張 浩， 王 昕， 王振雷， 智茂軒， 蔣明敬

(1. 華東理工大學 化工過程先進控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 200237；2. 上海交通大學 電工與電子技術(shù)中心， 上海 200240；3. 中國石油化工股份有限公司 鎮(zhèn)海煉化分公司， 浙江 寧波 315207)

·實驗技術(shù)·

基于模糊Smith控制的智能閥門定位器

張 浩1， 王 昕2， 王振雷1， 智茂軒3， 蔣明敬3

(1. 華東理工大學 化工過程先進控制和優(yōu)化技術(shù)教育部重點實驗室， 上海 200237；2. 上海交通大學 電工與電子技術(shù)中心， 上海 200240；3. 中國石油化工股份有限公司 鎮(zhèn)海煉化分公司， 浙江 寧波 315207)

針對工業(yè)調(diào)節(jié)閥中廣泛存在的時滯現(xiàn)象，提出一種基于模糊原理的帶有Smith預估器的智能閥門定位器控制方法。分析智能閥門定位器的結(jié)構(gòu)和原理，通過設計Smith預估器補償滯后時間，實現(xiàn)超前響應，克服時滯對系統(tǒng)性能的影響；通過模糊控制與PID控制結(jié)合，設計調(diào)整模糊規(guī)則，實現(xiàn)控制器參數(shù)的自整定。兩者結(jié)合構(gòu)成模糊Smith方法，提高了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。模糊內(nèi)?？刂破鲗朔r滯、提高系統(tǒng)性能有良好的效果，將模糊Smith器與模糊內(nèi)模控制器及PID控制器進行仿真研究對比。仿真結(jié)果表明，模糊Smith控制方法比模糊內(nèi)?？刂品椒ê蛡鹘y(tǒng)PID方法更能有效地提高調(diào)節(jié)閥的快速性，克服時滯，改善系統(tǒng)性能。

智能閥門定位器； 模糊Smith； 模糊內(nèi)模； 時滯

0 引 言

調(diào)節(jié)閥又稱控制閥，它是過程控制系統(tǒng)中用動力操作去改變流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥等輔助控制裝置能決定工業(yè)過程控制的質(zhì)量，它在一定程度上影響過程控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)。閥門定位器作為調(diào)節(jié)閥的核心附件，有重要的控制作用。通過閥門定位器可以更精確地調(diào)節(jié)流體的流量，這將直接影響控制系統(tǒng)的整體性能[1]。在工業(yè)過程中，時滯是常見的影響系統(tǒng)品質(zhì)的特性之一。在閥門定位器控制流量過程中存在時滯問題，通過改善閥門定位器的控制方法，可以提高系統(tǒng)的快速性，對優(yōu)化工業(yè)過程、降低成本、提高生產(chǎn)效率等有很大的幫助[2]。

相對傳統(tǒng)閥門定位器，智能閥門定位器不僅體現(xiàn)出精度提高、能耗降低、功能增多等優(yōu)點，而且它能結(jié)合經(jīng)典與先進的控制技術(shù)，改善控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，滿足工業(yè)上的要求[3]。文獻[4]中將PID控制算法與模糊邏輯控制原理結(jié)合起來，形成一種模糊自適應PID控制算法，并與傳統(tǒng)的PID控制算法進行對比，該方法在一定程度上提高了系統(tǒng)的快速性。文獻[5-6]中將模糊控制算法和模糊自適應策略應用在工業(yè)過程控制中，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快了系統(tǒng)的響應速度。文獻[7]中首先提出了內(nèi)模控制設計方法，并與PID原理相結(jié)合，它是現(xiàn)今最常用的控制器設計方法之一。在此基礎上，文獻[8-9]中將內(nèi)模PID控制方法與模糊邏輯策略結(jié)合到一起，應用到工業(yè)過程中，該方法的控制器參數(shù)計算簡便，便于調(diào)節(jié)，易于實現(xiàn)，系統(tǒng)既有較好的動態(tài)特性，又有較小的超調(diào)和較短的過渡時間。在許多工業(yè)過程中，系統(tǒng)的動態(tài)過程以及反饋環(huán)節(jié)都存在時滯現(xiàn)象，這會影響控制系統(tǒng)的性能。文獻[10]中以一階時滯系統(tǒng)(FOPDT)為控制對象，提出了基于Smith預估器的控制方案，該方法可有效消除時滯對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，加快時滯系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。文獻[11]中把模糊PID與Smith預估器相結(jié)合，控制精度高，自適應能力強，動靜態(tài)性能有很大提高。

