CN109725536A - 一种基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法。该方法为：建立电机输出轴模型，得到电机输出轴的动力学平衡方程；建立齿轮减速机构模型，并简化为一阶线性系统；建立丝杠传动机构模型，将旋转运动变换为阀门电动执行器输出轴直线运动；建立阀门电动执行器输出轴模型；建立负载力模型；加入位移传感器，建立阀门电动执行器的位移传感器数学模型；根据阀门电动执行器传递函数，采用自抗扰控制算法对阀门电动执行器系统进行控制。本发明采用自抗扰控制算法对阀门电动执行器进行控制，能够使系统在实现解耦的同时减弱算法对于模型的依赖，提高了系统的抗干扰能力。

Description

一种基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法

技术领域

本发明涉及阀门电动执行器控制技术领域，特别是一种基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法。

背景技术

早期的阀门电动执行器是接收外部的开阀或者关阀信号，通过电机以及减速机构驱动阀门的打开或者关闭。目前越来越多的阀门电动执行器开始配置智能型控制器，可以与外部设备进行多种形式的通信，驱动阀门的打开或者关闭，同时可以根据外部给定的位置命令，控制阀门到达指定的位置。随着工业控制系统技术的不断发展、电气自动化水平的不断提高，阀门电动执行器愈发成为不可替代的环节。由于工业控制的整体发展水平制约，我国的阀门电动执行器的产品水平也相对较低。

阀门电动执行器可以分为电气和机械两部分，控制器属于电气部分的核心，直接决定了阀门电动执行器的效率和控制精度。国内对阀门电动执行器的研究起步较晚，自上世纪80年代以来，随着电子技术以及微机技术的高速发展，我国的阀门电动执行器技术发展迅速，但是仍存在以下问题：

(1)控制精度低。DKJ等大部分阀门电动执行器的基本误差为±2.5％，而阀门电动执行器作为执行机构的环节，其控制精度将直接影响到整个系统的控制精度。

(2)控制方式简单。控制方式通常只有手动、4～20mA、开关量的一种或几种，缺少对现场总线的支持。

(3)人机交互不够友好。由于早期的阀门电动执行器的控制方式简单、可设置参数少，厂家并未将人机交互作为一个重点研发的方向，导致人机交互简单、实用，但是不够友好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，能够根据阀门实际状态的变化快速、精确地实现阀门开度值的控制。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，包括以下步骤：

步骤1，建立电机输出轴模型，得到电机输出轴的动力学平衡方程；

步骤2，建立齿轮减速机构模型，并简化为一阶线性系统；

步骤3，建立丝杠传动机构模型，将旋转运动变换为阀门电动执行器输出轴直线运动；

步骤4，建立阀门电动执行器输出轴模型；

步骤5，建立负载力模型；

步骤6，加入位移传感器，建立阀门电动执行器的位移传感器数学模型；

步骤7，根据阀门电动执行器传递函数，采用自抗扰控制算法对阀门电动执行器系统进行控制。

作为一种具体示例，步骤1所述的建立电机输出轴模型，得到电机输出轴的动力学平衡方程，具体如下：

电机输出轴的动力学平衡方程为：

式中，J_m为折算到电机轴上的等效转动惯量；为电机输出角速度；为电机输出角加速度；K_t为电机转矩常数；i_a为电枢电流；T_L为负载力矩，即电机轴的输出力矩；V_m为电机轴等效粘性阻尼系数；η为传动系统总效率；F_s为阀门电动执行器输出轴驱动力；L为丝杠导程。

作为一种具体示例，步骤2所述的建立齿轮减速机构模型，并简化为一阶线性系统，具体如下：

简化为一阶线性系统的齿轮减速机构模型为：

式中，i为齿轮减速机构减速比；θ为电机输出角；θ_s为齿轮减速机构输出角。

作为一种具体示例，步骤3所述的建立丝杠传动机构模型，将旋转运动变换为阀门电动执行器输出轴直线运动，具体如下：

丝杠传动机构模型为：

式中，x_s为丝杠机构输出直线位移；L为丝杠导程。

作为一种具体示例，步骤4所述的建立阀门电动执行器输出轴模型，具体如下：

阀门电动执行器输出轴与调节阀门的阀杆相连，控制阀门运行，阀门电动执行器输出轴模型为：

式中，m为输出轴等效到阀门电动执行器的质量，包括输出轴和与输出轴连接的阀门活动部分的质量；F_L为输出轴负载力；F_s为阀门电动执行器输出轴驱动力；V为输出轴等效阻尼系数；K为电机输出轴总刚度；x为丝杠机构输出直线位移；x₀为阀门电动执行器输出轴位移。

