彻底解决气动控制阀控制系统爬行和滞后问题的方案

发布时间:2011-08-13  点击数:1830

      机械系统在低速运行时,由于摩擦的存在,常常会引起动态滞后和系统误差;由于非线性摩擦的存在,常常会出现爬行现象,导致系统不稳定[1]。在调节阀自动控制系统中,非线性是控制系统不稳定的最大根源[5]

      当检测到系统已发生爬行和滞后问题后,理论上讲应立即停机检查并作相应处理,但有时怕影响生产,即使发现了,也要等到下一次停机时才作检查和相应处理。这势必会使系统的精度和稳定性下降,严重时会造成系统局部器件的损坏。

      为了解决这一问题,当用专门的爬行和滞后检测仪器[6]检测到系统已发生爬行和滞后问题后,在控制信号环节加入某种额外脉冲信号,补偿系统的非线性因素(静摩擦),以减小或消除爬行和滞后现象,改善系统的精度和稳定性。本文将论叙这一方法。

一、气动控制阀示意图及原理

      气动控制阀阀门、活塞缸、定位器三部分组成。阀门用来控制流体的流量,活塞缸带动阀门运动,定位器用来控制信号阀门的位置。

      气动控制阀的原理图见图1。其中阀门可以是各种类型的阀门,图1所示的活塞缸通过气压使阀门在两个方向转动,而有些活塞缸在缸的某一边有弹簧。

      阀门和活塞缸尺寸差别可能很大,但都可以使用同一尺寸的定位器。导阀是定位器的关键部分,导阀的型式基本上与图1都是一样的。

      气缸愈大,用气量愈大。如果定位器一样,气缸愈大,改变气缸中气压所花时间愈长。同理,大气缸比小气缸活塞面积大移动阀门时活塞两边的压差要小些。

       (图1说明:控制信号u变化时,膜腔内的压力将发生变化。平衡杆使导阀移动。气缸活塞一边的气压增加,活塞移动,活塞另一边的气体流向定位器,活塞带动阀门和定位器的连杆一起移动到一个新的位置,于是弹簧力发生变化,膜腔、平衡杆和导阀重新到达新的平衡位置。例:导阀向下,则压力空气流向气缸下腔,活塞向上运动,气体从上腔流回定位器腔内。活塞带动连杆向上运动。于是弹簧压力增大,迫使膜腔和平衡杆向上移动,膜腔、平衡杆、导阀平衡在新的位置。)

二、控制阀中的静摩擦,爬行和滞后

      最严重的非线性是静摩擦和滞后。当然,机械结构中总是有阻力和滞后的,问题是静摩擦和滞后大多是在运行中逐渐慢慢增加的,一段时间后,将引起控制环节的爬行和振动。

      在所有的阀类中,阀轴和密封填料及轴承套之间产生摩擦,密封加紧时,摩擦力会变大。而为了避免发生泄漏,运行一段时间后,会将密封调紧。在球阀、节流阀中,球体/节流嘴与阀座间经常也有很大的摩擦力。如果空气被污染,导阀中的阻力也会增加,引起各种问题。摩擦、振动和滞后会出现在机构的各个地方。

      不同时间,不同运行点静摩擦力不同。温度变化引起摩擦力变化。温度高,材料膨胀,摩擦力增加。介质变脏也会增加摩擦力。介质中的杂质(细小颗粒)对阀也有损害。磨损通常是非均匀的,因此阀门的不同位置,摩阻也不同。

三、静摩擦补偿与信号反馈

      1、气动控制阀的静摩擦补偿

      高频输入信号可以使静摩擦点在在不同地方迅速转换。较高的振荡频率能大大地改善控制性能。

      2、半反馈和全反馈

      输出信号的测量位置直接影响着控制系统的精度和灵敏度,在反馈系统中,一般有半反馈和全反馈。如果测量信号取自阀门的阀杆处,为半反馈,这时由于阀杆及其他部件的弹性,还有爬行和滞后等其他因素,该信号并没有真实反映阀门的开度。因此应直接将通过阀门的流量作为测量信号,为全反馈,系统的精度和灵敏度较高。

四、静摩擦补偿脉冲发生器(简称脉冲发生器)

      1、补偿原理概述

      爬行和滞后往往是由静摩擦引起的,因此解决爬行和滞后就是如何补偿静摩擦的问题。因此需要在控制环节加一补偿性质的脉冲发生器,这对提高控制过程的精度和稳定是有利的[2]

