CN103676644B - 一种新的阀门摩擦补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的阀门摩擦补偿方法，属于自动控制领域。本发明基于PI型控制器、一阶延迟系统模型和数据驱动阀门模型，其中数据驱动阀门模型为两参数数据驱动模型，先确定补偿时刻，得到该时刻相关参数，推算阀门的理想工作位置，再将PI型控制器切换成手动状态，对PI型控制器输出端加入补偿信号，最后向PI型控制器输出端加入反方向的阶跃信号使得阀门输出变为理想工作位置，从而对阀门摩擦进行补偿。本发明能够对存在震荡现象的阀门进行有效的补偿。在摩擦补偿过程中，阀门仅会运动两次，大大减轻了对阀门的磨损程度，延长了阀门的寿命。本发明不需要修改现有控制器结构，只是从现有的自动控制模式切换到手动控制模式，易于在工业现场实现。

Description

一种新的阀门摩擦补偿方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，更准确地说本发明涉及一种新的阀门摩擦补偿方法。

背景技术

震荡是工厂生产中一种常见的干扰，而阀门摩擦是产生震荡的常见因素之一。由摩擦产生的震荡使得生产过程大受影响，如产品质量的下降、生产过程的能耗增加、生产设备的报废加速以及工厂利润的降低。

通常情况下，问题阀门的维护、更换会在工厂生产线停产时进行。正常生产周期下生产线的停产维护一般在6个月到3年之间，长时间的生产无疑会使得阀门摩擦的影响加剧，造成的损失也更大。因而当检测到阀门存在严重的摩擦时，在线迅速补偿摩擦带来的影响变得十分必要。

现有的阀门摩擦补偿方法是将一种短时脉冲信号叠加在操作变量上以尽量克服调节阀的粘滞故障，这种补偿方法存在两个主要技术问题，即（1）阀门运动频率过快，导致阀门磨损加剧，缩短其使用寿命，（2）控制器结构组态需要修改，难以在工业现场实现。本发明将克服这两个主要技术问题。

发明内容

本发明目的是针对上述现有阀门摩擦补偿方法中的不足，提供一种新的阀门摩擦补偿方法。

本发明基于PI型控制器、一阶延迟系统模型和数据驱动阀门模型，其中数据驱动阀门模型为两参数数据驱动模型，包括下述步骤：

1）确定补偿时刻t_A，将t_A选择为PI型控制器输出信号m(t)开始上升，并且y(t)等于控制回路设定值的那一时刻，并得到该时刻的PI型控制器输出值m(t_A)，以及数据驱动阀门模型的参数f_s、f_d和一阶延迟系统模型的参数K_p、T_p、θ，推算阀门的理想工作位置v_ss。

2）在t_A+T_s时刻，将PI型控制器切换成手动状态，并在PI型控制器输出端加入补偿信号m_a(t_B)进行补偿，使m(t_B)＝m(t_A)+m_a(t_B)，其中，T_s为系统的采样时间，补偿信号m_a(t_B)的幅值应满足幅值关系不等式1.5max(m(t))＞m_a(t_B)＞f_s+f_d-m(t_A)+min(m(t))，t_B等于t_A+T_s。

3）在t_B+NT_s时刻，向PI型控制器输出端加入一个反方向的幅值为m_a(t_C)的阶跃信号，使m(t_C)＝m(t_B)-m_a(t_C)，其中，N为正整数，m_a(t_C)的幅值与m_a(t_B)的关系应满足等式m_a(t_C)＝m(t_A)+m_a(t_B)-v_ss+f_d，t_C等于t_B+NT_s。

通过第三步的补偿，阀门的输入将持续保持在m(t_C)的位置，其中m(t_C)＝v_ss-f_d，使得阀门的输出将变为v_ss，从而有效减少系统输出的震荡。

对于上述步骤3）中的正整数N，一般可以在1~10之间进行取值，以取得更好的补偿效果。

本发明的有益效果为：本发明能够对存在震荡现象的阀门进行有效的补偿。在阀门摩擦补偿过程中，阀门仅会运动两次，大大减轻了对阀门的磨损程度，使得阀门的寿命不会因为对阀门摩擦进行补偿而缩短。新的阀门摩擦补偿方法不需要修改现有控制器结构，只是从现有的自动控制模式切换到手动控制模式，从而易于在工业现场实现。

