图2 误差相平面分析 建立满足图中C i 的函数关系式:C i =f (e ,e #,e &) i =1,2,,,21 (2) 其中:C 1={e \L };C 2={e [-L };C 19={e =0};C 20={e e &\0的情况; C 6,C 7,C 13,C 16为e &<0的情况。 214 PI D 控制器设计 P I D 控制器主要由模式集C ,控制规则集u 和推理规则集R 组成。 模式集:上述相平面分析中的共21种特征信息 状态。C ={C 1,C 2,,,C 21}; 控制规则集:结合212节中论述响应分析,针对模式集设计其PI D 控制策略。 u =u{u 1,u 2,u 3,,,u 8}式中: u 1={u (k)=u max }u 2={u (k)=u m in } u 3={u (k)=u(k -1)} u 4={u (k)=u(k -1)+K p $e(k )} u 5={u (k)=u(k -1)+K p $e(k )+K i e(k )}u 6={u (k)=u(k -1)+K p $e(k )-K i e(k )}u 7={u (k)=u(k -1)+K p $e(k )+K d $2 e(k )} u 8={u(k)=u(k -1)+K p $e(k)+K i e(k)+K d $2 e(k)} 其中:$e(k )=e(k)-e(k -1) $2 e(k )=e(k )-2e(k -1)+e(k -2) 推理规则集:R ={R 1,R 2,,,R 21},如表1。 推理格式R i : if C i then u j 。 表1 推理规则集R C U R C U R C U R 1C 1u 1R 8C 8u 4R 15C 15u 6R 2C 2u 2R 9C 9u 8R 16C 16u 4R 3C 3u 4R 10C 10u 5R 17C 17u 8R 4C 4u 8R 11C 11u 4R 18C 18u 8R 5C 5u 7R 12C 12u 8R 19C 19u 5R 6C 6u 6R 13C 13u 6R 20C 20u 3R 7 C 7 u 7 R 14 C 14 u 5 R 21 C 21 u 8 3 实验结果分析 实验系统由摩头、信号源、智能阀门定位器和信号采集卡组成,如图3所示。 图3 实验系统实物图 其中采用4~20mA 的电流输入源作为信号源控 制阀位输出,每个电流值对应于相应阀门位移,在组装好试验系统之后,输入单位电流,智能控制器控制摩头内的气压驱动阀位移动,其动态数据采用高速高精度数据采集卡采集并输入计算机内。根据式(1) (下转第147页) # 144#机床与液压第37卷 度误差曲线,分别如图6、7 所示。 由图6、7可以看出,不同的速度环参数对速度跟随误差影响较大,采集观察电机运动指标曲线不仅可以了解其伺服性能优劣,还可以根据观测到的速度曲线进行速度环参数的调整,从而实现参数调整过程的图形交互。 4 结论 数控机床进给伺服系统的调整是一个复杂和耗时的工作。数控机床出厂后,使用人员通常无法了解、调试其伺服性能,致使多数数控机床的伺服性能没有在较好的状态下工作。作者基于现有数控设备,开发了伺服参数调整的测试系统,通过采集、分析机床运动过程中运动指标参数,将伺服系统状态变化以可视化的方式输出,可以更加直观地分析伺服性能的优劣,为调整提供了依据,并通过实验对测试系统和调试方法进行验证。实验表明:测试系统和方法可以有效提高数控机床伺服参数调整的效率和精度,是传统伺服调整的有益补充。参考文献: =1>方成刚.数控强力切削的颤振机理研究[D ].南京:南京 工业大学,2004. =2>三菱电机自动化(上海)有限公司CNC 技术部.伺服调整教程[Z ],2006.=3>陈庆樟.伺服系统的性能分析及其调整过程的研究 [J].伺服控制,2006(6). =4>M ELDA S A C 伺服M D S -R 系列规格和操作说明书[Z].=5>M ELDA S 60/60S 系列报警/参数说明书[Z ]. =6>王明友.三菱EZ M o ti on_NCE60数控系统的调试[J].机 械工人#冷加工, 2005(3). (上接第144页) 整定公式计算PI D 参数:K p =21432,T i =31236,T d =01809。然后由式(2)的函数关系,以及模式集C,控制规则集u 和推理规则设计实验,并作图比较其动态响应特征。图4是系统的动态响应曲线。 图4 智能阀门定位器控制响应曲线 4 结论 智能阀门定位器是一个非线性、大滞后、时变的控制系统,没有确定的数学模型,在全行程范围内动态特性很差。而诸多智能化算法在低主频的单片机上无法实现,在这种前提下,对此进行分析,得出以下结论: (1)智能阀门定位器控制系统中,误差相平面特征充分反映了系统的静态和动态特性,特别是误差和误差变化率的实时变化,将相平面划分为若干区域,可以提高偏差的辨识能力,结合PI D 控制规律,能较好地完成阀位控制。 (2)基于误差相平面的PI D 控制和整定的算法简单,容易实现,能够满足单片机的计算要求,只需要较少的存储空间和计算时间。 (3)使用阶跃响应的办法测试了系统的响应模型,测试实验表明,Z -N 算法在调节时间、超调量方面满足工业生产的需要。参考文献: =1>杨伟清,王化祥.智能电气阀门定位器的参数自整定 [J].电子测量技术,2008,31(1):39-42.=2>樊泽明,冯卫星,王亮,等.智能阀门定位器P I D 单参数 模糊自适应控制设计[J].西安工业大学学报,2007,27(6):563-566. =3>F ukuda M i noru ,U ch i ya m a O sa m u .R e m ote type s mart pos-i tioner to offer soluti on i n the fi e l d -Smart va l ve positi oner re -mote type AV P 3000a l phap l us[J].Japan T echn ica l A ssoc .o f the Pulp and P aper Industry ,2002,26(3):85-90.=4>张吉礼,欧进萍,于达仁.基于相平面轨迹特征的规则自 调整模糊控制方法[J].控制理论与应用,2003,20(4):607-611. =5>薛凌云.一种智能P ID 控制器在铍青铜热处理中的应用 [J].测控技术,2004,23(4):32-34. =6>武自才,郭万军.智能阀门定位器控制系统设计[J].仪 表与计量技术,2006(6):39-41. #147#第11期王莉等:三菱数控系统伺服参数调整技术研究