一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法技术方案

本发明专利技术公开了一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法。该方法包括步骤：建立基于电流环、速度环、位置环的三环控制系统，将电流环、速度环、位置环分别作为控制系统的最内环、中间环、最外环，电流环、速度环、位置环均采用PI控制策略；对于速度环、位置环的串级系统，采用花授粉算法同时对速度环PI控制器和位置环PI控制器的PI参数进行同步参数整定。本发明专利技术提高了智能阀门电动执行机构的定位精度、控制灵敏度以及稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法
本专利技术涉及阀门控制
，特别是一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法。
技术介绍
随着科技的发展和工业现代化的不断提高，智能的阀门控制的发展日新月异。智能阀门控制能够极大方便管理而且对其控制精度远远高于人工控制，电动执行机构正是一款对阀门实现智能控制的产品，在现在的发展中电动执行机构可以驱动控制阀门，成为管道流程中的控制核心。各控制领域对电动执行机构控制系统在响应速度、控制精度以及抗干扰性能等方面的要求也越来越高。研究并优化电动执行机构控制系统，对提高系统控制精度和稳定性具有重要的理论意义和实用价值。传统的控制系统常常采用的是位置单环控制，在传统的单环控制方式下驱动电机的速度不能灵活调节并且控制系统的动态稳定性较差。不能对速度进行任意调节会造成位置控制在小范围内振荡的问题，影响执行机构位置控制精度，严重时会引起阀门卡堵现象，同时也会大大缩短机械部件的寿命。在一些对控制系统性能要求较高的应用场合，如高压力、大流量的工作环境以及要求控制系统响应速度快、控制精度高的系统，普通的执行机构由于其控制性能的不足已难以胜任。PID控制是最早发展起来并现今仍运用最广泛的控制策略之一，它具有结构简单、易于实现方便、鲁棒性强、适用性广等特点，其性能主要取决于比例、积分和微分这三个参数的整定和优化。传统的PID控制器参数整定方法有Z－N整定法、C－C整定法、临界比例法等等，这些方法往往存在整定效果不够好、过程繁琐复杂、运行工况适应性较差，易超调和振荡等问题。基于PID控制器的串级系统是串级控制器的常见形式。由于包含嵌套在一起、相互影响的两个控制回路，串级控制器的参数更难以整定。传统的整定方法是先整定内环控制器参数，然后将整定后的内环嵌入整个串级控制系统，再整定外环控制器参数。但这种方法十分繁琐，往往需要反复进行多次的内外环控制器整定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，从而提高智能阀门电动执行机构控制精度及稳定性。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，包括以下步骤：步骤1、建立基于电流环控制器、速度环控制器和位置环控制器的三环控制系统；步骤2、采用花授粉算法，对速度环和位置环控制器的参数同时进行整定。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)将电动执行机构控制系统设计为位置+速度+电流三环控制方式，实现了对电动执行机构阀门位置的精准控制，从而提高了电动执行机构稳定性及控制精度；(2)在传统的控制策略引入速度内环减小系统速度波动、超调和震荡，提高系统定位精度及控制灵敏度；(3)在速度环外额外增加位置环，以实现对电动执行机构阀门位置的精准控制，从而更进一步提高控制系统的控制精度，避免了传统电动执行机构在启停瞬间的过冲现象，实现了柔性启停功能；(4)利用花授粉算法对串级系统同时进行PI参数整定，整定过程简单，整定结果较优，提高了系统的控制性能。附图说明图1是本专利技术中的花授粉算法整定串级系统控制器PI参数的原理框图。图2是本专利技术中的花授粉算法整定串级系统控制器PI参数的流程图。具体实施方式结合图1，本专利技术智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，包括以下步骤：步骤1、建立基于电流环、速度环、位置环的三环控制系统；步骤2、采用花授粉算法，对串级系统的速度环和位置环PI控制器的参数同时进行整定；进一步地，步骤1所述的建立基于电流环、速度环、位置环的三环控制系统，具体如下：步骤1.1、将电流环作为控制系统最内环，实时跟踪给定电流，同时抑制系统直流母线电压的波动以及系统的转矩脉动，减弱反电动势给系统带来的干扰；步骤1.2、将速度环作为控制系统中间环，实现对给定速度的跟踪，并对干扰系统运行的负载扰动进行抑制；步骤1.3、将位置环作为控制系统最外环，对电机进行变速调节，同时对阀门位置进行控制。进一步地，步骤1.1所述的将电流环作为控制系统最内环，实时跟踪给定电流，同时抑制系统直流母线电压的波动以及系统的转矩脉动，减弱反电动势给系统带来的干扰，具体如下：电流环调节器使用PI调节器，由积分环节来补偿电压波动对电机参数产生的影响，进而使其具有良好的动态和稳态性能，它的传递函数Gic(s)可用式(1)表示：式(1)中，Kp为电流环比例增益，Ti为积分时间常数，s为拉氏变换的复变量。进一步地，步骤1.2所述的将电流环作为控制系统最内环，实时跟踪给定电流，同时抑制系统直流母线电压的波动以及系统的转矩脉动，减弱反电动势给系统带来的干扰，具体如下：速度环与电流环具有类似的功能——保证电机转速跟随给定指令变化。速度环由电流闭环、伺服电机、负载对象和反馈滤波等环节构成。速度环控制器的调节作用是降低甚至去除诸如负载扰动等参数变化对电机转速产生的影响。速度环采用PI控制器，参数包含速度环比例增益Kp1，速度环积分增益Ki1，其控制器传递函数为：进一步地，步骤1.3所述的将电流环作为控制系统最内环，实时跟踪给定电流，同时抑制系统直流母线电压的波动以及系统的转矩脉动，减弱反电动势给系统带来的干扰，具体如下：电动执行机构的目的是实现对位置的精准控制。位置环作为位置跟踪控制的重要环节其工作原理为控制器首先接收外部给定位置信号，然后将其与系统实时反馈的位置信号进行偏差计算后根据该环节控制算法输出给速度环给定信号。位置环采用PI控制器，参数包含位置环比例增益Kp2，位置环积分增益Ki2，其控制器传递函数为：进一步地，步骤2所述的采用花授粉算法，对串级系统的速度环和位置环PI控制器的参数同时进行整定，具体如下：步骤2.1、初始化花授粉算法的寻优参数，确定[Kp1,Ki1,Kp2,Ki2]四个参数的寻优范围，生成初始的种群，生成初始控制性能评价指标的最优值和使系统性能最佳的最优的步骤2.2、根据花授粉算法的全局授粉和局部授粉，生成下一代速度环和位置环PI控制器的参数的种群，再根据所选取的适应度函数来对新种群进行控制性能评价，进而更新种群；步骤2.3、迭代循环找到最终控制性能评价指标的最优值和使系统性能最佳的最优的结合图2，进一步地，步骤2.1所述初始化花授粉算法的寻优参数，确定[Kp1,Ki1,Kp2,Ki2]四个参数的寻优范围，生成初始的种群，生成初始控制性能评价指标的最优值和使系统性能最佳的最优的具体如下：步骤2.1.1、初始化参数，包括求解维度D，种群规模N，转换概率p，最大迭代次数MAX_iter。对速度环和位置环的串级系统，同时调节两个PI控制器的参数，因此求解维度D＝4。种群规模N设置为40。花粉群可用矩阵表示如下：由于花授粉算法生成下一代的授粉方式分为局部授粉和全局授粉，局部授粉和全局授粉由转移概率p∈[0,1]控制。由于物理近似性及其它自然因素的影本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、建立基于电流环控制器、速度环控制器和位置环控制器的三环控制系统；/n步骤2、采用花授粉算法，对速度环和位置环控制器的参数同时进行整定。/n