附图说明

图1为数据驱动阀门模型图。

图2为本发明的阀门摩擦补偿方法示意图。

图3为补偿前的闭环控制系统信号图。

图4为补偿后的闭环控制系统信号图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明方法进行详细描述。

本发明建立于PI型控制器和一阶延迟系统模型之上，其中PI控制器是过程控制回路中使用最为广泛的控制器，一阶延迟系统模型也是普遍应用的系统模型，因而本发明具有广泛的应用背景。PI控制器与一价延迟系统模型的数学表达一般如下所示：

PI控制器： $C\left(s\right)=K_c(1+\frac{1}{T_{i}s}),$

一阶延迟系统模型： $P\left(s\right)=\frac{K_p}{1+T_{p}s}{e}^{-\mathrm{\θs}}$

本发明同时基于数据驱动阀门模型之上。该阀门模型为两参数数据驱动模型，两数据驱动阀门模型得到了学术界的广泛研究，并在学术研究中获得了相关的应用。数据驱动阀门模型能够较好地反映出阀门的运动规律，并且能够方便地应用于过程控制回路分析，为分析整个补偿过程带来便利。

图1给出了数据驱动阀门模型的原理流程图，介绍了阀门模型的运动状态和原理。如图1所示，该模型利用静态和动态阀门摩擦力作为描述阀门运行的参数，分别为f_s和f_d，其中m(t)是控制器输出信号，v(t)是阀门输出信号。m_r表示作用在阀门上面的剩余作用力，m_cum表示作用在阀门上面的累加作用力。控制器输出信号直接输入至阀门模型中。当控制器输出信号m(t)加载到阀门模型时，阀门模型将对控制器输出信号的相邻两次信号进行判断。m(t)和m(t-T_s)分别表示控制器输出信号相邻两个时刻的值，其中T_s表示系统的采样时间。m_r与控制器输出信号相邻两个时刻的差值相加以获得作用在阀门上的累加作用力m_cum。紧接着比较m_cum和f_s的大小。如果累加作用力小于静态阀门摩擦力，此时阀门保持不动，下一个时刻阀门的输出信号v(t)将等于上一个时刻的值，即v(t-T_s)；同时下一个时刻作用在阀门上面的剩余作用力将更新，其值等于上一个时刻作用在阀门上面的累加作用力，即m_r=m_cum。反之，如果m_cum大于f_s，则阀门开始运动。作用在阀门上面的剩余作用力就是动态阀门摩擦力，其方向为sign(m_cum-f_s)。阀门输出信号与阀门输入信号之间相差m_r，即v(t)=m(t)-m_r。

本发明的阀门摩擦补偿方法示意图如图2所示，在图2中r(t)、e(t)、m(t)、v(t)、y(t)和w(t)分别表示设定值、跟踪误差、PI控制器输出、阀门输出、系统输出和系统噪声，G(s)、C(s)、f(·)分别表示被控对象、PI控制器和阀门。该方法通过手动将整个闭环系统调节成开环状态，并直接加补偿信号至阀门中。该信号能够使得阀门克服摩擦阻力，并使得阀门停滞在其理想工作位置上面，这样阀门摩擦就可以得到有效的补偿，整个系统输出的震荡将得到有效的减少。具体而言，本发明包括下述步骤：

1）选择合适的补偿时刻t_A，不失一般性，t_A可以选择为PI控制器输出信号m(t)开始上升，并且y(t)等于控制回路设定值r(t)的那一时刻，并得到该时刻的PI控制器输出值m(t_A)，以及数据驱动阀门模型的参数f_s、f_d和一阶延迟系统模型的参数K_p、T_p、θ，根据这些参数可推算阀门的理想工作位置v_ss（注：f_s、f_d、K_p、T_p、θ、v_ss的计算过程不是本专利的内容，其计算过程均属于现有技术范畴）。阀门的理想工作位置表示阀门工作在此位置时，阀门将保持在此位置不发生变化，同时系统的输出信号将逐渐达到其稳定状态并保持不变。