      理想的静摩擦补偿脉冲发生器应既能施加某种脉冲到控制信号变量中,又能保证每个脉冲有一个能量范围,精确的补偿静摩擦力。能量过低,阀不能转动,能量过高,又会引起阀的不应有的滑动。难点是,静摩擦力是不断变化的,是未知的。

      静摩擦补偿脉冲发生器能产生一连串脉冲波,有相对小的能量范围。原理设想如下:在控制信号变化率的方向上,加幅值和间隔相等的短脉冲到控制信号中。只要控制误差不为零,用控制调节器中的积分器,能使脉冲的基本值逐渐变化。这就意味着,气缸活塞两边的压差将逐渐增加直到阀滑动为止。

      在滑动后很短时间内可能会有几个错误的脉冲信号,但是由于测量信号不会立即对滑动产生反应,因此也没有控制信号。而且这些额外的脉冲不会形成任何危害,因为阀停在新的位置不动,脉冲不能克服静摩擦力,这是使每个脉冲有较小能量范围的好处。

      静摩擦补偿脉冲发生器静摩擦补偿过程的原理如图2所示。当用专门的爬行和滞后检测仪器[6]检测到系统已发生爬行和滞后问题后,根据控制信号uc(t),脉冲信号发生器产生相应的脉冲,叠加到原有控制信号uc(t)中,输出u(t)控制生产过程,输出u(t)有能量使过程先动作一步,且动作量正好合适,以克服爬行和滞后现象。脉冲发生器的开启与否,可自动或人工决定。

      控制信号u(t)包括两部分:u(t)=uc(t)+uk(t)

      其中uc(t)是标准控制器的输出信号,uk(t)是静摩擦补偿脉冲发生器的输出信号。

      通常,uc(t)是PID调节器的输出信号,其参数为比例系数K,积分时间常数Ti和微分时间常数Td。调节器的采样周期为h•S。

      从静摩擦补偿脉冲发生器的输出信号是一列脉冲,由三个参数确定(见图3)。每个脉冲间的时间间隔hk,脉冲幅度a,脉冲宽度τ。在每个脉冲间隔

      uh(t)=a×(u c(t)- uc(tp )        t≤tp+hk
      uk(t)=0      t>tp+hk

      tp是前个脉冲开始的时间。每个脉冲信号是由控制信号uc(t)的变化率决定的。

      2、参数的选择

      静摩擦补偿脉冲发生器有三个参数hk,a,τ。它们决定了脉冲的特性。必须合适选择这些参数。一方面脉冲应该足够大,以使阀滑动比无静摩擦补偿脉冲发生器时早一步;另一方面脉冲也应该足够小,以使阀不会产生额外的滑动。

      静摩擦补偿脉冲发生器输出和过程输出之间的传递函数为

     
      Gp是过程传递函数,Gc是控制器传递函数。设uk(t)脉幅a,脉宽τ,过程输出变为[3]

     

      从上式可以看出,干扰与乘积aτ成正比。因此乘积aτ决定了静摩擦补偿脉冲发生器每个脉冲的能量。

      A、脉幅a

      如果脉幅太低,导向阀将开得过大,产生非人为要求控制的气缸低压边气体排出。见图1。因此要求保证相对较小。试验证明选择脉幅a在范围1%<a<4%是合理的。

      B、脉宽τ

      在阀滑动的瞬间不反馈太多的能量到定位器是非常重要的。因此需要采用相对短的脉宽τ值,但不能小于系统采样时间h。试验表明[5],选择在h到2h合适。其中h=0.2s。这些值对150mm阀是合适的,但对非常大的气缸,应更大些。

      C、脉冲间隔hk

      脉冲间隔hk应比控制器的采样时间h和脉宽τ大。要求保证相对于闭环时间常数短,以保证脉冲的基值在2个连续脉冲之间不会变化太大。

      可选择脉冲间隔hk是脉冲的倍数。通常取hk=nτ。2≤n≤5 。

      D、参数选择综述

      在使用时可以做到不需要用户调整任何参数。因为对各种尺寸的气缸,往往导阀是一样的。不同厂家定位器内的导阀非常相似。

      如果不能确定所有的三个参数,建议使脉宽τ可调,按2≤n≤5自动确定脉冲间隔hk=nτ。

五、结论

      本文提出了一种气动控制阀控制系统非线性因素(静摩擦)的补偿方法,就是根据实际情况,当静摩擦已经较大,通过专门的爬行和滞后检测仪器检测到系统已发生爬行和滞后问题后,可通过自动或手动选择在控制信号中加入某种额外脉冲信号,一起去控制过程输出。额外脉冲信号的参数选择要合适。这有利于减小或消除爬行和滞后现象,减小系统误差,从而改善系统的精度和稳定性。