作为一种具体示例，步骤5所述的建立负载力模型，具体如下：

步骤5.1，建立不平衡力模型：

式中，F_V为不平衡力；d₁为阀门阀芯直径；d₂为阀门阀杆直径；p₁为阀门上游绝对压力；p₂为阀门下游绝对压力；

步骤5.2，建立摩擦力模型：

F_f＝kd₂WP_N

式中，F_f为摩擦力；k为比例系数，其取值受填料长度、宽度及阀门压力等级的影响；W为填料宽度；P_N为调节阀额定压力等级；

步骤5.3，建立负载力模型：

F_L＝F_V+F_f

式中，F_L为输出轴负载力；

将步骤5.1所述建立不平衡量模型和步骤5.2建立摩擦力模型所产生的扰动量以及未知外部扰动估计值，在阀位信号进入控制中心前进行主动补偿。

作为一种具体示例，步骤6所述的加入位移传感器，建立阀门电动执行器的位移传感器数学模型，具体如下：

将位移传感器视为一个增益为K_c的比例环节，将位移传感器采集到的阀门电动执行器输出轴的当前位置信号转换为电压信号，输入到下位机控制器的I/O口，通过比较当前位置和目标位置的差值来驱动阀门电动执行器运行；

交流电机电压平衡方程为：

式中，L_a为电枢电感；i_a为电枢电流；K_i为电流环增益；K_s为速度环增益；为电机设定角速度；θ为电机输出角，为电机输出角速度；K_e为电机反电动势；R_a为电枢绕组电阻；

采用交流电机控制模式为位置式控制模式，电动执行器控制系统微处理器MCU控制器输出的PWM脉冲数与电机角度成比例关系：

K_pN_PWM＝θ_ref (6)

式中，K_p为电机位置比例增益；N_PWM为阀门电动执行器控制系统微处理器MCU控制器发出的PWM信号脉冲数量；θ_ref为电机的设定角度；

令：

H₃＝J_mL_a；

N₅＝mJ_mL_a；

N₄＝mJ_m(R_a+K_i)+L_a(J_mV+mV_m)；

其中，b₁为阀门电动执行器控制系统微处理器MCU控制器发出PWM信号脉冲数量N_PWM系数；H₃为输出轴负载力F_L的三次项系数；H₂为F_L的二次项系数；H₁为F_L的一次项系数；H₀为F_L的常数项；N₅为阀门电动执行器输出轴位移x₀的五次项系数；N₄为x₀的四次项系数；N₃为x₀的三次项系数；N₂为x₀的二次项系数；N₁为x₀的一次项系数；

将式(1)至式(6)进行拉普拉斯变换，联立，化简阀门电动执行器系统得阀门电动执行器系统输出位移与负载力F_L的传递函数为：

设定外扰为ω，则式(7)转换为：

y(N₅s⁵+N₄s⁴+N₃s³+N₂s²+N₁s)＝(H₃s³+H₂s²+H₁s+H₀)u+ω

式中，y代表阀门电动执行器输出位移x₀(s)，u代表负载力F_L；

对等号两边同时进行三次积分，具有二阶相对阶的五阶系统变为如式(8)所示的二阶系统：

式(8)为对于负载反馈下的位置控制情况，构建的一个标准的二阶自抗扰控制算法控制结构，即基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法数学模型。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)使用位置传感器将阀门状态信息直接传送给控制中心，减少了中间电子电路的时延；(2)采用自抗扰控制算法进行控制，使系统在实现解耦的同时既减弱算法对于模型的依赖，提高了系统的鲁棒性，控制精度高、人机交互友好。