2）在t_A+T_s时刻，将PI型控制器切换成手动状态，并在PI型控制器输出端加入补偿信号m_a(t_B)进行补偿，使m(t_B)＝m(t_A)+m_a(t_B)，其中，T_s为系统的采样时间，其具体值遵循实际工作中的采样原则进行确定，补偿信号m_a(t_B)的幅值应满足幅值关系不等式1.5max(m(t))＞m_a(t_B)＞f_s+f_d-m(t_A)+min(m(t))，t_B等于t_A+T_s。这里的幅值关系不等式根据数据驱动阀门模型得到。由该不等式确定的幅值，能够确保阀门克服其静态摩擦力并动起来到达一个新的位置，同时不至于太大以防对整个系统造成不利影响。

3）在t_B+NT_s时刻，向PI型控制器输出端加入一个反方向的幅值为m_a(t_C)的阶跃信号，使m(t_C)＝m(t_B)-m_a(t_C)，其中，N为正整数，m_a(t_C)的幅值与m_a(t_B)的关系应满足等式m_a(t_C)＝m(t_A)+m_a(t_B)-v_ss+f_d，t_C等于t_B+NT_s。这里v_ss和f_d分别是阀门的理想工作位置和阀门的动态摩擦力，正整数N一般可以在1~10之间取值，以取得更好的补偿效果。

通过第三步的补偿，阀门的输入将持续保持在m(t_C)的位置，其中m(t_C)＝v_ss-f_d。v_ss是阀门的理想工作位置。由于此时阀门的运动是反方向的，因此当阀门的输入为m(t_c)时，阀门的输出将变为v_ss，阀门将能够停在其理想位置进行工作，从而使得整个系统输出的震荡得到有效的减少。

图3和图4则给出了本发明的阀门摩擦补偿在一种水箱液位控制系统中对阀门摩擦进行补偿的对比数据。

一种水箱液位控制系统，使用本补偿方法对阀门摩擦进行补偿。如图3所示，在未使用本方法进行补偿之前，由于阀门模块存在摩擦，导致整个系统输出信号产生周期性的震荡。根据PI控制器和一阶延迟模型的具体参数和数据驱动阀门模型量化的摩擦力计算出补偿信号的幅值后，利用本方法进行摩擦补偿，补偿后的效果如图4所示。对比补偿前后可见，补偿前系统的响应信号存在震荡。补偿后系统的输出能够持续稳定、震荡消失，可见此方法在实际应用中具有较好的补偿效果。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (2)

1.一种阀门摩擦补偿方法，基于PI型控制器、一阶延迟系统模型和数据驱动阀门模型，其中数据驱动阀门模型为两参数数据驱动模型、利用静态阀门摩擦力f_s和动态阀门摩擦力f_d作为描述阀门运行的参数，一阶延迟系统模型的表达式为其特征在于，包括以下步骤：

1)确定补偿时刻t_A，将t_A选择为PI型控制器输出信号m(t)开始上升，并且控制回路系统输出y(t)等于控制回路设定值的那一时刻，并得到该时刻的PI型控制器输出值m(t_A)，以及数据驱动阀门模型的参数f_s、f_d和一阶延迟系统模型的参数K_p、T_p、θ，推算阀门的理想工作位置v_ss；

2)在t_A+T_s时刻，将PI型控制器切换成手动状态，并在PI型控制器输出端加入补偿信号m_a(t_B)进行补偿，使得t_A+T_s时刻的PI型控制器输出值m(t_B)＝m(t_A)+m_a(t_B)，其中，T_s为系统的采样时间，补偿信号m_a(t_B)的幅值应满足幅值关系不等式1.5max(m(t))>m_a(t_B)>f_s+f_d-m(t_A)+min(m(t))，t_B等于t_A+T_s；

3)在t_B+NT_s时刻，向PI型控制器输出端加入一个反方向的幅值为m_a(t_C)的阶跃信号，使得t_B+NT_s时刻的PI型控制器输出值m(t_C)＝m(t_B)-m_a(t_C)，其中，N为正整数，m_a(t_C)的幅值与m_a(t_B)的关系应满足等式m_a(t_C)＝m(t_A)+m_a(t_B)-v_ss+f_d，t_c等于t_B+NT_s。

2.根据权利要求1所述的阀门摩擦补偿方法，其特征在于，所述步骤3)中的正整数N在1～10之间取值。