本文將模糊Smith控制方法與模糊內(nèi)?？刂品椒☉玫搅髁块y定位器的控制中。對過程進行建模、仿真。結(jié)果表明，上述兩種方法能顯著提高系統(tǒng)的快速性，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。其中模糊Smith方法效果更突出。

1 智能閥門定位器

1.1 智能閥門定位器

氣動系統(tǒng)具有物理結(jié)構(gòu)簡單、成本低、對環(huán)境無不良影響等特點，所以氣動調(diào)節(jié)閥逐步成為工業(yè)中的一種重要的執(zhí)行單元。但由于空氣介質(zhì)的自身特點，使控制精度保持在一個較高水平上是當前氣動技術(shù)的難點。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，微處理芯片具有更高的集成度，在一塊芯片上可以集成CPU、存儲器、并行和串行接口等，這也就是單片機。單片機的出現(xiàn)，引起了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革，以單片機為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，可以容易地將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的所謂“智能化測量控制儀表”[11]。智能閥門定位器使用單片機和閥位傳感器，使其具備許多符合現(xiàn)代生產(chǎn)過程技術(shù)要求的功能，具有傳統(tǒng)閥門定位器不可比擬的優(yōu)勢：它實現(xiàn)了智能化，方便修改控制閥流量特性，工作穩(wěn)定性好，可以實現(xiàn)診斷及報警，具有更高的可靠性[12]。

1.2 智能閥門定位器工作原理

如圖1所示，智能氣動閥門定位器采用的是以單片機為核心的控制電路，它接受來自調(diào)節(jié)器的設定閥門開度的電流信號(4～20 mA)。當閥位開度設定后，定位器根據(jù)設定值與閥位變送器的反饋值的偏差來控制進氣閥或排氣閥動作，通過充氣或排氣來控制氣室壓力。氣室氣體壓力通過膜片作用推動閥桿動作，從而實現(xiàn)控制作用。如果偏差很大，則輸出連續(xù)信號給壓電閥；如果偏差很小，則沒有定位脈沖輸出；如果偏差大小適中，則輸出脈沖序列給壓電閥，從而使一定量的壓縮空氣經(jīng)過壓電閥進入到調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)的氣室，推動閥芯的移動或轉(zhuǎn)動，從而達到閥芯的準確定位[13]。

圖1 智能閥門定位器結(jié)構(gòu)原理

以HA1D型氣動調(diào)節(jié)閥為例，其行程范圍為38 mm，閥門特性可以表示為工業(yè)中常見的一階慣性時滯對象[14]。調(diào)節(jié)閥特性傳遞函數(shù)如下式所示：

(1)

2 控制器原理與設計

2.1 模糊控制

模糊控制是一種由模糊數(shù)學、計算機科學、人工智能、知識工程等多門學科領域相互滲透、理論性很強的科學技術(shù)，它與傳統(tǒng)控制不同，不需要知道控制對象的數(shù)學模型，它的組成核心是具有智能性的模糊控制器[15]。

模糊控制的原理主要包括模糊化、模糊推理和清晰化。 把實際測量的物理量通過比例因子轉(zhuǎn)變成其語言變量論域中不同的模糊子集，這就是模糊化。模糊推理則調(diào)用數(shù)據(jù)庫，而其輸出子集由系統(tǒng)的狀態(tài)來決定。清晰化是將由模糊推理所得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化成所要輸出控制量的過程。