【技术特征摘要】
1.一种智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、建立基于电流环控制器、速度环控制器和位置环控制器的三环控制系统；
步骤2、采用花授粉算法，对速度环和位置环控制器的参数同时进行整定。


2.根据权利要求1所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤1所述的建立基于电流环控制器、速度环PI控制器、位置环PI控制器的三环控制系统，具体如下：
步骤1.1、将电流环控制器作为控制系统最内环控制器，实时跟踪给定电流，同时抑制系统直流母线电压的波动以及系统的转矩脉动，电流环控制器输出信号作为逆变器的输入，逆变器与电机连接，电机的实际电流反馈至电流环控制器，构成闭环；
步骤1.2、将速度环控制器作为控制系统中间环控制器，实时跟踪给定速度，并对干扰系统运行的负载扰动进行抑制；速度环控制器与电流环控制器串联，电机的实际速度反馈至速度环控制器，构成闭环；
步骤1.3、将位置环控制器作为控制系统最外环控制器，输入为给定位置，输出至速度环控制器，电机与阀门连接，阀门的实际位置反馈至位置环控制器，构成闭环。


3.根据权利要求2所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤1.1所述的电流环控制器为PI控制器，其传递函数为：



其中，Kp为电流环比例增益，Ti为积分时间常数，s为拉氏变换的复变量。


4.根据权利要求2所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤1.2所述速度环控制器采用PI控制器，参数包含速度环比例增益Kp1，速度环积分增益Ki1，其控制器传递函数为：



其中：Kp1为位置环比例增益，Ki1为位置环积分增益。


5.根据权利要求4所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤1.3所述位置环控制器采用PI控制器，参数包含位置环比例增益Kp2，位置环积分增益Ki2，其控制器传递函数为：





6.根据权利要求5所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，步骤2所述的采用花授粉算法，对串级系统的速度环和位置环控制器的参数同时进行整定，具体如下：
步骤2.1、初始化花授粉算法的寻优参数，确定[Kp1,Ki1,Kp2,Ki2]四个参数的寻优范围，生成初始种群，生成初始控制性能评价指标最优值和使系统性能最优的
步骤2.2、根据花授粉算法的全局授粉和局部授粉，生成下一代速度环和位置环PI控制器的参数的种群，再根据选取的适应度函数来对新种群进行控制性能评价，进而更新种群；
步骤2.3、循环迭代步骤2.2找到最终控制性能评价指标的最优值和使系统性能最佳的最优的


7.根据权利要求6所述的智能阀门电动执行机构的控制系统构建方法，其特征在于，所述步骤2.1具体如下：
步骤2.1.1、初始化花授...

【专利技术属性】
技术研发人员：王阳，胡文斌，瞿仁杰，袁逸凡，罗淏天，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32