附图说明

图1是本发明基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法的流程图。

图2是本发明中阀门电动执行器自抗扰控制系统数学模型的系统框图。

具体实施方法

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

结合图1，本发明基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，对阀门电动执行器各部分进行建模，系统通过检测模块中的位置传感器直接将阀门状态传送至控制中心，包括以下步骤：

步骤1，建立电机输出轴模型，电机输出轴与齿轮减速机构连接，电机的电磁转矩克服阻力矩，输出转矩，可得到电机输出轴的动力学平衡方程：

式中，J_m为折算到电机轴上的等效转动惯量，kg·m²；为电机输出角速度，rad/s；为电机输出角加速度，rad/s²；K_t为电机转矩常数，N·m/A；i_a为电枢电流，A；T_L为负载力矩，即电机轴的输出力矩，N·m；V_m为电机轴等效粘性阻尼系数，N·m·s/rad；η为传动系统总效率；F_s为阀门电动执行器输出轴驱动力，N；L为丝杠导程。

步骤2，建立齿轮减速机构模型，齿轮减速机构由于其高刚度，可将其简化为一阶线性系统：

式中，i为齿轮减速机构减速比；θ为电机输出角，rad；θ_s为齿轮减速机构输出角，rad。

步骤3，建立丝杠传动机构模型，在阀门电动执行器传动系统中，丝杠能够将旋转运动变换为阀门电动执行器输出轴直线运动：

式中，x_s为丝杠机构输出直线位移，m；L为丝杠导程，m。

步骤4，建立阀门电动执行器输出轴模型，阀门电动执行器输出轴与调节阀门的阀杆相连，其输出驱动力克服阻力，从而控制阀门运行，阀门电动执行器输出轴模型为：

式中m为输出轴等效到阀门电动执行器的质量，包括输出轴和与输出轴连接的阀门活动部分的质量，kg；F_L为输出轴负载力，N；F_s为阀门电动执行器输出轴驱动力；V为输出轴等效阻尼系数，N·s/m；K电机输出轴总刚度，N/m；x为丝杠机构输出直线位移；x₀为阀门电动执行器输出轴位移，m。

步骤5，建立负载力模型，阀门电动执行器输出轴收到来自所控制阀门的负载力，包括阀杆组件自身的重力，阀杆与阀门填料运动时摩擦所产生的摩擦力，阀门关闭时与阀座作用产生的压紧力，流体流经阀门由于前后压差带来的不平衡力等，具体如下：

步骤5.1，建立不平衡力模型，由于阀门前后存在压差，阀芯会受到不平衡量的作用：

式中，F_V为不平衡力；d₁为阀门阀芯直径，m；d₂为阀门阀杆直径，m；p₁为阀门上游绝对压力，Pa；p₂为阀门下游绝对压力，Pa。

步骤5.2，建立摩擦力模型，摩擦力主要包括阀口阀杆组件受到的摩擦力，主要由阀门上压紧的填料对阀杆施加的压紧力造成，因此其大小受到很多相关因素的影响，包括阀门的压力等级、阀口填料的种类、填料填加的结构和方式等，而且随着阀口工作时间的増加，阀口的填料和阀杆都会造成不同程度的磨损，因此摩擦力也会变化，所以摩擦力一般通过经验公式估算得出：

F_f＝kd₂WP_N

式中，F_f为摩擦力；k为比例系数，其取值受填料长度、宽度及阀门压力等级的影响；W为填料宽度，m；P_N为调节阀额定压力等级，MPa。

步骤5.3，建立负载力模型：

F_L＝F_V+F_f

式中，F_L为输出轴负载力；

将步骤5.1所述建立不平衡量模型和步骤5.2建立摩擦力模型所产生的扰动量以及未知外部扰动估计值，在阀位信号进入控制中心前进行主动补偿。

步骤6，建立传感器数学模型，在阀门电动执行器系统中，位置传感器充当反馈环节，是实现闭环伺服控制的关键部分。位置传感器将采集到的阀门电动执行器输出轴的当前位置信号转换为电压信号，然后输入到下位机控制器的I/O口，通过比较当前位置和目标位置的差值来驱动阀门电动执行器运行，从而完成伺服控制。