2.2 內(nèi)模PID控制

內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖2所示，把內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)等效變換為簡單反饋控制形式，將內(nèi)?？刂婆cPID控制相結(jié)合其等效結(jié)構(gòu)如圖3所示[16]。

圖2 典型內(nèi)模結(jié)構(gòu)控制圖

圖3 等效內(nèi)模結(jié)構(gòu)控制圖

設計步驟為：

步驟1M(s)可分解成

(2)

式中：M+(s)包含了所有時滯和、平面零點；M-(s)是具有最小相位特征的傳遞函數(shù)。

步驟2 定義內(nèi)模控制器為：

(3)

式中：分子為M-(s)的逆，分母為低通濾波器，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性；λ為濾波器參數(shù)，是內(nèi)?？刂破鲀H有的設計參數(shù)。對于一階時滯模型而言，濾波器階次為1。 因此數(shù)學模型為：

(4)

式中：K為過程穩(wěn)態(tài)增益；L為滯后時間；T為過程的時間常數(shù)。

用一階泰勒級數(shù)逼近時滯項

(5)

將式(2)～(4)化簡，可得反饋控制器為:

(6)

與理想的PID控制器形式相比，得:

(7)

(8)

(9)

2.3 Smith預估器

含有Smith預估器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，圖中：Gc(s)為控制器；Gp(s)為不含時滯部分的數(shù)學模型；e-τs為時滯部分。

圖4 Smith預估器控制圖

Smith預估器是針對大時滯系統(tǒng)設計的一種控制算法(見圖4)。其原理為：首先得出系統(tǒng)的動態(tài)模型，獲取模型參數(shù)；然后補償滯后時間使控制器超前響應，從而避免了系統(tǒng)中純滯后特性。

當模型準確時，通過計算得到Smith預估器傳遞函數(shù)為：

(10)

其特征方程為:

(11)

由式(10)可以得出，在該傳遞函數(shù)中，分母原有的滯后環(huán)節(jié)e-τs被消除，系統(tǒng)的控制器響應滯后減少，提高了系統(tǒng)的響應速度。

通過分析，Smith預估器可以使系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性增強。

2.4 模糊Smith控制系統(tǒng)

模糊Smith控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 模糊Smith控制圖

模糊控制器輸入輸出參數(shù)的模糊子集均為{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS) ，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM) ，正大(PB)}[14]。其中，E、EC、ΔKp的論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}；ΔKi、ΔKd的論域為{-0.06，-0.04，-0.02，0，0.02，0.04，0.06}。

在所建立的模糊規(guī)則中，輸出U即3個參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd。 模糊規(guī)則如表1所示。

表1 模糊Smith規(guī)則表

2.5 模糊內(nèi)模PID控制系統(tǒng)

建立模糊內(nèi)模PID控制系統(tǒng)，見圖6。圖中：C(s)為等效后的反饋控制器；P(s)為被控對象，通過模糊控制器來實現(xiàn)參數(shù)λ的修正，修正公式為

圖6 模糊內(nèi)?？刂茍D

在模糊控制器中，E、EC作為模糊控制器的輸入，Δλ作為模糊控制器的輸出，再由修正公式計算λ，并輸出到等效控制器C(s)中，構(gòu)成PID控制結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)進行控制。

下面對E、EC、U的隸屬函數(shù)進行說明：各變量均選擇三角形的隸屬函數(shù)，E的模糊子集取{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS) ，零負(NZ)，零正(PZ)，正小(PS)，正中(PM) ，正大(PB)} 。液體流量在檢測時可能會有所波動，為了保證流量的基本穩(wěn)定，在誤差允許的范圍內(nèi)，允許E有極小的偏差，所以設置E的隸屬函數(shù)中間疏、兩端密。具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。模糊規(guī)則表如表2所示。

