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控制回路中的阀门迟滞补偿方法

导读: 使用简单迟滞模型时,当迟滞条件被克服,阀门的位置将发生跳动,以紧跟控制器输出量的变化,这在物理上是很难实现的,且阀门的动态特性也被忽略了。虽然简单迟滞模型有这样的缺陷,但对于闭环条件下的迟滞补偿已经足够了。

引言
     阀门是控制回路中经常使用的执行机构,其性能会影响控制回路的控制效果。大约有20%-30%的控制回路振荡是由阀门问题造成的,如死区和迟滞。
     迟滞会导致阀门的输出呈跳跃性,从而使得被控量在设定值附近振荡。迟滞补偿通过将补偿信号加入到控制器来消除阀门迟滞带来的影响。两种基本的迟滞补偿方法是dithering control和impulsive control,然而这两种方法都不能用在气动阀上。而Hagglund提出的Knocker补偿方法可能是目前最好的迟滞补偿方法。对于阀门迟滞引起的回路振荡问题,也可以通过调节PID控制器的参数来解决。本文通过对Knocker补偿方法和PID控制进行比较,提出了一种改进的迟滞补偿方法,仿真试验表明其具有很好的效果。


一、阀门迟滞的定义
    阀门迟滞通常是由机械系统中的静摩擦力过大引起的,从而阻碍了阀杆的运动。

  图1中:虚线为正常调节阀的输入输出特性,可以看出,阀门的输入量与输出量是一致的;实线为存在迟滞的调节阀的输入输出特性,它由死区、迟滞区、滑动跳跃区和移动区四个部分组成。当阀门到达A位置时,由于迟滞作用,它不能再移动,只有当控制器输出超过死区和迟滞区时,阀门才会突然跳动至D位置,并且继续移动。由于阀门运动的速度很慢,阀门在D-E段可能会再次出现迟滞,此时只需克服迟滞,阀门就可以继续运动。
     综上所述,迟滞具有的特性如下:对于变化的输入量,阀门在平滑运动之前会出现先静止不动然后突然跳动的现象,这种跳动是由于机械系统的静摩擦力造成的。

二、迟滞模型的建立
  
  2.1模型的合理性
     阀门迟滞会引起控制回路振荡。如果克服了迟滞,阀门将会发生跳动,然后继续跟随控制信号或者在相同方向再次粘滞。在这个过程中,被控量将会超过设定值。由于控制回路的负反馈作用,控制量将会向相反方向变化,直到阀门再次发生跳动。控制器的这种作用将使得阀门在一个较小的输入范围内工作,并引起控制器输出和被控量在它们的稳定值附近振荡。
     根据以上分析可以看出,阀门通常在控制器输出范围(0-100%)的较小区域内运行,直到设定值变化使得阀门到达另一个运行区域。阀门的迟滞会随着阀门位置的不同而不同,而由于阀门在一个较小的区域内运行,因此,可以假设迟滞的大小基本保持不变,这样可以取迟滞带d为一个常数。迟滞带d可由控制回路的数据得到,且可以认为控制器输出曲线的波峰值与波谷值之差就是d,这与工程中迟滞的定义一致。
     简单迟滞模型可以被认为是一种迟延模型,它反映了阀门对控制器输出的变化显示出迟延特性,延迟的大小由迟滞带d决定。设计补偿信号时,只需估计出使阀门位置变化的控制器输出大小,因此,简单迟滞模型足以用来进行迟滞补偿。
     2.2简单迟滞模型的局限性
     使用简单迟滞模型时,当迟滞条件被克服,阀门的位置将发生跳动,以紧跟控制器输出量的变化,这在物理上是很难实现的,且阀门的动态特性也被忽略了。虽然简单迟滞模型有这样的缺陷,但对于闭环条件下的迟滞补偿已经足够了。

三、解决阀门迟滞问题的方法

     Gerry和Ruel于2001年提出了应对迟滞的在线实用方法,即减小或去除控制器的积分作用,以存在稳态误差的代价来减少振荡。而迟滞补偿算法可以通过加入补偿信号到控制器,得到没有稳态误差的结果。Hagglund于2002提出了一种很好的补偿方法,即将Knocker信号加入到控制信号来进行迟滞补偿,这可能是目前最好的迟滞补偿方法。Knocker信号是一系列的脉冲信号,如图2所示,它有幅度a、脉冲宽度T和相邻脉冲的时间间隔hk三个参数。


  引入补偿信号的控制回路如图3所示。

  综上所述,Knocker补偿信号的原理如下:补偿信号可以使阀门的位置提前产生变化,补偿信号越大,则阀门位置变化越大;补偿信号越小,阀门位置将不会变化,即所加的补偿信号不起作用。由于补偿信号的符号是由控制器输出的变化率决定的,因此,可以让阀门在正确的方向上提前作用,从而减少阀门迟滞的影响。
     显然,Knocker 信号三个参数的大小会影响补偿作用的好坏。Srinivasan和Rengaswamy于2005年讨论了这三个参数的设定方法,经过大量实验,得到了这三个参数的最优设置,即:


  式中:d为迟滞带;h为采样时间。

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