传感器数学模型可视为一个比例环节，用K_c表示位置传感器的比例增益，V/m；将位移传感器采集到的阀门电动执行器输出轴的当前位置信号转换为电压信号，输入到下位机控制器的I/O口，通过比较当前位置和目标位置的差值来驱动阀门电动执行器运行；

结合交流电机电压平衡方程：

式中，L_a为电枢电感，mH；i_a为电枢电流，A；K_i为电流环增益，A/V；K_s为速度环增益，A·s/rad；为电机设定角速度，rad/s；为电机输出角速度，rad/s；K_e为电机反电动势，V·s/rad；R_a为电枢绕组电阻，Ω。

采用交流电机控制模式为位置式控制模式，电动执行器控制系统微处理器MCU控制器输出的PWM脉冲数与电机角度成比例关系：

K_pN_PWM＝θ_ref (6)

式中，K_p为电机位置比例增益；N_PWM为阀门电动执行器控制系统微处理器MCU控制器发出的PWM信号脉冲数量；θ_ref为电机的设定角度，rad。

令：

H₃＝J_mL_a；

N₅＝mJ_mL_a；

N₄＝mJ_m(R_a+K_i)+L_a(J_mV+mV_m)；

其中，b₁为阀门电动执行器控制系统微处理器MCU控制器发出PWM信号脉冲数量N_PWM系数；H₃为输出轴负载力F_L的三次项系数；H₂为F_L的二次项系数；H₁为F_L的一次项系数；H₀为F_L的常数项；N₅为阀门电动执行器输出轴位移x₀的五次项系数；N₄为x₀的四次项系数；N₃为x₀的三次项系数；N₂为x₀的二次项系数；N₁为x₀的一次项系数；

将式(1)至式(6)进行拉普拉斯变换，联立，化简阀门电动执行器系统可得阀门电动执行器系统输出位移与负载力F_L的传递函数为：

设定外扰为ω，则式(7)可以转换成：

y(N₅s⁵+N₄s⁴+N₃s³+N₂s²+N₁s)＝(H₃s3+H₂s²+H₁s+H₀)u+ω

式中y代表阀门电动执行器输出位移x₀(s)，u代表负载力F_L。

对等号两边同时进行三次积分，具有二阶相对阶的五阶系统变为如式(8)所示的二阶系统：

因此，式(8)为对于负载反馈下的位置控制情况，构建的一个标准的二阶自抗扰控制算法控制结构，即基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法数学模型，可用图2表示。

步骤7，得到阀门电动执行器系统传递函数，选取合适的控制策略对阀门电动执行器控制系统进行控制。

综上所述，本发明使用位置传感器将阀门状态信息直接传送给控制中心，减少了中间电子电路的时延；采用自抗扰控制算法进行控制，使系统在实现解耦的同时既减弱算法对于模型的依赖，提高了系统的鲁棒性，控制精度高、人机交互友好。

Claims (7)

1.一种基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立电机输出轴模型，得到电机输出轴的动力学平衡方程；

步骤2，建立齿轮减速机构模型，并简化为一阶线性系统；

步骤3，建立丝杠传动机构模型，将旋转运动变换为阀门电动执行器输出轴直线运动；

步骤4，建立阀门电动执行器输出轴模型；

步骤5，建立负载力模型；

步骤6，加入位移传感器，建立阀门电动执行器的位移传感器数学模型；

步骤7，根据阀门电动执行器传递函数，采用自抗扰控制算法对阀门电动执行器系统进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，其特征在于，步骤1所述的建立电机输出轴模型，得到电机输出轴的动力学平衡方程，具体如下：

电机输出轴的动力学平衡方程为：

式中，J_m为折算到电机轴上的等效转动惯量；为电机输出角速度；为电机输出角加速度；K_t为电机转矩常数；i_a为电枢电流；T_L为负载力矩，即电机轴的输出力矩；V_m为电机轴等效粘性阻尼系数；η为传动系统总效率；F_s为阀门电动执行器输出轴驱动力；L为丝杠导程。

3.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，其特征在于，步骤2所述的建立齿轮减速机构模型，并简化为一阶线性系统，具体如下：

简化为一阶线性系统的齿轮减速机构模型为：

式中，i为齿轮减速机构减速比；θ为电机输出角；θ_s为齿轮减速机构输出角。

4.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，其特征在于，步骤3所述的建立丝杠传动机构模型，将旋转运动变换为阀门电动执行器输出轴直线运动，具体如下：