圖7 E的隸屬函數(shù)圖

EC、Δλ的模糊子集取{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS) ，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM) ，正大(PB)}，其中EC的論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，各子集的疏密程度相等。對于輸出量Δλ，為了使偏差較大時快速響應，偏差較小時又要提高響應精度和減小超調(diào)量，因此設置輸出量Δλ的隸屬函數(shù)時兩頭疏，中間較密。具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

表2 模糊內(nèi)模規(guī)則表

圖8 Δλ的隸屬函數(shù)圖

3 仿 真

3.1 模糊Smith控制系統(tǒng)

在模糊Smith控制系統(tǒng)中，通過Smith預估器來克服時滯對系統(tǒng)的影響，通過基于模糊控制器的PID控制方法，使輸出快速、有效地反映對輸入量的響應。設ΔKp、ΔKi、ΔKd的初始值為0.5，2，0.5。結(jié)合模糊控制2個輸入量和3個輸出量的論域，對比例因子不斷調(diào)整，當E和EC的輸入比例因子分別為40、0.5時，輸入量與模糊控制器的論域能有效地聯(lián)系；當ΔKp、ΔKi、ΔKd的輸出比例因子取0.8，0.5，0.5時，輸出量能更好地進行PID控制器參數(shù)的自整定?？紤]到實際對象與模型會有一定的偏差，在構(gòu)造Smith預估器時，采用如下模型：

(12)

在單位階躍激勵下，響應如圖9所示。

圖9 模糊Smith系統(tǒng)階躍響應圖

3.2 模糊內(nèi)模PID控制系統(tǒng)

在模糊內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)中，將模糊控制器的輸出通過修正公式與等效反饋控制器的唯一參數(shù)λ相連，再通過這個等效控制器對對象模型進行控制。先取參數(shù)初始值λ0=1，對模糊控制器的比例因子進行試湊，當E和EC的輸入比例因子為0.1、2且模糊控制器輸出比例因子為20時，模糊控制器能產(chǎn)生較好的效果。此時再對參數(shù)的初始值λ0進行調(diào)整，當初始值λ0為0.2時，控制器效果最佳。

在單位階躍激勵下，其響應如圖10所示。

圖10 模糊內(nèi)模系統(tǒng)階躍響應圖

3.3 對兩種方法進行分析

取響應曲線上升到0.98時所用的時間作為快速性的指標，記為響應時間。

由圖11、圖12可得： 模糊Smith方法的響應時間為2.193 s，超調(diào)量為0；模糊內(nèi)模方法的響應時間為2.378 s；超調(diào)量為2.8%。 可見，模糊Smith控制方法的響應時間比模糊內(nèi)?？刂品椒ㄒ?，模糊內(nèi)模方法會產(chǎn)生超調(diào)量，模糊Smith方法不產(chǎn)生超調(diào)量。綜合快速性和穩(wěn)定性來看，模糊Smith方法對系統(tǒng)性能的提升更有效。

3.4 3種控制方法比較

將傳統(tǒng)PID控制方法、模糊內(nèi)模控制方法、模糊Smith控制方法一起進行仿真，同時對比一個單位階躍信號，觀察幾種方法的階躍響應，結(jié)果如圖13所示。

圖11 模糊Smith系統(tǒng)階躍響應細節(jié)圖

圖12 模糊內(nèi)模系統(tǒng)階躍響應細節(jié)圖

圖13 3種控制方法階躍響應比較圖

在傳統(tǒng)PID控制方法仿真時，對參數(shù)進行試湊調(diào)整，當ΔKp=1.6,ΔKi=0.56,ΔKd=0.45時，能兼顧快速性和穩(wěn)態(tài)性能。其中，傳統(tǒng)PID控制方法的響應時間為2.761，超調(diào)量為1.04%。

模糊Smith控制方法效果最好，響應時間最短，且無超調(diào)量，有很好的快速性和動靜態(tài)性能。

模糊內(nèi)?？刂品椒ū葌鹘y(tǒng)的PID控制方法更快速，動態(tài)性能更優(yōu)，但該方法也產(chǎn)生了一點超調(diào)量。就其快速性響應的性能而言，不如模糊Smith方法效果更好。

在工業(yè)過程中，智能閥門定位器將通過控制閥門的開度來控制液體流量的進出。系統(tǒng)響應的快速性提高能使閥門開度及時地進行調(diào)整，有利于對液體流量、快速達到要求，對工業(yè)生產(chǎn)的品質(zhì)有一定的幫助。若閥門不能及時地進行響應，不僅會造成工業(yè)生產(chǎn)過程落后于工業(yè)要求的目標，甚至也有安全隱患。

與此同時，控制系統(tǒng)輸出量的穩(wěn)定性在生產(chǎn)過程中也占有很大的比重，輸出量越接近設定量，控制過程越精確，越有利于生產(chǎn)過程的順利進行；若系統(tǒng)輸出不夠穩(wěn)定、超調(diào)較大，則不利于生產(chǎn)過程的精確控制，會導致生產(chǎn)效率不高，無形之中增加了成本，降低了經(jīng)濟效益；若輸出大幅不穩(wěn)定則可能產(chǎn)生安全問題。

所以，快速性和穩(wěn)定性都要兼顧，需要綜合考慮。由以上分析得，模糊Smith控制方法的動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)性能均有很好的效果，能滿足快速性和穩(wěn)定性的要求，是一種有效的控制手段。

4 結(jié) 語

本文將模糊控制與Smith預估器設計結(jié)合，構(gòu)成模糊Smith控制方法，將該方法與模糊內(nèi)模以及傳統(tǒng)PID控制方法進行對比。仿真結(jié)果顯示，模糊Smith控制方法具有更好的動靜態(tài)性能。對于工業(yè)過程，該方法能兼顧快速性和穩(wěn)態(tài)性能，對智能閥門定位器進行及時和精確的控制提供了一種好的思路。

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Research on Intelligent Valve Positioner Based on Fuzzy-Smith Control Method

ZHANGHao1,WANGXin2,WANGZhenlei1,ZHIMaoxuan3,JIANGMingjing3

(1. Key Laboratory of Advanced Control and Optimization for Chemical Processes, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 2. Center of Electrical &Electronic Technology, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 3. China Petroleum & Chemical Corporation Zhenhai Refinery, Ningbo 315207, Zhejiang, China)

In view of the widespread phenomenon of time lag in the industrial control valve, a kind of intelligent valve positioner control method is proposed. The method is based on the fuzzy theory and Smith predictor. This paper analyzes of the structure and principle of smart valve positioner. Smith predictor is designed to compensate the delayed time and realize the advanced response. It overcomes the delay performance of the system. With the combination of fuzzy control and PID control, fuzzy rules are designed to adjust controller parameters. The combination of the two control schemes contributes to the fuzzy Smith method, which can improve the dynamic and static performances of the system. Fuzzy internal model controller overcomes the delay and improves the performance of the system. Simulating research of the fuzzy Smith controller, fuzzy internal model controller and PID controller shows that the fuzzy Smith control method is better than the fuzzy internal model control method and the traditional PID method because the first one can effectively improve the speed of the control valve, overcome the time delay and improve the performance of the system.

intelligent valve positioner; fuzzy Smith method; fuzzy internal model control; time delay

2016-09-28

國家自然科學基金面上項目(21376077)；國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金項目(61422303)；上海市自然科學基金項目(14ZR1410000，14ZR1421800)；流程工業(yè)綜合自動化國家重點實驗室開放課題基金資助項目(PAL-N201404)

張 浩(1993-)，男，山東濰坊人，碩士生，主要研究方向為控制系統(tǒng)性能。

Tel.:15800653081； E-mail:497629323@com

王振雷(1975-)，男，山東德州人，教授，博士生導師，主要研究方向為控制系統(tǒng)性能。

Tel.:021-64252640； E-mail: wangzhen_l@ecust.edu.cn

TP 273+.4

A

1006-7167(2017)05-0004-05