丝杠传动机构模型为：

式中，x_s为丝杠机构输出直线位移；L为丝杠导程。

5.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，其特征在于，步骤4所述的建立阀门电动执行器输出轴模型，具体如下：

阀门电动执行器输出轴与调节阀门的阀杆相连，控制阀门运行，阀门电动执行器输出轴模型为：

式中，m为输出轴等效到阀门电动执行器的质量，包括输出轴和与输出轴连接的阀门活动部分的质量；F_L为输出轴负载力；F_s为阀门电动执行器输出轴驱动力；V为输出轴等效阻尼系数；K为电机输出轴总刚度；x为丝杠机构输出直线位移；x₀为阀门电动执行器输出轴位移。

6.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，其特征在于，步骤5所述的建立负载力模型，具体如下：

步骤5.1，建立不平衡力模型：

式中，F_V为不平衡力；d₁为阀门阀芯直径；d₂为阀门阀杆直径；p₁为阀门上游绝对压力；p₂为阀门下游绝对压力；

步骤5.2，建立摩擦力模型：

F_f＝kd₂WP_N

式中，F_f为摩擦力；k为比例系数，其取值受填料长度、宽度及阀门压力等级的影响；W为填料宽度；P_N为调节阀额定压力等级；

步骤5.3，建立负载力模型：

F_L＝F_V+F_f

式中，F_L为输出轴负载力；

将步骤5.1所述建立不平衡量模型和步骤5.2建立摩擦力模型所产生的扰动量以及未知外部扰动估计值，在阀位信号进入控制中心前进行主动补偿。

7.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法，其特征在于，步骤6所述的加入位移传感器，建立阀门电动执行器的位移传感器数学模型，具体如下：

将位移传感器视为一个增益为K_c的比例环节，将位移传感器采集到的阀门电动执行器输出轴的当前位置信号转换为电压信号，输入到下位机控制器的I/O口，通过比较当前位置和目标位置的差值来驱动阀门电动执行器运行；

交流电机电压平衡方程为：

式中，L_a为电枢电感；i_a为电枢电流；K_i为电流环增益；K_s为速度环增益；为电机设定角速度；θ为电机输出角，为电机输出角速度；K_e为电机反电动势；R_a为电枢绕组电阻；

采用交流电机控制模式为位置式控制模式，电动执行器控制系统微处理器MCU控制器输出的PWM脉冲数与电机角度成比例关系：

K_pN_PWM＝θ_ref (6)

式中，K_p为电机位置比例增益；N_PWM为阀门电动执行器控制系统微处理器MCU控制器发出的PWM信号脉冲数量；θ_ref为电机的设定角度；

令：

H₃＝J_mL_a；

N₅＝mJ_mL_a；

N₄＝mJ_m(R_a+K_i)+L_a(J_mV+mV_m)；

其中，b₁为阀门电动执行器控制系统微处理器MCU控制器发出PWM信号脉冲数量N_PWM系数；H₃为输出轴负载力F_L的三次项系数；H₂为F_L的二次项系数；H₁为F_L的一次项系数；H₀为F_L的常数项；N₅为阀门电动执行器输出轴位移x₀的五次项系数；N₄为x₀的四次项系数；N₃为x₀的三次项系数；N₂为x₀的二次项系数；N₁为x₀的一次项系数；

将式(1)至式(6)进行拉普拉斯变换，联立，化简阀门电动执行器系统得阀门电动执行器系统输出位移与负载力F_L的传递函数为：

设定外扰为ω，则式(7)转换为：

y(N₅s⁵+N₄s⁴+N₃s³+N₂s²+N₁s)＝(H₃s³+H₂s²+H₁s+H₀)u+ω

式中，y代表阀门电动执行器输出位移x₀(s)，u代表负载力F_L；

对等号两边同时进行三次积分，具有二阶相对阶的五阶系统变为如式(8)所示的二阶系统：

式(8)为对于负载反馈下的位置控制情况，构建的一个标准的二阶自抗扰控制算法控制结构，即基于自抗扰控制算法的阀门电动执行器控制方法数学模型。